太阳能在别墅建筑中的应用

太阳能在别墅建筑中的应用

1太阳能空调系统的组成及能源选用太阳能是一种具有巨大能量和清洁能源的能源。几十年来，世界各国都致力于更好地利用太阳能清洁能源。过去对太阳能应用研究多注重太阳能单一用途,如太阳能热水器、太阳能空调系统、太阳能建筑采暖系统。为了提高太阳能全年利用率,采用太阳能综合利用是一种比较好的措施。考虑到太阳能全年应用时,由于太阳能不能保证在所有时间内系统提供全部的能量,因此在系统内必须考虑采用常规能源作为辅助以及蓄能技术。自上世纪70年代开始,国内先后有多个单位对太阳能空调系统进行了研究和开发,也有了一些应用实例。这些应用实例中的太阳能空调系统的负荷都比较大,采用冷、热水蓄能,蓄能水箱的体积较大,难以在建筑面积较小的别墅中应用。针对目前绿色节能别墅建筑的发展趋势,对采用溶液潜能储存和水蓄能技术的太阳能综合利用系统进行分析,探讨在绿色节能建筑中太阳能综合利用的可能性。2系统的工作过程太阳能综合利用系统总体要求是:夏天为别墅室内提供冷量,冬季提供热量,全年提供生活用热水。图1给出了复合能源太阳能综合利用系统流程。整个系统主要由热管式真空管太阳能集热器、燃气热水器、热水储罐、单效吸收式制冷/热泵机组、溶液和制冷剂储罐等构成。在夏季,系统主要按制冷方式运行。当太阳能集热器热水出口温度达到吸收式制冷机启动所需的最低温度时,溶液泵将稀溶液经溶液热交换器泵入发生器。溴化锂溶液在发生器内受热产生水蒸汽,水蒸汽在冷凝器内冷凝并进入制冷剂储罐。出发生器的浓溶液经热交换器降温后进入浓溶液储罐。发生过程工作溶液的流量取决于集热器所收集的太阳能辐射能,是随时间而变。而别墅建筑内空调负荷取决于当时实际所需。在同一时刻集热器所收集的太阳辐射能,经吸收式制冷机转换得到的冷能与空调负荷所需的冷能可能不一致,使得流经发生器和吸收器的工作溶液流量也可能不一致。当流经发生器的溶液流量大于吸收器的溶液流量时,多余的浓溶液储存在浓溶液储罐内。反之,需要由浓溶液储罐内的溶液来补充不足的流量。特别是在夜间,别墅建筑所需的空调冷能完全需要由储存在浓溶液储罐内的溶液潜能来转换。因此,系统要求铺设面积较大的太阳能集热板来满足别墅建筑全天空调所需能量的要求。在冬季,系统主要按供热方式运行。白天水箱内温度较低的水首先由太阳能加热,使其温度升高,当温度升高到一定值时,溶液蓄能部分(发生器和冷凝器)开始工作。产生的浓溶液全部储存在浓溶液储罐内,冷凝热作为别墅建筑供热。若热水温度达不到要求,就由燃气热水器加热,直至热水温度能够驱动溶液蓄能部分工作。夜间,首先由热水箱内温度较高的热水为别墅建筑提供热量,当水箱内热水温度降到设计值时,吸收器和蒸发器开始工作,储存在浓溶液储罐内的溶液潜能按热泵方式转换成热能用于别墅建筑供热。随着供热的进行,水箱中水温逐渐降低。当水箱内水温降低到一定程度时,需要启动燃气热水器,使整个制冷机处于热泵状态下继续工作,直到水箱内水温降到设计的最低温度。由此可见,系统处于一种与时间有关的动态工作过程中。这样设计的采暖系统可达到以下目的:1)增大水箱的可利用热水温差,提高热水的蓄能密度,减小了热水箱的体积;2)降低太阳能集热板日平均工作温度,提高其平均集热效率;3)从热水储罐内得到热量,可使溴化锂溶液吸收式制冷机在冬季按热泵方式运行,而不需依赖于采用溴化锂吸收式热泵运行时必须有16℃以上的低温热源的限制。3该系统的基本数据3.1集效率的计算公式集热器系统选用目前国内外广泛使用的全玻璃真空管热管式太阳能集热器,其k时刻的集热效率由文献提供的计算公式为:ηk=0.566-0.484×ta2-tkΙk(1)式中:ta2为集热器内热水平均温度(℃);tk为k时刻的环境温度(℃);Ik为太阳辐射强度(W/m2)3.2设计日逐时太阳辐射强度的确定现代普通别墅建筑通常为2层结构,单元建筑面积为150～300m2。选取一总建筑面积240m2两层别墅建筑作为分析对象。采用冷负荷系数法得到北京、西安、兰州三地夏季一典型日的空调逐时计算冷负荷q0,k如表1所示,设计日逐时太阳辐射强度如图2所示。综合考虑一天内不同时段空调房间内人员活动情况以及地表温度相对太阳辐射的滞后,在此引入一个时段负荷系数αk(k时刻的负荷系数)来确定别墅空调的设计冷负荷(见表2)。空调系统典型日逐时冷负荷可用式(3)表示。qk=q0,k×αkkW(3)三地夏季空调设计逐时冷负荷如图3所示。空调逐时负荷大致存在3个峰值,分别是早中晚三个室内人员活动集中时段。夏季可利用的太阳幅照时间只有8∶00～16∶00共9小时。将图2与图3比较可以看到,太阳能幅照时间及强度与空调逐时负荷在时间上有很大差距,必须采用蓄能措施来弥补能量供应及能量需求之间的时间差。4系统总体性能计算当系统按制冷工况运行时,取冷水出口温度为7℃;回水温度为12℃;太阳能集热器热水进口温度75～79℃,出口温度86～90℃;冷却水温度28℃。在正常的太阳能辐射条件下,系统为绿色节能别墅建筑提供全部空调负荷。空调时间取为环境温度高于27℃的时段(当环境温度低于27℃的时候完全可以利用自然通风来达到降温目的)。同时考虑到别墅建筑的使用特点,可取北京地区空调时间为8∶00～23∶00;西安地区为7∶00～24∶00;兰州为11∶00～18∶00。另外,生活用热水量按每人每天用50℃热水40L,5人计算,热水用量为200L/d。则由式(1)、(2)、(3)可计算出各地区系统所需太阳能集热板的面积。空调日总负荷Q0=3600×τa2Σk=τa1qkkJ(4)生活用热水负荷qsh=cpρwυΔtkJ(5)所需太阳能集热器的面积S=Q0τ2Σk=τ1(Ιk⋅ηk⋅CΟΡk/1000)+qshτ2Σk=τ2(Ιk⋅ηk)/1000m2(6)式中:τa1,τa2为各地使用空调的始、末时刻;τ1,τ2为各地利用太阳能的始末时刻;COPk为系统内吸收式制冷机运行逐时性能系数。当冷却水温度和冷媒水温度确定后该系数与且仅与用作制冷机热源的热水温度有关。根据太阳能辐射强度的变化可确定太阳能集热器出口热水温度,并按逐时太阳能辐射量、实际逐时空调负荷和文献介绍的常规吸收式制冷循环热力计算方法,得到由发生器产出的浓溶液与吸收器所消耗的浓溶液流量差(见表4)。如果发生器产出的浓溶液大于吸收器吸收的浓溶液,多余的浓溶液将储存在浓溶液储罐内;反之,需要从浓溶液储罐内放出部分溶液以补充吸收过程浓溶液的不足,二者之差值即为溶液储量变化率。由于太阳能集热器出口热水温度是变化的,所以出发生器的溶液质量分数也是变化的。当蓄能过程(自τ1=8∶00至τ2=16∶00)结束后,浓溶液储罐内溶液平均质量分数ζr为ζr=τ2∫τ1ζr‚τmr‚τdτΜr(7)Μr=τ2∫τ1mr‚τdτkg(8)式中:ζr,τ为τ时刻出发生器的溶液中溴化锂质量分数,mr,τ为τ时刻浓溶液储罐内的溶液储量变化率。Mr为τ蓄能结束时浓溶液的总储量。稀溶液总消耗量为:Μp=-τ2∫τ1mp‚τdτkg(9)夜间溶液释能时,每吸收1kg水蒸汽需要消耗的浓溶液为:mr‚n=ζpζr-ζpkg/kg(10)蓄能溶液罐的体积分别为(取储罐空隙系数为β=1.2):Vr=Μrρr×βm3;Vp=Μpρp×βm3(11)整个系统的总效率为:ηz=ηs·COP(12)式中:ηs为太阳能集热板的平均集热效率,COP为制冷系统运行的平均效率。根据常规吸收式制冷系统热力计算方法及以上补充的计算模型,计算北京、西安、兰州三地采用复合能源的综合系统按制冷工况运行时总体数据如表3所示,性能参数变化情况以北京为例,如表4所示。需要说明是,表4中列出的稀溶液的总储量和浓溶液的总储量变化率并非等于零,它们之间存在微量差异。其原因是:白天制冷系统由太阳能提供热源,其温度是变化的;系统的COP值随热源温度而变,温度高,COP值高;温度低,COP值低。而夜间冷量则完全是由储存的潜能转换而来,储罐中溶液的温度和浓度是恒定的,则夜晚系统运行的COP值也是恒定的。由于一日内太阳能提供的能量和实际空调负荷存在着差异,使得稀溶液和浓溶液的总储量变化不为零,但这种差别很小不影响系统的正常工作。5太阳能集热板th-0032024财产冬季别墅建筑的供暖热负荷可计算为Qh=a1·A·K·(tn·d-tw·k)(13)式中:α1为温差修正系数;A为围护结构传热面积,m2;K为围护结构传热系数,W/(m2·℃);tn·d为室内计算温度,℃;tw·k为室外计算温度,℃。经计算可得三地采暖负荷和采暖时间分别为:北京11.266kW,11∶00～13∶00及16∶00～7∶00;西安9.858kW,11∶00～14∶00及17∶00～7∶00;兰州11.618kW,11∶00～14∶00及17∶00～7∶00。当太阳辐射强度小于100W/m2时太阳能集热器几乎不能工作,所以西安和兰州两地太阳能采集时间为8∶00～16∶00;北京为9∶00～15∶00,三地冬季太阳能逐时辐射强度见图4所示。系统在τ0=8∶00～τ1=10∶00期间不进行供暖,别墅建筑依靠围护结构储蓄的热量维持室内温度。太阳能将蓄热水箱内初温为t0的水加热,水温升高幅度为Δt=S⋅τ1∫τ0Ιτ⋅ητ⋅dτ1000⋅Cw⋅ρw⋅Vw℃(14)式中:Vw为蓄热水箱的体积,m3;Cw,ρw分别为水的比热和密度。11∶00水箱内水温升高到。t1=t0+Δt。τ1=11∶00～τ2=14∶00(11∶00～13∶00)(括号内为北京地区系统工作时间)燃气热水器与太阳能集热器联合工作,使水箱内的水温继续升高到85℃并驱动系统的溶液蓄能部分(发生器和冷凝器)工作,由冷凝热供别墅建筑采暖,进出冷凝器热水温度为40℃/45℃。出发生器热水温度为75℃,进出发生器溶液的放气范围为0.05,产生的浓溶液被储存在浓溶液罐中。蓄能过程计算方法与制冷工况相同,可求出由太阳能和燃气联合加热的热水流量qmv(kg/s)。取τ～τ+dτ时间段为研究对象,τ时刻集热板进口热水温度为t1,τ,则水箱初始水温为t1,0=t1,τ时刻热水流经太阳能集热板的温升可计算为dtτ=1000ΙτητSCwqmv℃(15)式中:Iτ,ητ分别为τ时刻太阳能辐射强度和集热板集热效率。当出集热板的热水温度tτ<85℃时,需燃气热水器作辅助加热,将热水继续加热到th=85℃。τ时刻燃气热水器的负荷为:Qf‚τ=Cw⋅qmv⋅(th-tτ)1000kW(16)热水经发生器后温度降为设定的th′=75℃流回水箱并与水箱内水混合,混合后的水温即为下一时刻(τ+dτ)进入集热板的热水水温。t1‚τ+Δτ=th′×qmv×dτ+(ρw⋅Vw-qmv×dτ)⋅t1‚τρw⋅Vw℃(17)τ1～τ2期间,消耗的燃气总能量Qf=τ2∫τ1(Qf‚τ/ηf)dτ(18)式中:ηf为燃气热水器效率。蓄能结束时水箱内的水温升高到t2(根据设计t2≤75℃),浓溶液总储量为Μr=Μwρaρr-ρakg(19)式中:Mw为发生出的冷剂水总量,kg。τ时刻太阳能集热板出口水温。tτ=t1,τ+dtτ。τ2=15∶00～τ3=16∶00(14∶00～15∶00)蓄能及利用冷凝热供暖过程结束,太阳能直接被用来加水箱中的热水,使水温继续升高到t3:t3=t2+τ3∫τ23600⋅Ιτ⋅ητ⋅S⋅dτ1000⋅Cw⋅ρw⋅Vw(20)16∶00(15∶00)利用水箱高温热水供热,供热时间(τ3～τ4)为热水温度从t3降到t4=47℃所需的时间τ4-τ3=Cw⋅ρw⋅Vw⋅(t3-t4)3600⋅Q0(21)当水箱热水温度降至t4时,释能过程开始,蒸发器和吸收器工作。水箱内热水充当冷源放热,继续降温。取蒸发器换热温差为8℃,进出口水温差为Δt=5℃。吸收器热水进/出口温度为43℃/50℃,储存在浓溶液中的能量被释放出来。由于进蒸发器的水温是逐渐降低的,设任意时刻蒸发器进口水温度为t4,τ,则溶液释能初始时刻t4,0=t4。取dτ为一时间段,水箱内水温变化为(qw为进出蒸发器的热水流量)t4‚τ+dτ=t4‚τ⋅(ρw⋅Vw-qwdτ)+(t4‚τ-Δt)⋅(qwdτ)ρw⋅Vw(22)溶液的能量释放完毕后,由燃气热水器驱动热泵系统继续吸收水箱中热水的热量进行供热,水箱内水温继续下降。水箱内水温变化情况与式(22)相同,其他计算与常规吸收式制冷系统相同。根据北京、西安和兰州三地别墅建筑冬季供热负荷和太阳能辐射逐时变化规律,通过上述方法计算得到系统各时段供热水箱水温变化情况如表5及图5所示,能量平衡情况如表6所示。从表6所列数据可看到,因太阳能集热板面积由夏季空调负荷确定,夏季冷负荷较大的西安地区,所铺太阳能集热板的面积最大,而兰州因夏季冷负荷较小,铺设的太阳能集热板面积相对较小。但在冬季,西安地区的供热负荷最低,由于其铺有较大面积的太阳能集热板,在太阳能正常辐射条件下建筑采暖以太阳能为主,辅助能源供能仅占很小比例。兰州地区因冬季温度较低,供暖负荷较大,但由于其铺设的太阳能集热板面积最小,所以系统冬季供热大部分要依赖于辅助能源,这时可以考虑适当增加太阳能集热板的铺设面积来满足建筑冬季的采暖要求。6经济评价、分析为了解太阳能复合能源系统全年运行的节能效果和经济性,需要对系统做进一步的经济评价和分析。经济评价指标包括投资回收期、高峰用电负荷转移率、寿命周期成本、经济寿命等指标。以北京地区太阳能综合利用系统为例,与其它几种适用于别墅的空调/采暖系统相比,对投资回收期等经济指标进行分析。1投资及加热设备投资太阳能综合利用系统投资费用主要由五部分构成,分别为吸收式制冷/热泵机组、太阳能集热板、蓄能设备、溴化锂溶液、冷却塔及辅助加热设备的投资费用。常规能源空调/采暖/供热水系统的投资相对较小些。2辅助加热系统的燃料费用太阳能综合利用系统年平均采暖用按采暖120天计算,采暖期除需交纳系统运行的