太阳能空调在室内热环境中的应用

太阳能空调在室内热环境中的应用

0太阳能空调品质评价标准太阳能空调包括太阳能收集过程、热驱动冷却过程和冷却能耗传输过程。现有研究主要集中在太阳能集热过程和热驱动制冷过程,从能量转换过程以及能量转换效率出发,通过实验研究以及数值模拟分析太阳能空调的运行特性,重点探讨了热源温度对系统性能的影响,包括热水温度对系统制冷量以及热力COP的影响。这种单纯基于系统产能的研究具有明显的单向性。太阳能空调的最终目标是要为建筑营造舒适的室内热环境,这就必然涉及到太阳能空调的冷量输运过程以及建筑的动态热过程,同时需要对太阳能空调的品质提出一定的要求,从而实现产能与用能之间的匹配。由于受到环境参数的制约,太阳能空调具有明显的资源局限性以及时间局限性,属于典型的非稳态运行过程。与此同时,建筑的空调负荷也是随着环境参数以及室内热源等参数动态变化,具有不确定性。因此,合理评价太阳能空调品质,对研究太阳能空调在各类建筑中的适用性以及系统设计方法具有重要的意义。本文基于太阳能空调冷量输运过程参数(冷冻水温度以及制冷量),提出太阳能空调品质评价指标。以太阳能吸附式空调为例,利用典型工况下的实验结果对太阳能空调的品质进行了评价与分析,并对系统的合理利用方式进行了探讨。1太阳能空调冷量输运过程特点太阳能空调冷量输运过程特性决定于气象参数以及制冷方式。首先,由于受到太阳辐射强度、环境温度等气象参数的制约,太阳能空调制冷能力会呈现出类似于太阳辐射强度的变化规律,从而导致冷量输运过程参数具有明显的波动性。其次,目前主要的太阳能空调用制冷方式包括吸收式制冷以及吸附式制冷。由于吸附式制冷的周期性以及变工况特点,太阳能吸附式空调的冷量输运过程参数还会呈现出局部的周期性以及脉动性。针对太阳能空调冷量输运过程特点,提出三项太阳能空调品质评价指标。由于民用建筑空调系统的计算以及选型均基于逐时负荷,因此,本文提出的评价指标计算中均采用冷量输运过程参数的时均值。1冷量输运过程动态时均变化率输冷过程热稳定性可以采用冷冻水温度以及制冷量的时均变化率进行评价。考虑工程应用的实际情况,变化率在区间[-0.1.0.1]时,认为系统的热稳定性较好。冷量输运过程参数的时均变化率按照下式计算:式中,为时均变化率;为时均值;为运行过程中的平均值。2冷冻能量系数能质系数是指不同能源对外所能够做的功和其总能量的比值。应用能质系数的概念,可以反映各种能源的能量品位高低。冷冻水能质系数除与供、回水温度相关外,还与能源使用地点的参考温度密切相关。夏季的参考温度可以选择夏季空气调节日平均温度。冷冻水能质系数按照下式计算:式中,λchilled为冷冻水能质系数;To为参考温度,K;Tg和Th分别为冷冻水供、回水温度,K。3输冷过程匹配输冷过程匹配性用来考察太阳能空调逐时制冷量与建筑逐时冷负荷之间的匹配性。本文利用逐时负荷相对误差以及峰值负荷相位差两个参数来评价输冷过程匹配性。逐时负荷相对误差按照下式计算:式中,为逐时负荷相对误差;为太阳能空调逐时制冷量,kW;为建筑逐时冷负荷,kW。峰值负荷相位差按照下式计算:式中,△t为峰值负荷相位差,h;为太阳能空调制冷量最大值对应的时间,h;为建筑冷负荷最大值对应的时间,h。2太阳能空调冷量输运过程特性基于本文提出的太阳能空调品质评价指标,选用上海市夏季典型工况下的实验数据对太阳能空调品质进行评价与分析。图1为太阳能空调系统流程图,该系统主要包括真空管式太阳能集热器(集热面积90m2),制冷机组、蓄热水箱(有效容积2.5m3)、冷却塔、风机盘管、循环水泵等设备。实验系统选用硅胶/水吸附式制冷机组,额定制冷量为8.5kW。该机组适合于低品位热源,实验表明,热源温度在60℃时即可有效工作。图2为太阳能空调运行期间时均冷冻水温度以及时均制冷量变化曲线。实验结果表明,在上海市夏季典型工况下(日总太阳辐照量为19.67MJ/m2,日平均室外空气温度为30.40℃),太阳能空调系统冷量输运过程参数在连续运行期间内的平均值分别为:冷冻水温度平均值为15.14℃,制冷量平均值为6.32kW。以该实验研究为依据,从三个层面对太阳能空调品质进行评价。1系统运行工况分析图3表示太阳能空调时均制冷量变化率以及时均太阳辐射强度变化率。可以看出,时均太阳辐射强度变化率波动非常明显,13:30之后,太阳辐射强度加速下降。相对而言,时均制冷量变化率比较稳定,变化率大于0.1的概率仅为14.29%,开机运行1h之后,系统总体运行工况趋于稳定。太阳能空调时均冷冻水温度变化率呈现出类似的规律,如图4所示。虽然太阳辐射强度是影响太阳能空调性能的主要因素,但是,由于蓄热水箱的调节作用,保证了系统具有相对稳定的冷量输出。因此,总体而言,太阳能空调输冷过程热稳定性较好。2冷冻能量分析图5为冷冻水能质系数变化曲线。由图可知,冷冻水能质系数总体上与太阳辐射强度的变化规律一致,其峰值约为0.056,出现在13:30,比太阳辐射强度的峰值滞后约2h。系统运行期间内,冷冻水能质系数平均值约为0.050。对应于相同的夏季参考温度,常规空调系统冷冻水能质系数为0.074。与常规空调系统相比,太阳能空调冷冻水能质系数降低了32.43%,这意味着太阳能空调冷冻水的降温除湿能力有所减弱。从能源品位方面,太阳能空调更适合于温湿度独立控制的空调系统。利用太阳能空调负担建筑的显热冷负荷,从而使得系统在较高的冷冻水温度下运行,可以提高太阳能空调热力COP,提高太阳能利用率,对改善太阳能空调的经济性,促进该项技术的推广具有重要的意义。3太阳能空调逐时冷负荷图6为太阳能空调逐时制冷量与建筑逐时冷负荷变化曲线。可以看出,大约在14:00之前,太阳能空调逐时制冷量均高于逐时冷负荷,逐时负荷相对误差最高达到19.34%。太阳能空调制冷量除满足所负担建筑的空调需求外,尚有约10%的余量。在14:00之后,建筑逐时冷负荷超过太阳能空调逐时制冷量,但是,逐时负荷相对误差最高仅为5.77%。此外,根据图6可直观看出,峰值负荷相位差约为2h,也就是说,相对于太阳能空调制冷量最大值,建筑空调负荷最大值滞后2h。分析表明,虽然太阳能空调产冷与建筑用冷在总体上具有匹配性,但是,太阳能空调制冷量的日变化规律与建筑空调负荷的日变化规律并不完全吻合。3太阳能空调品质评价指标本文提出太阳能空调品质评价指标,并基于实验研究结果对太阳能吸附式空调品质进行了评价与分析,主要结论总结如下:1)基于太阳能空调冷量输运过程参数,提出太阳能空调品质评价指标,具体包括:输冷过程热稳定性,冷冻水能质系数,输冷过程匹配性。2)蓄热水箱的调节作用保