太阳能联合冷温水机在学院楼空调系统中的应用

太阳能联合冷温水机在学院楼空调系统中的应用

随着经济的快速发展，中国建筑能耗的绝对数量和总能耗的比例显著增加。中国供暖空调的能耗占建筑能耗的65%，而北方供暖能力占当地社会总能耗的40%。随着冬季室内舒适环境的提高，采暖期持续扩大，采暖区从黄河以北延伸到长江流域，进一步加剧了能源和环境的压力。建筑节能对缓解压力起到了重要作用。随着城市天然气的发展和应用，为了平衡天然气和能源的需求，优化能源结构，上海提出了政策来发展天然气空调。然而，中国相对较高且持续上涨的天然气价格导致大多数国内天然气用户无法承受的过度运营成本。这些例子是中国东部3号楼的传统储水式空调系统和高能耗、低污染气候的推广和发展。目前的太阳能技术还不能完全取代暖通空调系统的常规能源,但太阳能作为辅助能源,与天然气构成联合的暖通空调系统,应该是一种既节能又环保的系统方案.本课题组对东华大学3,4号学院楼原有的燃气空调系统提出采用太阳能作为辅助能源的节能改造方案.该方案采用主动式太阳能集热与直燃机联合采暖的系统形式.作为该方案可行性研究的一部分,本课题组已对方案的优化设计进行了研究.本文将介绍此可行性研究的另一部分,即经笔者改进后的新系统方案的运行控制模式以及运行的数值模拟研究和分析,为改造方案可行性研究的经济分析提供必需的基础数据.1系统运营的建模1.1行控制原则改进后的主动式太阳能与直燃式吸收式冷温水机联合采暖系统如图1所示.系统主要由并联全玻璃真空管集热器阵列、蓄热水箱、燃气直燃式吸收式冷温水机(以下简称直燃机)、变频水泵、管网以及控制系统组成.蓄热水箱和直燃机串联连接组成热源系统,向空调设备系统供热以满足建筑供暖热负荷,供回水温度50℃/45.6℃.该系统运行控制原则如下:(1)有太阳辐射时,集热器循环泵P1从水箱抽水充满集热器.当太阳辐射足够,集热器出口水温与蓄热水箱内水温之差达到设定值时,循环泵P1运行,向蓄热水箱输入太阳能使其升温.考虑到系统的稳定运行,设定集热器出口水温与蓄热水箱内水温之差≥2℃;否则,P1停止运行,待集热器中水被太阳能加热并达到设定温差时再运行;(2)当蓄热水箱内水温低于45.6℃时,阀6,8,10关闭,阀7和9打开,太阳能子系统和直燃机系统互相独立,单独由直燃机来满足热负荷;当水箱内水温≥45.6℃时,阀6,8,10打开,阀7和9关闭,循环泵P1和P2运行,实现主动式太阳能与直燃机联合采暖运行,太阳能集热系统起到预热直燃机进口水温的作用;(3)当蓄热水箱内水温达到50℃时,关闭直燃机燃烧器,单独由太阳能子系统来满足热负荷.此时若太阳能子系统提供的热量大于热负荷时,阀5打开,投入卸荷管16,以保证蓄热水箱水温在50℃.(4)当集热器入口水温小于5℃、太阳辐射不足或采暖结束时,集热器中的水倒流回蓄热水箱以防止集热器冻裂和减少热损失.1.2集热器等效热损失系数dtmd集热器的热容量使集热器得到的有效利用能有所减少,一般集热器热容量由集热器的玻璃和集热管内的工质水形成,且吸热管内壁与水之间的对流换热系数很大,吸热管的温度和流体的平均温度可认为相等.这时,集热器在输出有用收益的情况下,其能量平衡微分方程为:[(mc)w+(mc)m]dtmdτ=F′[GΤ(τα)e-UL(tm-ta)]+F˙mcp(ti-to)=FR[GΤ(τα)e-UL(ti-ta)]+F˙mcp(ti-to)(1)式中:(mc)w为集热器单位有效采光面积的有效工质水的热容量(kJ/(m2·℃));(mc)m为集热器单位有效采光面积玻璃的等效热容量(kJ/(m2·℃));τ为时间(s);F′为真空管集热器的效率因子,无因次;FR为真空管集热器的热转移因子,无因次;GT为某时刻集热器倾斜面上单位有效采光面积的太阳辐射强度(kW/m2);(τα)e为集热器的有效透过吸收积,无因次;UL为集热器以有效采光面积为基准总的等效热损失系数(kW/(m2·℃));tm为集热器中流体的平均温度(℃);ta为τ时刻的环境温度(℃);ti为τ时刻集热器进口流体温度(℃);to为τ时刻集热器出口流体温度(℃);˙m为集热器内单位有效采光面积工质流量(kg/(m2·s));F为控制集热器有用能量输出的函数,当集热器出口温度与蓄热水箱内水温之差≥2℃时,F=1,否则F=0.由于集热器为一阶线性系统,有dtmdτ=Κdtodτ(2)其中,K为比例系数,集热器内流体沿流动方向温度呈线性分布,所以取K=0.5.将式(2)代入式(1)有[(mc)w+(mc)m]Κdtodτ=FR[GΤ(τα)e-UL(ti-ta)]+F˙mcp(ti-to)(3)集热器的进口温度ti根据运行原则不同而变化:(1)当F=0时,集热循环停止,集热器吸收太阳能使to升高直到F=1,此过程中认为ti=to;(2)蓄热水箱内水温低于45.6℃,且F=1时,集热器只与蓄热水箱进行循环,所以ti也就是水箱内的水温;(3)蓄热水箱内水温达到45.6℃,太阳能子系统参与采暖运行,此时ti为从分流水箱流出的系统回水温度45.6℃.1.3dtsd的s计算蓄热水箱的设计将采取措施保证水箱内水的良好混合,故水箱内水温可视为均匀的ts.蓄热水箱采用圆柱形,其体积为V=Ac(X+R)/1000(4)式中:V为蓄热水箱体积(m3);Ac为集热器总有效采光面积(m2);X为单位集热器采光面积所对应的水箱的水量(L/m2);R为单位采光面积集热器的水容量(L/m2).集热器入口水温ts<5℃、太阳辐射不足或不采暖时,集热器中的水倒流入蓄热水箱以防止集热器冻裂和减少热损失,假设流入水箱中的水与水箱中的水处于同一温度,则此时水箱的非稳态能量平衡方程为:[(mcp)s+ρRAccp/1000]dtsdτ=-(UA)s(ts-ta)(5)式中:ρ为水的比热容(kJ/(kg·℃));(mcp)s为蓄热水箱的热容量(kJ/(m2⋅℃))‚(mcp)s=ρcpAcX/1000;U为水箱的热损失系数(kW/(m2·℃));A为水箱的表面积(m2).当有太阳辐射且ts<45.6℃时,水箱的能量平衡方程为:(mcp)sdtsdτ=F˙mcpAc(to-ts)-(UA)s(ts-ta)(6)此时,直燃机为满足热负荷提供的热量为Qzh=Qτ,Qτ为τ时刻的热负荷(kW).当有太阳辐射且45.6℃≤ts<50℃时,水箱的非稳态能量平衡方程为:(mcp)sdtsdτ=F˙mcpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)-13.6Μcp(ts-45.6)(7)式中:M为τ时刻空调系统总循环流量(m3/h)‚Μ=QτcpΔt×3.6.此时,直燃机为满足热负荷提供的热量为:Qzh=Μcp(50-ts)/3.6.当有太阳辐射且水箱内水温ts≥50℃时,水箱水温已达到供暖温度,可停止直燃机,单独由太阳能来供暖,若有多余热量则通过卸荷管散掉热量,水箱的能量平衡方程为:(mcp)sdtsdτ=Fm˙cpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)-Qτ-Qunload(8)其中,Qunload是为维持水箱水温为50℃通过卸荷管散掉的热量,其值为:Qunload={0Fm˙cpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)<QτFm˙cpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)-QτFm˙cpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)≥Qτ(9)这时直燃机为满足热负荷所提供的热量Qzh=0,随着采暖的进行,蓄热水箱温度下降,最终ts<50℃时,直燃机开始运行.1.4采暖季f值的确定所利用的太阳能与采暖热负荷的比率称为太阳能保障率,用f表示.f是反映和评价太阳能系统运行性能的重要参数.结合太阳能与直燃机联合采暖改造系统的运行模型与建筑物的逐时热负荷可以得到每天的f值,然后可累计得到每年采暖季的f值,可分别表示为:fday=1-(∑Qzh)day(∑Qτ)day(10)式中:fday为一天的太阳能保障率;(∑Qzh)day为一天中直燃机所满足的建筑热负荷(MJ);(∑Qτ)day为一天中的建筑热负荷(MJ).fyear=1-(∑Qzh)year(∑Qτ)year(11)式中:fyear为一年的太阳能保障率;(∑Qzh)year为一年中直燃机所满足的建筑热负荷(MJ);(∑Qτ)year为一年中的建筑热负荷(MJ).式(1)～(11)构成了集热器—直燃机供热系统联合运行的数学模型.可编写程序求解模型,得到集热器的出口温度和蓄热水箱内水温变化情况,据此可分析太阳能子系统和直燃机的运行情况及系统特性.2系统运行特性分析本文以东华大学3,4号学院楼燃气空调系统节能改造方案为例子,研究燃气-太阳能联合系统运行的数值模拟.该联合系统为3,4号学院楼供热以满足采暖期(12月2日至次年3月31日)中工作日8:00～16:00的热负荷.蓄热水箱和太阳能集热器都是改造系统的重要组成部分,是影响系统的运行和经济性能的主要因素.通过模拟,可以得到这些因素对系统性能的影响,为系统改造设计指出优化设计的方向,并在此基础上探讨系统的运行特性;这个数值模型也正是可行性研究经济分析所需要的主要工具之一.2.1ta的计算一些研究者曾利用某些气象参数的数学模型对太阳能供热水系统进行模拟.但现有的气象参数的确定性模型的精度都非常有限,考虑到本研究处于方案可行性研究阶段,以及模型的通用性,这里的逐时太阳辐射GT和环境温度ta均由CTYW(ChineseTypicalYearWeather)计算得到;3,4号学院楼采暖期的热负荷通过EnergyPlus软件在CTYW的基础上模拟得到.以3,4号学院楼1月13日的逐时热负荷模拟结果为例,如图2所示.由于建筑物每天长达16h不供暖,因此热负荷在一天中开始供暖时最大,然后成递减趋势.其他采暖日的逐时热负荷变化有类似规律.全玻璃真空管集热器的原始计算参数见表1.圆柱形蓄热水箱中初始水温取10℃,其热损失系数U为0.7×10-3kW/(m2·℃).在蓄热水箱体积一定时,取最小表面积A以使水箱热损失最小,则最小表面积A为:A=3V(V/2π)-1/3(11)2.2蓄热水泵参数x的影响蓄热水箱可以弥补太阳能不稳定的缺陷,其对太阳能系统来说是必不可少的.它的容量大小影响着改造系统的性能和初投资.数值模拟结果提供了蓄热水箱相对水容X与年太阳能保障率f的关系如图3所示.由图3可看出蓄热水箱参数X对年太阳能保障率的影响:对不同集热器采光面积的系统,在X≤2L/m2时,系统的年太阳能保障率随着蓄热水箱参数X的增大有很快的提高.但是,之后改造系统的年太阳能保障率随着X增大基本不变,且在X≥8L/m2后还略有下降.可见蓄热水箱的容积有最优值.除了对年太阳能保障率和投资的经济性的影响外,蓄热水箱作为蓄热器,对集热循环泵的稳定运行也产生重要影响.计算表明,在太阳辐射强度较弱时,若X较小,水箱的温度波动就很大,因而集热器进出口温差也产生频繁的波动,导致集热器循环泵频繁启停;X越大,这种情况就越得到缓解,当然水箱的投资也有所增加.因此,选择蓄热水箱的X=8L/m2是合适的.2.3集热器光照面积集热器采光面积的大小直接影响太阳能集热系统的性能和初投资.考虑到集热器循环泵的运行稳定性,选取较大的水箱容量,取定X=8L/m2,年太阳能保障率随集热器采光面积的变化情况如图4所示.由图4可看出系统的年太阳能保障率随着集热器采光面积的增加而增加,但是年太阳能保障率的增加速率却随着集热器采光面积的增加有所放缓,说明对于改造系统来说集热器采光面积对系统的性能提高是有限的,但是在设计时要兼顾改造系统的经济性和技术性,从此角度考虑,集热器采光面积同样存在一个最优值.2.4太阳能集热与直燃机联合采暖阶段运行状态在2.2和2.3节分析的基础上,按改造系统设计方案,集热器采光面积为2000m2,X=8L/m2,即蓄热水箱体积V=61.4m3,表面积A=86.15m2.对系统开始运行的12月2日～12月6日一星期的情况进行分析.图5为这一星期的气象参数.在以上参数的基础上,进行数值模拟,可得到系统运行初期集热器出口水温和蓄热水箱水温的变化情况,如图6所示.由图6可知:(1)由于12月2日的太阳辐射强度较弱,运行结束时蓄热水箱中的水温为20.77℃,未达到太阳能集热与直燃机联合采暖的条件.这一天太阳能子系统和直燃机系统分别单独运行实现集热和采暖的功能,直燃机的运行和原来系统一样.(2)太阳能集热系统在12月3日10:14时将蓄热水箱中的水加热到45.6℃,从此系统进入太阳能集热与直燃机联合采暖运行阶段.此后每天采暖终了,蓄热水箱中的水温始终维持在45℃左右,然后经过每天早上短暂的加热过程使其升高到45.6℃以达到联合采暖的要求,从此改造系统进入了稳定运行阶段,如图7所示为12月4日稳定运行时的集热器出口水温和蓄热水箱水温变化图.蓄热水箱中的水温在12月4日7:00有太阳辐射时为44.23℃,循环水泵从水箱中将水充入集热器进行加热.当在7:43时,集热器出口水温与蓄热水箱水温之差达到2℃,此时开始集热循环将太阳能输入水箱使水温升高.在8:03时,蓄热水箱水温达到45.6℃,改造系统开始进入联合运行状态,此时太阳能集热系统起着预热采暖系统回水的作用.直到10:06时,蓄热水箱水温超过50℃,直燃机关闭,改造系统进入太阳能单独采暖阶段,为维持水温卸荷管投入进行散热.在13:00以后,太阳辐射变弱,系统又