太陽能聯(lián)合冷溫水機(jī)在學(xué)院樓空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能聯(lián)合冷溫水機(jī)在學(xué)院樓空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國建筑能耗的絕對數(shù)量和總能耗的比例顯著增加。中國供暖空調(diào)的能耗占建筑能耗的65%，而北方供暖能力占當(dāng)?shù)厣鐣偰芎牡?0%。隨著冬季室內(nèi)舒適環(huán)境的提高，采暖期持續(xù)擴(kuò)大，采暖區(qū)從黃河以北延伸到長江流域，進(jìn)一步加劇了能源和環(huán)境的壓力。建筑節(jié)能對緩解壓力起到了重要作用。隨著城市天然氣的發(fā)展和應(yīng)用，為了平衡天然氣和能源的需求，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，上海提出了政策來發(fā)展天然氣空調(diào)。然而，中國相對較高且持續(xù)上漲的天然氣價格導(dǎo)致大多數(shù)國內(nèi)天然氣用戶無法承受的過度運(yùn)營成本。這些例子是中國東部3號樓的傳統(tǒng)儲水式空調(diào)系統(tǒng)和高能耗、低污染氣候的推廣和發(fā)展。目前的太陽能技術(shù)還不能完全取代暖通空調(diào)系統(tǒng)的常規(guī)能源,但太陽能作為輔助能源,與天然氣構(gòu)成聯(lián)合的暖通空調(diào)系統(tǒng),應(yīng)該是一種既節(jié)能又環(huán)保的系統(tǒng)方案.本課題組對東華大學(xué)3,4號學(xué)院樓原有的燃?xì)饪照{(diào)系統(tǒng)提出采用太陽能作為輔助能源的節(jié)能改造方案.該方案采用主動式太陽能集熱與直燃機(jī)聯(lián)合采暖的系統(tǒng)形式.作為該方案可行性研究的一部分,本課題組已對方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究.本文將介紹此可行性研究的另一部分,即經(jīng)筆者改進(jìn)后的新系統(tǒng)方案的運(yùn)行控制模式以及運(yùn)行的數(shù)值模擬研究和分析,為改造方案可行性研究的經(jīng)濟(jì)分析提供必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).1系統(tǒng)運(yùn)營的建模1.1行控制原則改進(jìn)后的主動式太陽能與直燃式吸收式冷溫水機(jī)聯(lián)合采暖系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)主要由并聯(lián)全玻璃真空管集熱器陣列、蓄熱水箱、燃?xì)庵比际轿帐嚼錅厮畽C(jī)(以下簡稱直燃機(jī))、變頻水泵、管網(wǎng)以及控制系統(tǒng)組成.蓄熱水箱和直燃機(jī)串聯(lián)連接組成熱源系統(tǒng),向空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)供熱以滿足建筑供暖熱負(fù)荷,供回水溫度50℃/45.6℃.該系統(tǒng)運(yùn)行控制原則如下:(1)有太陽輻射時,集熱器循環(huán)泵P1從水箱抽水充滿集熱器.當(dāng)太陽輻射足夠,集熱器出口水溫與蓄熱水箱內(nèi)水溫之差達(dá)到設(shè)定值時,循環(huán)泵P1運(yùn)行,向蓄熱水箱輸入太陽能使其升溫.考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)定集熱器出口水溫與蓄熱水箱內(nèi)水溫之差≥2℃;否則,P1停止運(yùn)行,待集熱器中水被太陽能加熱并達(dá)到設(shè)定溫差時再運(yùn)行;(2)當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)水溫低于45.6℃時,閥6,8,10關(guān)閉,閥7和9打開,太陽能子系統(tǒng)和直燃機(jī)系統(tǒng)互相獨(dú)立,單獨(dú)由直燃機(jī)來滿足熱負(fù)荷;當(dāng)水箱內(nèi)水溫≥45.6℃時,閥6,8,10打開,閥7和9關(guān)閉,循環(huán)泵P1和P2運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)主動式太陽能與直燃機(jī)聯(lián)合采暖運(yùn)行,太陽能集熱系統(tǒng)起到預(yù)熱直燃機(jī)進(jìn)口水溫的作用;(3)當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)水溫達(dá)到50℃時,關(guān)閉直燃機(jī)燃燒器,單獨(dú)由太陽能子系統(tǒng)來滿足熱負(fù)荷.此時若太陽能子系統(tǒng)提供的熱量大于熱負(fù)荷時,閥5打開,投入卸荷管16,以保證蓄熱水箱水溫在50℃.(4)當(dāng)集熱器入口水溫小于5℃、太陽輻射不足或采暖結(jié)束時,集熱器中的水倒流回蓄熱水箱以防止集熱器凍裂和減少熱損失.1.2集熱器等效熱損失系數(shù)dtmd集熱器的熱容量使集熱器得到的有效利用能有所減少,一般集熱器熱容量由集熱器的玻璃和集熱管內(nèi)的工質(zhì)水形成,且吸熱管內(nèi)壁與水之間的對流換熱系數(shù)很大,吸熱管的溫度和流體的平均溫度可認(rèn)為相等.這時,集熱器在輸出有用收益的情況下,其能量平衡微分方程為:[(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為集熱器單位有效采光面積的有效工質(zhì)水的熱容量(kJ/(m2·℃));(mc)m為集熱器單位有效采光面積玻璃的等效熱容量(kJ/(m2·℃));τ為時間(s);F′為真空管集熱器的效率因子,無因次;FR為真空管集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子,無因次;GT為某時刻集熱器傾斜面上單位有效采光面積的太陽輻射強(qiáng)度(kW/m2);(τα)e為集熱器的有效透過吸收積,無因次;UL為集熱器以有效采光面積為基準(zhǔn)總的等效熱損失系數(shù)(kW/(m2·℃));tm為集熱器中流體的平均溫度(℃);ta為τ時刻的環(huán)境溫度(℃);ti為τ時刻集熱器進(jìn)口流體溫度(℃);to為τ時刻集熱器出口流體溫度(℃);˙m為集熱器內(nèi)單位有效采光面積工質(zhì)流量(kg/(m2·s));F為控制集熱器有用能量輸出的函數(shù),當(dāng)集熱器出口溫度與蓄熱水箱內(nèi)水溫之差≥2℃時,F=1,否則F=0.由于集熱器為一階線性系統(tǒng),有dtmdτ=Κdtodτ(2)其中,K為比例系數(shù),集熱器內(nèi)流體沿流動方向溫度呈線性分布,所以取K=0.5.將式(2)代入式(1)有[(mc)w+(mc)m]Κdtodτ=FR[GΤ(τα)e-UL(ti-ta)]+F˙mcp(ti-to)(3)集熱器的進(jìn)口溫度ti根據(jù)運(yùn)行原則不同而變化:(1)當(dāng)F=0時,集熱循環(huán)停止,集熱器吸收太陽能使to升高直到F=1,此過程中認(rèn)為ti=to;(2)蓄熱水箱內(nèi)水溫低于45.6℃,且F=1時,集熱器只與蓄熱水箱進(jìn)行循環(huán),所以ti也就是水箱內(nèi)的水溫;(3)蓄熱水箱內(nèi)水溫達(dá)到45.6℃,太陽能子系統(tǒng)參與采暖運(yùn)行,此時ti為從分流水箱流出的系統(tǒng)回水溫度45.6℃.1.3dtsd的s計(jì)算蓄熱水箱的設(shè)計(jì)將采取措施保證水箱內(nèi)水的良好混合,故水箱內(nèi)水溫可視為均勻的ts.蓄熱水箱采用圓柱形,其體積為V=Ac(X+R)/1000(4)式中:V為蓄熱水箱體積(m3);Ac為集熱器總有效采光面積(m2);X為單位集熱器采光面積所對應(yīng)的水箱的水量(L/m2);R為單位采光面積集熱器的水容量(L/m2).集熱器入口水溫ts<5℃、太陽輻射不足或不采暖時,集熱器中的水倒流入蓄熱水箱以防止集熱器凍裂和減少熱損失,假設(shè)流入水箱中的水與水箱中的水處于同一溫度,則此時水箱的非穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為:[(mcp)s+ρRAccp/1000]dtsdτ=-(UA)s(ts-ta)(5)式中:ρ為水的比熱容(kJ/(kg·℃));(mcp)s為蓄熱水箱的熱容量(kJ/(m2?℃))?(mcp)s=ρcpAcX/1000;U為水箱的熱損失系數(shù)(kW/(m2·℃));A為水箱的表面積(m2).當(dāng)有太陽輻射且ts<45.6℃時,水箱的能量平衡方程為:(mcp)sdtsdτ=F˙mcpAc(to-ts)-(UA)s(ts-ta)(6)此時,直燃機(jī)為滿足熱負(fù)荷提供的熱量為Qzh=Qτ,Qτ為τ時刻的熱負(fù)荷(kW).當(dāng)有太陽輻射且45.6℃≤ts<50℃時,水箱的非穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為:(mcp)sdtsdτ=F˙mcpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)-13.6Μcp(ts-45.6)(7)式中:M為τ時刻空調(diào)系統(tǒng)總循環(huán)流量(m3/h)?Μ=QτcpΔt×3.6.此時,直燃機(jī)為滿足熱負(fù)荷提供的熱量為:Qzh=Μcp(50-ts)/3.6.當(dāng)有太陽輻射且水箱內(nèi)水溫ts≥50℃時,水箱水溫已達(dá)到供暖溫度,可停止直燃機(jī),單獨(dú)由太陽能來供暖,若有多余熱量則通過卸荷管散掉熱量,水箱的能量平衡方程為:(mcp)sdtsdτ=Fm˙cpAc(to-45.6)-(UA)s(ts-ta)-Qτ-Qunload(8)其中,Qunload是為維持水箱水溫為50℃通過卸荷管散掉的熱量,其值為: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)這時直燃機(jī)為滿足熱負(fù)荷所提供的熱量Qzh=0,隨著采暖的進(jìn)行,蓄熱水箱溫度下降,最終ts<50℃時,直燃機(jī)開始運(yùn)行.1.4采暖季f值的確定所利用的太陽能與采暖熱負(fù)荷的比率稱為太陽能保障率,用f表示.f是反映和評價太陽能系統(tǒng)運(yùn)行性能的重要參數(shù).結(jié)合太陽能與直燃機(jī)聯(lián)合采暖改造系統(tǒng)的運(yùn)行模型與建筑物的逐時熱負(fù)荷可以得到每天的f值,然后可累計(jì)得到每年采暖季的f值,可分別表示為:fday=1-(∑Qzh)day(∑Qτ)day(10)式中:fday為一天的太陽能保障率;(∑Qzh)day為一天中直燃機(jī)所滿足的建筑熱負(fù)荷(MJ);(∑Qτ)day為一天中的建筑熱負(fù)荷(MJ).fyear=1-(∑Qzh)year(∑Qτ)year(11)式中:fyear為一年的太陽能保障率;(∑Qzh)year為一年中直燃機(jī)所滿足的建筑熱負(fù)荷(MJ);(∑Qτ)year為一年中的建筑熱負(fù)荷(MJ).式(1)～(11)構(gòu)成了集熱器—直燃機(jī)供熱系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型.可編寫程序求解模型,得到集熱器的出口溫度和蓄熱水箱內(nèi)水溫變化情況,據(jù)此可分析太陽能子系統(tǒng)和直燃機(jī)的運(yùn)行情況及系統(tǒng)特性.2系統(tǒng)運(yùn)行特性分析本文以東華大學(xué)3,4號學(xué)院樓燃?xì)饪照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案為例子,研究燃?xì)?太陽能聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值模擬.該聯(lián)合系統(tǒng)為3,4號學(xué)院樓供熱以滿足采暖期(12月2日至次年3月31日)中工作日8:00～16:00的熱負(fù)荷.蓄熱水箱和太陽能集熱器都是改造系統(tǒng)的重要組成部分,是影響系統(tǒng)的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性能的主要因素.通過模擬,可以得到這些因素對系統(tǒng)性能的影響,為系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)指出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向,并在此基礎(chǔ)上探討系統(tǒng)的運(yùn)行特性;這個數(shù)值模型也正是可行性研究經(jīng)濟(jì)分析所需要的主要工具之一.2.1ta的計(jì)算一些研究者曾利用某些氣象參數(shù)的數(shù)學(xué)模型對太陽能供熱水系統(tǒng)進(jìn)行模擬.但現(xiàn)有的氣象參數(shù)的確定性模型的精度都非常有限,考慮到本研究處于方案可行性研究階段,以及模型的通用性,這里的逐時太陽輻射GT和環(huán)境溫度ta均由CTYW(ChineseTypicalYearWeather)計(jì)算得到;3,4號學(xué)院樓采暖期的熱負(fù)荷通過EnergyPlus軟件在CTYW的基礎(chǔ)上模擬得到.以3,4號學(xué)院樓1月13日的逐時熱負(fù)荷模擬結(jié)果為例,如圖2所示.由于建筑物每天長達(dá)16h不供暖,因此熱負(fù)荷在一天中開始供暖時最大,然后成遞減趨勢.其他采暖日的逐時熱負(fù)荷變化有類似規(guī)律.全玻璃真空管集熱器的原始計(jì)算參數(shù)見表1.圓柱形蓄熱水箱中初始水溫取10℃,其熱損失系數(shù)U為0.7×10-3kW/(m2·℃).在蓄熱水箱體積一定時,取最小表面積A以使水箱熱損失最小,則最小表面積A為:A=3V(V/2π)-1/3(11)2.2蓄熱水泵參數(shù)x的影響蓄熱水箱可以彌補(bǔ)太陽能不穩(wěn)定的缺陷,其對太陽能系統(tǒng)來說是必不可少的.它的容量大小影響著改造系統(tǒng)的性能和初投資.數(shù)值模擬結(jié)果提供了蓄熱水箱相對水容X與年太陽能保障率f的關(guān)系如圖3所示.由圖3可看出蓄熱水箱參數(shù)X對年太陽能保障率的影響:對不同集熱器采光面積的系統(tǒng),在X≤2L/m2時,系統(tǒng)的年太陽能保障率隨著蓄熱水箱參數(shù)X的增大有很快的提高.但是,之后改造系統(tǒng)的年太陽能保障率隨著X增大基本不變,且在X≥8L/m2后還略有下降.可見蓄熱水箱的容積有最優(yōu)值.除了對年太陽能保障率和投資的經(jīng)濟(jì)性的影響外,蓄熱水箱作為蓄熱器,對集熱循環(huán)泵的穩(wěn)定運(yùn)行也產(chǎn)生重要影響.計(jì)算表明,在太陽輻射強(qiáng)度較弱時,若X較小,水箱的溫度波動就很大,因而集熱器進(jìn)出口溫差也產(chǎn)生頻繁的波動,導(dǎo)致集熱器循環(huán)泵頻繁啟停;X越大,這種情況就越得到緩解,當(dāng)然水箱的投資也有所增加.因此,選擇蓄熱水箱的X=8L/m2是合適的.2.3集熱器光照面積集熱器采光面積的大小直接影響太陽能集熱系統(tǒng)的性能和初投資.考慮到集熱器循環(huán)泵的運(yùn)行穩(wěn)定性,選取較大的水箱容量,取定X=8L/m2,年太陽能保障率隨集熱器采光面積的變化情況如圖4所示.由圖4可看出系統(tǒng)的年太陽能保障率隨著集熱器采光面積的增加而增加,但是年太陽能保障率的增加速率卻隨著集熱器采光面積的增加有所放緩,說明對于改造系統(tǒng)來說集熱器采光面積對系統(tǒng)的性能提高是有限的,但是在設(shè)計(jì)時要兼顧改造系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性,從此角度考慮,集熱器采光面積同樣存在一個最優(yōu)值.2.4太陽能集熱與直燃機(jī)聯(lián)合采暖階段運(yùn)行狀態(tài)在2.2和2.3節(jié)分析的基礎(chǔ)上,按改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,集熱器采光面積為2000m2,X=8L/m2,即蓄熱水箱體積V=61.4m3,表面積A=86.15m2.對系統(tǒng)開始運(yùn)行的12月2日～12月6日一星期的情況進(jìn)行分析.圖5為這一星期的氣象參數(shù).在以上參數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)值模擬,可得到系統(tǒng)運(yùn)行初期集熱器出口水溫和蓄熱水箱水溫的變化情況,如圖6所示.由圖6可知:(1)由于12月2日的太陽輻射強(qiáng)度較弱,運(yùn)行結(jié)束時蓄熱水箱中的水溫為20.77℃,未達(dá)到太陽能集熱與直燃機(jī)聯(lián)合采暖的條件.這一天太陽能子系統(tǒng)和直燃機(jī)系統(tǒng)分別單獨(dú)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)集熱和采暖的功能,直燃機(jī)的運(yùn)行和原來系統(tǒng)一樣.(2)太陽能集熱系統(tǒng)在12月3日10:14時將蓄熱水箱中的水加熱到45.6℃,從此系統(tǒng)進(jìn)入太陽能集熱與直燃機(jī)聯(lián)合采暖運(yùn)行階段.此后每天采暖終了,蓄熱水箱中的水溫始終維持在45℃左右,然后經(jīng)過每天早上短暫的加熱過程使其升高到45.6℃以達(dá)到聯(lián)合采暖的要求,從此改造系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定運(yùn)行階段,如圖7所示為12月4日穩(wěn)定運(yùn)行時的集熱器出口水溫和蓄熱水箱水溫變化圖.蓄熱水箱中的水溫在12月4日7:00有太陽輻射時為44.23℃,循環(huán)水泵從水箱中將水充入集熱器進(jìn)行加熱.當(dāng)在7:43時,集熱器出口水溫與蓄熱水箱水溫之差達(dá)到2℃,此時開始集熱循環(huán)將太陽能輸入水箱使水溫升高.在8:03時,蓄熱水箱水溫達(dá)到45.6℃,改造系統(tǒng)開始進(jìn)入聯(lián)合運(yùn)行狀態(tài),此時太陽能集熱系統(tǒng)起著預(yù)熱采暖系統(tǒng)回水的作用.直到10:06時,蓄熱水箱水溫超過50℃,直燃機(jī)關(guān)閉,改造系統(tǒng)進(jìn)入太陽能單獨(dú)采暖階段,為維持水溫卸荷管投入進(jìn)行散熱.在13:00以后,太陽輻射變?nèi)?系統(tǒng)又