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太阳能空调在海南某大学图书馆的应用

  
  1、引言
  从2006年开始,建设部和财政部发起了“可再生能源建筑应用示范项目”,截止到2009年底,中央财政一共支持371个可再生能源建筑应用示范项目,其中太阳能光热建筑一体化应用示范面积达到了1529万平方米,光电建筑应用装机容量达100.5MW,地源热泵建筑应用示范面积3265万平方米;在中央创新管理模式后,从项目示范转向区域示范,先后启动了多个示范城市和示范县,有力地推动了我国可再生能源在建筑中的规模化应用。
  太阳能热利用技术在建筑中的主要应用方式有被动太阳能建筑、太阳能生活热水、太阳能采暖和太阳能空调等四种形式。通过多年的研究和推广,被动式太阳能建筑设计的理念已在许多绿色和生态建筑中得到了充分的体现;太阳能生活热水系统也已得到市场的广泛认可,在某些地区甚至政府还出台了强制安装政策;太阳能采暖和太阳能空调技术作为业内关注的重点,前者已拥有众多的示范工程,并在部分地区进行了规模化推广的尝试;后者是实现太阳能全年综合利用的有效手段,受到业界高度关注,目前安装在新加坡联合世界学院的世界最大的太阳能空调装机容量已高达1.575MW[1],但受成本过高所限,国内该技术通过市场实现商品化的能力仍不足,目前仅有一些国家资助的示范工程。
  笔者所在团队借可再生能源建筑应用示范项目的东风,作为技术支撑单位,在海南某高校图书馆推动建设了目前国内最大的太阳能空调项目,希望能为进一步推动太阳能空调在适用区域和适用建筑中的发展提供帮助。
  2、项目简介
  海南某高校图书馆位于海南海口市,为财政部、住房和城乡建设部第三批可再生能源应用示范项目。该图书馆总建筑面积为2.02万m2,每层层高3.9m,主体6层,最高8层。该项目太阳能空调系统为后增加工程,去除书库等非空调房间,空调面积约共1.15万m2,经计算空调负荷约为1350kW。
  根据项目申报示范工程时提供的可行性研究报告要求,太阳能空调系统所提供冷量应占到建筑耗冷量的25%以上。目前,项目已通过验收,并按照示范工程要求安装了远程监测系统,系统的实际运行能效将随着系统的运行在不久得到。
  3、方案选择及系统设计
  3.1空调方案选择
  太阳能主要的能量转换方式有光-电和光-热两种。就目前太阳能技术的发展现状来看,先将太阳能进行光电转换再利用得到的电力来驱动空调设备的技术尚不成熟,其成本之昂贵使其失去了实用性和推广价值。因此,目前常用的太阳能空调方式主要有太阳能去湿冷却、太阳能吸收式空调和太阳能吸附式空调三种形式。
  太阳能去湿冷却主要在低湿度地区使用,主要用于新风的处理,加之处理设备较大,在本项目中不适用;太阳能吸附式空调目前产业方面的支撑条件尚不完善,现有机组容量较小,在本项目中的应用条件不够成熟;太阳能吸收式空调具有较好的产业支撑,技术应用较成熟,前期已有部分类似示范工程可供参考借鉴,较适合本项目的实际情况。
  本项目最终采用太阳能吸收式空调作为实施方案。
  3.2辅助能源选择
  辅助热源的选择对太阳能系统的功能保障和最终的节能效果至关重要。一般说来,包括太阳能在内的可再生能源系统都具有初投资较高,技术较复杂,但运行费用较省,节能效益较好的特点,因此在项目规划时要尽可能多地利用可再生能源系统的能力,使其全年满负荷运行的时间最长,以达到最佳技术经济效益。对空调系统而言,太阳能空调系统应尽量覆盖其全年出现频率最大的基本负荷,而不应按高峰的设计负荷来选择容量,高峰负荷应由价格相对便宜的常规能源系统来承担。
  在以往的太阳能空调的示范工程中,为保证吸收式制冷机组的连续稳定运行,系统多在吸收式制冷机组的一次侧增设燃气锅炉或电锅炉作为辅助能源,以保证吸收式制冷机组的进口温度稳定。但这样做的缺点也非常明显,就是直接用高品位的电去加热热水到低品位的80-90度的热水来驱动COP值仅为0.8左右的单效热水吸收式制冷机组,与用电或燃气去驱动COP值在1.2以上的直燃吸收式制冷机组或COP值可高达6以上的电制冷机组相比,作为辅助热源的常规能源的应用效率非常低,明显的大材小用。
  因此,本项目最终采用了电制冷机组作为辅助能源的技术方案。为消除太阳能辐照变化给吸收式制冷机组一次侧带来的影响,本项目将太阳能热水箱适当放大,吸收式制冷机组的容量适当缩小,这样可以保证吸收式制冷机组一旦启动将会有足够的热水支持其运行较长时间,避免机组频繁启停;在其两次运行的间隔太阳能热水也有足够的空间来储存以避免浪费。
  3.3制冷机组与太阳能集热器选择
  太阳能集热器是太阳能热利用系统中的关键部件。对太阳能吸收式空调系统来说,太阳能集热系统所提供的热源温度越高,其制冷COP值会越高,一般100度以下的热水可驱动单效溴化锂吸收式机组,机组COP一般在0.9以下;100-150度的热水可驱动双效溴化锂吸收式机组,机组COP一般在1.2以下;更高品位的热源可以驱动三效或COP更高的热力制冷机组,但在常规的建筑空调系统中已不常见。目前,能高效生成100度以上热水的中高温集热器还没有形成产业,现有集热器一般仅能与单效吸收式机组配合使用。
  本项目选用的单效溴化锂热水吸收式制冷机组的热水设计进水温度为85度,海口地区空调季室外温度一般在30度左右,原则上真空管和平板集热器均可选用。考虑到目前大多数国产平板集热器在高温下工作涂层稳定性尚未得到验证,热损系数也较大,本项目选择了真空管集热器。承压能力较弱,水容量较大,可靠性较差的全玻璃真空管集热器显然不能满足本项目的要求;学校放假时系统可能停止使用,集热系统过热的可能性较大,考虑到部分不合格的热管真空管集热器在过热情况下有炸管的危险,且其真空度有衰减的潜在危险,本项目最终选用了安全性最高的U形管真空管太阳能集热器。
  3.4系统设计
  本项目采用了一个具有蓄冷蓄热功能的太阳能空调与电制冷空调结合的混合系统,系统原理图如图1所示。
  3.4.1 太阳能集热系统设计
  本项目采用U形管真空管集热器,集热器分散布置在4、5、6、7层屋面上,共选用集热器746组,折合采光面积1492m2。
  集热系统采用间接承压式系统,机房内设置1台45m3的开式贮热水箱贮存热水。集热器阵列内同程连接,不同集热器阵列之间的流量平衡通过与回水干管连接处设置手动平衡阀实现。
  考虑到海口位于北回归线附近,太阳高度角较高,集热器采用水平架空敷设,隐藏在女儿墙内,有效避免了台风对集热系统可能造成的破坏。
  3.4.2 蓄冷蓄热系统设计
  蓄冷蓄热系统作为不断变化的太阳辐照与需要稳定运行的溴化锂吸收式制冷机组之间的缓冲器,在系统中起到了很重要的作用。
  本项目在机房中设置了一个45m3的开式贮热水箱,通过板式换热器与闭式的太阳能集热系统相连。太阳得热先储存在该水箱内,水箱最低水温均高于吸收式制冷机组工作温度时才开启溴化锂制冷机制冷,即使遇到极端情况水箱中的热水至少可满足溴化锂机组20分钟的需求,这样可避免溴化锂机组短时间内重复启停,对机组造成损坏。另一方面,图书馆中午闭馆空调系统关闭时的热水也可有效储存在水箱内供下午使用,有效避免了太阳能的浪费。
  本项目还在机房中设置了两个各为10m3的承压蓄冷水箱。该水箱一方面可作为太阳能空调和电制冷空调系统的缓冲,方便太阳能空调和电制冷空调之间的协调控制;另一方面可以在图书馆中午闭馆时贮存太阳能空调系统生产的冷冻水。
  在方案阶段我们曾向业主提出利用峰谷电价在夜间蓄冷供建筑白天使用,受投资和场地限制,该方案未得到实施。
  3.4.3 空调系统设计
  本项目冷冻机房布置在图书馆一层,选用一台制冷量为316kW的溴化锂吸收式冷水机组和一台制冷量为1044kW的螺杆式冷水机组作为主要制冷设备。
  冷冻水系统采用二次泵系统。一级泵与冷水机组一一对应,负责将冷水机组产生的冷水输送到贮冷水罐内。二级泵变频调节,根据末端系统要求,将冷冻水从贮冷水罐中输送到末端设备。溴化锂吸收式机组和螺杆式冷水机组分别设置一台冷却塔。空调系统补水定压均由机房内的补水定压装置完成。
  末端空调系统采用两管制风机盘管,风机盘管为卧式或立式明装机组,控制均为三速开关+电动二通阀;根据系统负荷变化,空调水泵变流量运行。
  3.4.4 运行控制设计
  本项目运行控制的宗旨是最大限度地利用太阳能制冷,同时保证太阳能空调和电制冷空调系统的协调运行。系统优先利用太阳能空调系统提供冷量,太阳能集热系统产生的高温水驱动溴化锂吸收式冷水机组,当太阳辐照不足或者系统空调负荷较大时,螺杆式冷水机组才开始工作。
  系统主要运行控制策略如下:
  (1)太阳能集热系统采用温差循环,当屋面集热器出口温度与贮热水罐温度温差大于5°C时,对应的太阳能集热循环泵启动;当太阳能集热器出口温度与贮热水罐温度温差低于2°C时,对应的太阳能集热循环泵停止。
  (2)当太阳能贮热水罐水温高于80°C且贮冷水罐回水温度高于14°C且冷却塔回水温度大于19°C时,吸收式冷水机组运行,向贮冷水罐补充冷水。吸收式冷水机组与其对应的一次泵和冷却水泵、冷却塔连锁。按冷却塔-冷却泵-冷冻水一次泵-热水泵-吸收式冷水机组的次序开启,关闭顺序与此相反。
  (3)太阳能贮热水罐温度小于75°C或贮冷水罐回水温度小于10°C,吸收式制冷机组停机,停机顺序与开启顺序相反。
  (4)当贮冷水罐向末端系统设备供水温度高于12°C时,开启螺杆式冷水机组辅助供冷,螺杆式冷水机组与其对应的一次泵和冷却水泵、冷却塔连锁。按冷却塔-冷却泵-冷冻水一次泵-螺杆式冷水机组的次序开启,关闭顺序与此相反。
  海口地区全年温度高于零度,本项目不需考虑防冻措施。由于学校暑期系统可能关闭,太阳能集热系统存在过热可能。太阳能集热系统过热时,集热系统分水器的安全阀开启泄水,安全阀开启的工作压力为0.5MPa,对应的饱和水温度约为150℃。
  非空调季时,为防止能量浪费,系统拟向附近的学生和教师公寓提供生活热水。
  4、效益分析与运行效果
  本项目刚于2011年7月完成验收,虽已按示范项目要求安装了监测系统,但恰逢学校暑假,系统停止运行,项目的投资决算也正在进行,因此本文还不能依据实测数据对项目做出确切的技术经济和效益分析。
  初步计算表明,在海口这样的空调时间长,电价较高的区域实施太阳能空调项目投资静态回收期可控制在8-10年,已可在系统寿命期内回收。从项目的实际运行来看,溴化锂吸收式制冷机组每天能够稳定运行5小时左右,制冷效果也得到了业主和验收专家的认可。单天的部分测试数据表明,太阳能集热系统全天工作效率在40%左右,溴化锂吸收式制冷机组的COP值为0.7左右,略低于设计预期。
  5、结语与建议
  通过在海南某高校图书馆太阳能空调系统的有益尝试,得到以下结论和建议:
  (1)太阳能空调技术较成熟,在海南等空调时间较长,常规电价较高的区域已具备一定的技术经济性,具备了推广应用的价值。
  (2)现用集热器长期在高温工况下工作对集热器及其涂层性能的影响尚不确定,从现有市场状况看,尚缺乏专门为太阳能空调优化的效率更高的中高温集热器产品和制冷机组等产品,产业界还需做出更多努力,为进一步提高太阳能空调性能创造条件。
  (3)以电制冷机组作为太阳能空调系统的辅助能源与传统利用锅炉作为吸收式制冷机组辅助热源相比,可以有效提升整个系统的一次能源利用率,是太阳能空调发展方向之一。
  

作者:李忠;聂晶晶;张昕宇;李常玲;魏立峰;黄祝连;郑瑞澄;李国立 来源:建设科技 点击数: 发布时间:2013年08月26日
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