太阳能空调/热泵系统在太阳能建筑中的应用

  引言隨著(zhou)經濟發展和人民生活(huo)水平的提高，空調和采暖能耗在我國(guo)建築能耗中的比重大幅(fu)度地提高，逐步(bu)發展成為建築能耗中的一個主(zhu)要(yao)部分，給(gei)能源和環(huan)境(jing)帶(dai)來更大的壓力(li)。而太陽能是一種(zhong)取之不(bu)盡、用之不(bu)竭的潔淨能源，用太陽能補充常規能源驅動空調和采暖係統對於節能和環(huan)保都具有十分重要(yao)的意義。

  本文對太陽能空調／熱泵係統作詳細描(miao)述，並分析係統在運行中的部分數據，以便總結(jie)經驗，為推廣應用打下基礎。1太陽能空調／熱泵係統詳述1．1係統工作原理新能源示範(fan)大樓總建築麵積8000m2。該樓主(zhu)體建築於2002年8月基本建成，2003年底通過驗收，現(xian)已完(wan)成並投(tou)入運行。本係統的目標是為滿足(zu)天(tian)普新能源示範(fan)大樓夏季空調、冬季供暖的需(xu)求，係統主(zhu)要(yao)由太陽能集熱器陣列、溴化鋰製冷機、熱泵機組、蓄能水池和自動控製係統等幾大部分組成。係統工作原理如圖1所示。建築采暖、空調期間，均優先利用太陽能為儲能水池蓄能。冬季通過板式(shi)換熱器將(jiang)集熱係統收集的熱量交換給(gei)蓄能水池，達到蓄熱的目的；夏季吸收式(shi)製冷機以太陽能集熱係統收集的熱水為熱源，製造冷凍水，作為儲能水池的冷源。熱泵作為太陽能空調的輔(fu)助係統。冬季，當水池溫度低於33°C或者(zhe)處於用電低穀期（每晚22：00時－次日7：00時），熱泵啟動，向蓄能水池供熱；夏季，當太陽能製冷無法維持水池溫度18°C時，熱泵則(ze)向蓄能水池供冷，保持水池的溫度。過渡季節係統僅啟動太陽能部分製冷、製熱，並在不(bu)同(tong)的過渡季節選用不(bu)同(tong)的工作模式(shi)。春季，係統在蓄冷模式(shi)下工作，吸收式(shi)製冷機向蓄能水池提供冷凍水，降(jiang)低蓄能水池的溫度為夏季供冷做(zuo)準備；秋季，係統轉(zhuan)換成蓄熱模式(shi)，太陽能集熱係統向蓄能水池供熱，提高水池的溫度為冬季供暖做(zuo)準備。不(bu)論冬季還(huai)是夏季，空調水係統的熱水和冷凍水均由蓄能水池供給(gei)。冬季，室內溫度低於18°C時大樓供能泵開啟，水池向大樓供暖，當室內溫度高於20°C，供能泵關閉；夏季，室內溫度高於27°C時大樓供能泵開啟，水池向大樓供冷，當室內溫度低於23°C，供能泵關閉。建築全年采用自然(ran)通風。1．2係統詳述集熱係統總采光麵積812m2，集熱器由熱管(guan)式(shi)真空管(guan)和Ｕ型管(guan)式(shi)真空管(guan)組成。考慮(lv)到與建築一體化問題，集熱器在安裝前被預製成不(bu)同(tong)的模塊，Ｕ型管(guan)集熱器和熱管(guan)集熱器由φ58×1800的真空管(guan)分別(bie)預製成4000×1200mm2和2000×2400mm2的安裝模塊。經過建築部門(men)和設計人員的精心設計，熱管(guan)式(shi)集熱器布置在新能源示範(fan)大樓東樓的南向坡屋頂，型管(guan)集熱器安裝在新能源示範(fan)大樓西樓的南向坡屋頂Ｕ及機房的南坡屋頂（如圖2所示），各排集熱器並聯連接，安裝傾(qing)角同(tong)北京的緯度相近，38度左右。這(zhe)樣(yang)布置集熱器不(bu)僅可以滿足(zu)集熱器的安裝要(yao)求，又(you)能夠保證建築物造型美觀(guan)，充分體現(xian)出太陽能與建築一體化的特色(se)。在夏季，與建築結(jie)合為一體的集熱器還(huai)有隔(ge)熱效(xiao)果，同(tong)時達到節能目的。由於太陽能本身能量密度低，受時間、天(tian)氣等條件限製，要(yao)使空調係統能夠全天(tian)候的工作，輔(fu)助係統是必不(bu)可少的。本係統采用了一台(tai)地源熱泵機組作為輔(fu)助係統。冷卻水係統摒棄了常規使用的冷卻塔，利用距(ju)離(li)機房不(bu)遠(yuan)處一水景水池作為冷卻水的來源，冷卻水在水池和機組之間循環(huan)。這(zhe)樣(yang)不(bu)僅節省了冷卻塔的費用，而且與建築和環(huan)境(jing)協調。自動控製係統主(zhu)要(yao)由傳感器，可編程控製器（PLC）及工業控製微機3部分組成，分為自動和手動兩個控製模式(shi)。為了符合各個季節係統運行的特點，自動控製模式(shi)又(you)分為供冷、蓄冷、供熱、蓄熱、空擋五(wu)個運行工況(kuang)。並且控製係統支持遠(yuan)程監控，可以通過網絡從異(yi)地監視係統運行和改(gai)變操作指令，將(jiang)網絡等高科技(ji)引入了控製係統之中。為了最大限度地利用太陽能，同(tong)時根據建築空調的特點，係統設置了儲能水池。本係統配置的儲能水池比通常太陽能係統的儲水箱容積要(yao)大得多，有1200m3，這(zhe)是本係統設計的一大特點。蓄能水池的大容積，保證水池所蓄能量可完(wan)全滿足(zu)建築的需(xu)要(yao)；同(tong)時在建築不(bu)需(xu)要(yao)空調的過渡季節，水池可提前蓄冷、蓄熱為空調季節做(zuo)準備。由於蓄能水池對太陽能的儲蓄中轉(zhuan)，集熱器全年工作，利用率大大提高。蓄能水池設置在地下，傳熱溫差(cha)遠(yuan)遠(yuan)小於與環(huan)境(jing)的溫差(cha)，有利於減(jian)少儲能的損失。2太陽能生活(huo)熱水係統大樓生活(huo)熱水係統采用獨立的太陽能熱水係統，這(zhe)樣(yang)可以避免生活(huo)熱水係統與空調水係統之間的切換，降(jiang)低係統複(fu)雜(za)程度。太陽能生活(huo)熱水係統的儲熱式(shi)全玻璃(li)真空管(guan)集熱模塊安裝在建築物南立麵，模塊在安裝過程中取消常規的框架，水箱，與建築融(rong)為一體，同(tong)時起到建築物南立麵隔(ge)熱保溫效(xiao)果。建築南立麵共安裝48個集熱模塊，總采光麵積206m2。3冬季供暖係統分析3．1冬季供暖測試數據及分析采集了2004.1.1～2004.3.15的運行數據，以下列舉部分數據進行分析。2004.1.1～2004.3.15太陽能集熱係統工作443.5小時，向地下蓄能水池儲蓄能量32761.9kWh，熱泵工作675h，蓄熱299025kWh。根據熱泵的工作原理，可以計算得到，熱泵從廢熱（車間冷卻水）中提取能量227475kWh，則(ze)係統利用太陽能和廢熱共蓄熱260237.9，新能源在供暖中的比例為0.784。通過表1計算得到，2004.1.1～2004.3.15係統共蓄熱331787.9kWh，消耗電能93644.5kWh，熱泵的輸(shu)出對象(xiang)是地下蓄能水池，所以熱泵不(bu)用考慮(lv)變工況(kuang)，熱泵幾乎都是在滿負荷的條件下運行，發揮了熱泵的最大效(xiao)能，這(zhe)和當今大多數空調機組以較低的負荷率運轉(zhuan)相比，本身就是一種(zhong)節能。雖(sui)然(ran)進入熱泵冷凝(ning)器的水溫有所變化，但是這(zhe)對熱泵的能效(xiao)比並沒(mei)有太大的影(ying)響，熱泵的ＥＥＲ都可以保持在一個較高的水平。圖3顯示了2004.1.1～2004.3.15連續最冷7天(tian)的室內外溫度對比，從圖中我們可以看到，當環(huan)境(jing)溫度低且有波動時，室內溫度在20°C～22°C之間變化，室內溫度和溫度變化幅(fu)度符合設計標準，表明本係統完(wan)全可以滿足(zu)建築采暖的溫度和舒(shu)適(shi)度要(yao)求。