高校圖書館太陽能空調(diào)設(shè)計(jì)

高校圖書館太陽能空調(diào)設(shè)計(jì)

1空調(diào)冷水機(jī)組該項(xiàng)目是一所大學(xué)圖書館的太陽能空調(diào)項(xiàng)目。夏季采用溴化鈦吸收冷水機(jī)為主，螺桿冷水機(jī)組用于輔助冷源向空調(diào)區(qū)域供應(yīng)冷水，太陽能熱熱系統(tǒng)為溴化鈦吸收冷水機(jī)組提供高溫?zé)崦羲?。冬季，可根?jù)需要在室內(nèi)溫度室中加熱。系統(tǒng)原理如圖1。2太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1吸熱器和集熱罐集熱器系統(tǒng)選用全玻璃U型真空管太陽能集熱器(結(jié)構(gòu)示意圖見圖2),U形真空集熱管采用平板翼片吸熱板,金屬翼片與U形管焊接在一起,吸熱的翼片表面沉積選擇性涂料,管內(nèi)抽真空。銅管管子與玻璃熔封作為傳熱工質(zhì)水的出入口端。集熱系統(tǒng)采用直接承壓式系統(tǒng)。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置兩臺(tái)30m3的貯熱水罐貯存熱水,為避免冷熱水混合損失,貯熱水罐串聯(lián)使用。為保證不同集熱器陣列之間的流量平衡,各集熱器組之間采用同程連接(圖3),同時(shí)集熱器陣列與回水干管連接處均設(shè)置手動(dòng)平衡閥。2.2全玻璃真空u型管太陽能集熱器在布置集熱器時(shí),根據(jù)圖書館的屋面情況,以4組集熱器串聯(lián)成集熱器組后再并聯(lián)為主,局部以3組或5組集熱器串聯(lián)成集熱器組再并聯(lián)為輔,在四至七層的屋面一共放置749組全玻璃真空U型管太陽能集熱器,具體為四層放置76組、五層放置225組、六層放置308組、七層放置140組。集熱器采用串并聯(lián)橫排聯(lián)接方式,聯(lián)箱兩端焊有工質(zhì)進(jìn)出的集管,周圍有保溫層和外殼,真空管開口端通過硅橡膠密封圈直接插入聯(lián)箱,集熱器水平放置,架空敷設(shè),集熱器定位和基礎(chǔ)與設(shè)備廠家確定后將做進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)。太陽能集熱系統(tǒng)每?jī)山M集熱器之間采用螺紋連接并增加膨脹節(jié),各組集熱器的最高點(diǎn)均設(shè)置安全閥和自動(dòng)放氣閥。2.3循環(huán)泵停止本工程太陽能集熱系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng),控制方式為溫差循環(huán)控制方法。具體如下:當(dāng)集熱器的出口溫度T2與貯熱水罐底部溫度T1之差大于5℃時(shí),對(duì)應(yīng)的集熱系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng),當(dāng)集熱器的出口溫度與貯熱水罐底部溫度之差小于2℃時(shí),對(duì)應(yīng)的集熱系統(tǒng)循環(huán)泵停止。(溫度T1和T2見圖1)。集熱系統(tǒng)補(bǔ)水定壓均由機(jī)房?jī)?nèi)的補(bǔ)水定壓裝置完成,集熱系統(tǒng)過熱膨脹時(shí),當(dāng)超出膨脹罐調(diào)節(jié)容量時(shí),貯熱水罐安全閥開啟泄壓,安全閥開啟壓力為0.5MPa,水壓回落到0.4MPa時(shí)安全閥關(guān)閉,集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)崦剿鳛殇寤囄帐嚼渌畽C(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源。2.4太陽能集熱器掃描集熱器效率是指在穩(wěn)態(tài)條件下,特定時(shí)間間隔內(nèi)由傳熱工質(zhì)從一特定的集熱器面積上帶走的能量與同一時(shí)間間隔內(nèi)入射在該集熱器面積上的太陽能量之比,亦即集熱器實(shí)際獲得的有用功率與集熱器接收的太陽輻射功率之比,其表達(dá)式如下:式中:ηG為單片集熱器的效率,%;Q為實(shí)際獲得的有用功率,W;A為集熱器面積,m2;G為集熱器采光面上總?cè)丈漭椪斩?W/m2。本工程選用了全玻璃U型真空管集熱器,每一組太陽能集熱器的集熱面積為2.0m2,總集熱面積為1498m2,規(guī)格Z-BJ/0.8-WF-2.0/21-47/1500/1,集熱器與建筑結(jié)合的方式為平屋頂結(jié)合。經(jīng)國(guó)家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè),在穩(wěn)態(tài)條件下,本工程所采用的集熱器瞬時(shí)效率方程為:式中:ti為工質(zhì)進(jìn)口溫度,25~95℃;ta為環(huán)境溫度,5~35℃;G為集熱器采光面上總?cè)丈漭椪斩?W/m2。集熱器的效率曲線如圖4所示,集熱器在歸一化溫差為0.08m2·℃/W(工質(zhì)進(jìn)口水溫取80℃,環(huán)境溫度取16℃,輻照度取800W/m2),基于每組集熱器的集熱總面積為2.0m2,集熱器的效率為50.9%;當(dāng)采用集熱器在歸一化溫差為0.06m2·℃/W(工質(zhì)進(jìn)口水溫取80℃,環(huán)境溫度取32℃,輻照度取800W/m2),基于每組集熱器的集熱總面積為2.0m2,進(jìn)口水溫為80℃時(shí),集熱器的效率為55.9%。圖4中的曲線所代表的僅是單片集熱器的瞬時(shí)集熱效率,曲線的截距所對(duì)應(yīng)的面積反映了太陽能集熱器的熱性能-太陽能制熱量。2.5測(cè)試系統(tǒng)集熱穩(wěn)定性從廣義上來看,集熱系統(tǒng)的效率是集熱系統(tǒng)的總得熱量與集熱系統(tǒng)吸收的太陽總輻照量之比,太陽能集熱系統(tǒng)的得熱量計(jì)算公式為:式中:Qs為太陽能集熱系統(tǒng)的得熱量,MJ;m為工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;cf為對(duì)應(yīng)于平均工質(zhì)溫度的傳熱工質(zhì)比熱容,kJ/(kg℃);ΔT為工質(zhì)進(jìn)出口溫度差,℃。太陽能空調(diào)系統(tǒng)的集熱效率計(jì)算公式:式中:ηS為集熱系統(tǒng)的效率,%;Hs為投射到集熱器表面上的總太陽輻射能量,MJ。因此由4組或3組或5組集熱器串聯(lián)后的集熱器組再并聯(lián)成集熱器組,其集熱效率是有變化的。經(jīng)過測(cè)試,由4組集熱器串聯(lián)后的集熱器組的平均集熱效率為50%(測(cè)試數(shù)據(jù)見表1)。借鑒以往某太陽能供熱空調(diào)工程設(shè)計(jì)案例為例,其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法為:采用FCF50型熱量表測(cè)出當(dāng)天的累計(jì)太陽能得熱量,由CM6B型輻射表累計(jì)當(dāng)天的太陽日輻照量然后求出平均值,由FLB20002型超聲波流量計(jì)測(cè)出系統(tǒng)回水總管上的實(shí)際水流量,以及由玻璃溫度計(jì)測(cè)出系統(tǒng)進(jìn)、出水的溫度,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。由表可以看出制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)的集熱效率為46%,制冷機(jī)未運(yùn)行時(shí)的集熱效率為51%。經(jīng)過以上分析,在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取最低能保證的太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效率,現(xiàn)取40%(太陽能供熱空調(diào)設(shè)計(jì)的參考效率)。3空調(diào)系統(tǒng)操作特點(diǎn)圖書館空調(diào)總面積為14151m2,根據(jù)天正暖通負(fù)荷計(jì)算軟件CLCAL7.5計(jì)算得出空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷為1556kW。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用兩管制風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng),末端風(fēng)機(jī)盤管安裝形式采用臥式明裝,風(fēng)機(jī)盤管控制均為三速開關(guān)+電動(dòng)二通閥,根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化情況,空調(diào)水泵變流量運(yùn)行。新風(fēng)經(jīng)全熱交換機(jī)組做排風(fēng)熱回收后再進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組,由新風(fēng)機(jī)組處理到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)再進(jìn)入室內(nèi)。因此,空調(diào)末端形式為風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組+全熱交換機(jī)組,如圖5所示。4空調(diào)房的設(shè)計(jì)4.1螺桿式冷水機(jī)組空調(diào)機(jī)房位于圖書館首層。選用一臺(tái)LCC-13型制冷量為387kW的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組,二臺(tái)30HXC-250型單臺(tái)制冷量為696kW的螺桿式冷水機(jī)組,冷機(jī)、冷塔設(shè)備表見表3。太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)崦剿?qū)動(dòng)溴化鋰吸收式冷水機(jī)組,當(dāng)太陽輻照不足或者系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷較大時(shí),螺桿式冷水機(jī)組工作。吸收式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組之間的冷量平衡由設(shè)置在機(jī)房?jī)?nèi)的兩個(gè)10m3的貯冷水罐實(shí)現(xiàn),貯冷水罐串聯(lián)使用。4.2冷水將冷水傳統(tǒng)從貯冷罐中滲透冷凍水系統(tǒng)采用二次泵系統(tǒng)。一次泵與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng),負(fù)責(zé)將冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷水輸送到貯冷水罐內(nèi)。二次泵根據(jù)末端系統(tǒng)要求變頻調(diào)節(jié),將冷凍水從貯冷水罐中輸送到末端設(shè)備?？照{(diào)系統(tǒng)補(bǔ)水定壓均由機(jī)房?jī)?nèi)的補(bǔ)水定壓裝置完成,水泵設(shè)備表見表4。4.3臺(tái)冷卻和溴化鋰吸收式冷水機(jī)組圖2一臺(tái)溴化鋰吸收式機(jī)組和兩臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組共用兩臺(tái)冷卻塔,溴化鋰吸收式冷水機(jī)組工作時(shí),一臺(tái)冷卻塔工作;螺桿式冷水機(jī)組工作時(shí),每臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)一臺(tái)冷卻塔。冷卻塔置于一層機(jī)房附近室外地面。4.4電磁閥聯(lián)鎖電磁閥1)采用太陽能優(yōu)先控制策略,溴化鋰吸收式冷水機(jī)組與其對(duì)應(yīng)的一次泵和任一冷卻水泵、任一冷卻塔及冷卻塔出水管上的電磁閥聯(lián)鎖。2)當(dāng)太陽能不能滿足供冷需求時(shí),兩臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組輔助供冷,此外,三臺(tái)制冷機(jī)組中運(yùn)行最高點(diǎn)只能有兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。5關(guān)鍵技術(shù)5.1太陽能貯熱水罐關(guān)閉系統(tǒng)自動(dòng)控制采用太陽能優(yōu)先控制策略,具體控制技術(shù)如下:(1)太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán),當(dāng)任意一層屋面集熱器出口溫度與貯熱水罐溫度T1溫差大于5℃時(shí),對(duì)應(yīng)的太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng);當(dāng)太陽能集熱器出口溫度與貯熱水罐溫度T1溫差低于2℃時(shí),對(duì)應(yīng)的太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵停止。(2)太陽能貯熱水罐溫度T2大于78℃,且貯冷水罐溫度T4大于10℃,且冷卻塔回水溫度大于19℃時(shí),吸收式冷水機(jī)組啟動(dòng),向貯冷水罐補(bǔ)充冷水。吸收式冷水機(jī)組與其對(duì)應(yīng)的一次泵和任一冷卻水泵、任一冷卻塔及冷卻塔出水管上的電磁閥連鎖。按電磁閥-冷卻塔-冷卻泵-冷凍水一級(jí)泵-熱水泵-吸收式冷水機(jī)組的次序開啟。(3)太陽能貯熱水罐溫度T2小于75℃或貯冷水罐溫度T3小于7℃,吸收式制冷機(jī)組停機(jī),停機(jī)順序與開啟順序相反。(4)貯冷水罐溫度T4大于12℃時(shí),螺桿式冷水機(jī)組啟動(dòng),螺桿式冷水機(jī)組與其對(duì)應(yīng)的電磁閥、一次泵、另一冷卻水泵、另一冷卻塔及冷卻塔對(duì)應(yīng)的電磁閥聯(lián)鎖。按冷卻塔電磁閥-冷卻塔-冷水機(jī)組電磁閥-冷卻泵-冷凍水一次泵-螺桿式冷水機(jī)組的順序開啟。(5)當(dāng)太陽能不能滿足吸收式冷水機(jī)組要求時(shí),兩臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行,機(jī)組啟停順序同(4)。5.2儲(chǔ)水池高溫氣候技術(shù)5.2.1基于高溫水回用的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組圖6為貯熱水罐高低水溫控制原理圖。由圖6可以看出,集熱系統(tǒng)收集的高溫?zé)崦剿趦蓚€(gè)水罐蓄存時(shí),根據(jù)水的特性,高溫水“浮”在上面,低溫水“沉”在下面,采用由高到低的方式,將第一個(gè)水罐“高”端引入第二個(gè)水罐的“低”端,這樣高溫水從第二個(gè)水罐的上側(cè)被熱水泵吸入溴化鋰吸收式冷水機(jī)組時(shí),可以提高高溫?zé)崦剿睦寐?從而提高溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的COP。5.2.2冷水罐、冷水罐圖7為貯冷水罐高低水溫控制原理圖。由圖7可以看出,由集水器收集的高溫冷凍水流回太陽能貯冷水罐,冷凍水泵從高溫冷凍水入口處抽水至冷機(jī)(溴化鋰吸收式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組);兩個(gè)貯冷水罐在連接時(shí),采用由低到高的方式,根據(jù)水的特性,高溫水“浮”在上面,低溫水“沉”在下面。因此,來自冷機(jī)的低溫冷凍水送至第二個(gè)貯冷水罐下側(cè),這樣低溫水從右側(cè)的貯冷水罐的“低”處至分水器,通過空調(diào)末端循環(huán)水泵供給空調(diào)末端風(fēng)機(jī)盤管,從而提高空調(diào)的制冷效率。5.2.3空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)二次泵夏季,開啟閥門F3、F4、F5、F6,關(guān)閉閥門F1和F2,貯熱水罐里的高溫?zé)崦剿蔁崴梦脘寤囄帐嚼渌畽C(jī)組,貯冷水罐里的冷凍水經(jīng)分水器,由空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)二次泵9(見圖1)向空調(diào)末端系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管供冷?？照{(diào)末端二次泵為變頻泵,根據(jù)末端風(fēng)機(jī)盤管的壓差調(diào)整水泵頻率,從而調(diào)節(jié)冷凍供水量。當(dāng)冬季需要利用太陽能供暖時(shí),可開啟閥門F1和F2,關(guān)閉F3、F4、F5、F6。利用空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)二次泵9(見圖1)向空調(diào)末端系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管供熱水。空調(diào)末端二次泵為變頻泵,根據(jù)末端風(fēng)機(jī)盤管的壓差調(diào)整水泵頻率,從而調(diào)節(jié)供熱水流量。5.2.4安全閥的關(guān)閉太陽能集熱系統(tǒng)高溫?zé)崦剿^熱時(shí),太陽能貯熱水罐上的安全閥開啟泄水,安全閥開啟的工作壓力為0.5MPa,當(dāng)壓力回落至0.4MPa時(shí),太陽能貯熱水罐上的安全閥關(guān)閉。5.3空調(diào)負(fù)荷本工程設(shè)計(jì)采用兩個(gè)貯冷水罐來蓄存冷量供空調(diào)末端使用,在供冷高峰或太陽輻照不足使得太陽能空調(diào)不能滿足要求時(shí),采用螺桿式冷水機(jī)組來輔助供冷(電制冷調(diào)峰技術(shù))。根據(jù)圖書館空調(diào)負(fù)荷的特點(diǎn),空調(diào)運(yùn)行時(shí)間主要集中在上午08:30~12:00、下午13:30~17:00、晚上19:00~21:30,高峰負(fù)荷主要集中下午13:00~16:00,因?yàn)檫@段時(shí)間最熱,空調(diào)負(fù)荷最大,同時(shí)太陽能的輻照量也非常大,其集熱效率也較高,因此太陽能貯熱水箱的保證利用率應(yīng)≥65%。貯熱水罐里的高溫?zé)崴鼙ＷC溴化鋰吸收式冷水機(jī)組半小時(shí)以上的供應(yīng)量,在高峰時(shí)段采用螺桿式冷水機(jī)組制冷進(jìn)行調(diào)峰。6能負(fù)荷分析6.1空調(diào)冷負(fù)荷的計(jì)算太陽能集熱系統(tǒng)總共布置了749組集熱器,每組2.0m2,共計(jì)1498m2,太陽平均輻照度按800W/m2計(jì)算,集熱效率平均按0.46計(jì)算,溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的吸收率取0.6,則吸收式制冷機(jī)可利用的冷量為1498m2×800W/m2×0.40×0.6=287.6kW,根據(jù)樣本參數(shù)選取額定制冷量為387kW的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。為了充分利用太陽能,該系統(tǒng)高峰運(yùn)行時(shí)最多只能有兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。實(shí)際上當(dāng)熱水泵滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),該太陽能集熱系統(tǒng)的最大制熱量Q熱=4.18×1000×94×(95-75)/3600=2182.9kW(式中95和75這兩個(gè)溫度是太陽能貯熱水箱中的水能被吸收式冷水機(jī)組利用的最高和最低溫度),溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的吸收率取0.6,則吸收的能量Q吸收=0.6×Q熱=0.6×2182.9kW=1309.7kW。該高校圖書館的空調(diào)面積為14151m2,其最大瞬時(shí)冷負(fù)荷為1556kW,因此計(jì)算得出單位面積冷負(fù)荷為1556kW/14151m2=110W/m2。一般情況下的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷為最大瞬時(shí)冷負(fù)荷的0.8,因此常規(guī)空調(diào)冷負(fù)荷為1556kW×0.8=1244.8kW<1309.7kW。在年太陽日照最小的情況下,啟動(dòng)螺桿式冷水機(jī)組來制冷,制冷量為696kW×2=1392kW>1244.8kW,能滿足大部分空調(diào)區(qū)域的負(fù)荷要求。6.2溴化鋰吸收式冷水機(jī)組2.5%熱媒水在典型設(shè)計(jì)日太陽能集熱系統(tǒng)能滿足吸收式冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí),首先啟動(dòng)太陽能集熱系統(tǒng),已制備好的兩臺(tái)20m3的貯熱水罐總共40m3的≥75℃高溫?zé)崴鼙ＷC機(jī)組正常運(yùn)行,貯熱水罐中的水因循環(huán)而乘以2.5的循環(huán)系數(shù),得到40m3×2.5=100m3,由于熱水泵的額定水流量為94m3/h,當(dāng)熱水泵滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),能為溴化鋰吸收式冷水機(jī)組運(yùn)行提供1小時(shí)左右的高溫?zé)崦剿?此后再開啟1臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組輔助供冷,繼續(xù)運(yùn)行30分鐘后,再開啟另一臺(tái)螺桿式冷水