太陽(yáng)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(yáng)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(guó)建筑能耗的絕對(duì)數(shù)量和總能耗的比例顯著增加。中國(guó)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?huì)總能耗的40%。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(zhǎng)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(duì)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(lái)發(fā)展天然氣空調(diào)。然而，中國(guó)相對(duì)較高且持續(xù)上漲的天然氣價(jià)格導(dǎo)致大多數(shù)國(guó)內(nèi)天然氣用戶無(wú)法承受的過(guò)度運(yùn)營(yíng)成本。這些例子是中國(guó)東部3號(hào)樓的傳統(tǒng)儲(chǔ)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(yáng)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(yáng)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(duì)東華大學(xué)3,4號(hào)學(xué)院樓原有的燃?xì)饪照{(diào)系統(tǒng)提出采用太陽(yáng)能作為輔助能源的節(jié)能改造方案.該方案采用主動(dòng)式太陽(yáng)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(duì)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(yíng)的建模1.1行控制原則改進(jìn)后的主動(dòng)式太陽(yáng)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(jiǎn)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(yáng)輻射時(shí),集熱器循環(huán)泵P1從水箱抽水充滿集熱器.當(dāng)太陽(yáng)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(shí),循環(huán)泵P1運(yùn)行,向蓄熱水箱輸入太陽(yáng)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(yáng)能加熱并達(dá)到設(shè)定溫差時(shí)再運(yùn)行;(2)當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)水溫低于45.6℃時(shí),閥6,8,10關(guān)閉,閥7和9打開,太陽(yáng)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(lái)滿足熱負(fù)荷;當(dāng)水箱內(nèi)水溫≥45.6℃時(shí),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(dòng)式太陽(yáng)能與直燃機(jī)聯(lián)合采暖運(yùn)行,太陽(yáng)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(shí),關(guān)閉直燃機(jī)燃燒器,單獨(dú)由太陽(yáng)能子系統(tǒng)來(lái)滿足熱負(fù)荷.此時(shí)若太陽(yáng)能子系統(tǒng)提供的熱量大于熱負(fù)荷時(shí),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(yáng)輻射不足或采暖結(jié)束時(shí),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(duì)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(shí),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(shí)間(s);F′為真空管集熱器的效率因子,無(wú)因次;FR為真空管集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子,無(wú)因次;GT為某時(shí)刻集熱器傾斜面上單位有效采光面積的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(kW/m2);(τα)e為集熱器的有效透過(guò)吸收積,無(wú)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(shí)刻的環(huán)境溫度(℃);ti為τ時(shí)刻集熱器進(jìn)口流體溫度(℃);to為τ時(shí)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(shí),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(dòng)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(shí),集熱循環(huán)停止,集熱器吸收太陽(yáng)能使to升高直到F=1,此過(guò)程中認(rèn)為ti=to;(2)蓄熱水箱內(nèi)水溫低于45.6℃,且F=1時(shí),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(yáng)能子系統(tǒng)參與采暖運(yùn)行,此時(shí)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(duì)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(yáng)輻射不足或不采暖時(shí),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(shí)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(yáng)輻射且ts<45.6℃時(shí),水箱的能量平衡方程為:(mcp)sdtsdτ=F˙mcpAc(to-ts)-(UA)s(ts-ta)(6)此時(shí),直燃機(jī)為滿足熱負(fù)荷提供的熱量為Qzh=Qτ,Qτ為τ時(shí)刻的熱負(fù)荷(kW).當(dāng)有太陽(yáng)輻射且45.6℃≤ts<50℃時(shí),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(shí)刻空調(diào)系統(tǒng)總循環(huán)流量(m3/h)?Μ=QτcpΔt×3.6.此時(shí),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(yáng)輻射且水箱內(nèi)水溫ts≥50℃時(shí),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(yáng)能來(lái)供暖,若有多余熱量則通過(guò)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(guò)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(shí)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(shí),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(yáng)能與采暖熱負(fù)荷的比率稱為太陽(yáng)能保障率,用f表示.f是反映和評(píng)價(jià)太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行性能的重要參數(shù).結(jié)合太陽(yáng)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(shí)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(hào)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(yáng)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(hào)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(yáng)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(guò)模擬,可以得到這些因素對(duì)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(gè)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(duì)太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)輻射GT和環(huán)境溫度ta均由CTYW(ChineseTypicalYearWeather)計(jì)算得到;3,4號(hào)學(xué)院樓采暖期的熱負(fù)荷通過(guò)EnergyPlus軟件在CTYW的基礎(chǔ)上模擬得到.以3,4號(hào)學(xué)院樓1月13日的逐時(shí)熱負(fù)荷模擬結(jié)果為例,如圖2所示.由于建筑物每天長(zhǎng)達(dá)16h不供暖,因此熱負(fù)荷在一天中開始供暖時(shí)最大,然后成遞減趨勢(shì).其他采暖日的逐時(shí)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(shí),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(yáng)能不穩(wěn)定的缺陷,其對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(duì)水容X與年太陽(yáng)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(duì)年太陽(yáng)能保障率的影響:對(duì)不同集熱器采光面積的系統(tǒng),在X≤2L/m2時(shí),系統(tǒng)的年太陽(yáng)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(yáng)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(duì)年太陽(yáng)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(duì)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(yáng)輻射強(qiáng)度較弱時(shí),若X較小,水箱的溫度波動(dòng)就很大,因而集熱器進(jìn)出口溫差也產(chǎn)生頻繁的波動(dòng),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(yáng)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(yáng)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(yáng)能保障率隨著集熱器采光面積的增加而增加,但是年太陽(yáng)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(shuō)明對(duì)于改造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)集熱器采光面積對(duì)系統(tǒng)的性能提高是有限的,但是在設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)最優(yōu)值.2.4太陽(yáng)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(duì)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(yáng)輻射強(qiáng)度較弱,運(yùn)行結(jié)束時(shí)蓄熱水箱中的水溫為20.77℃,未達(dá)到太陽(yáng)能集熱與直燃機(jī)聯(lián)合采暖的條件.這一天太陽(yáng)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(lái)系統(tǒng)一樣.(2)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在12月3日10:14時(shí)將蓄熱水箱中的水加熱到45.6℃,從此系統(tǒng)進(jìn)入太陽(yáng)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(guò)每天早上短暫的加熱過(guò)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(shí)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(yáng)輻射時(shí)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(shí),集熱器出口水溫與蓄熱水箱水溫之差達(dá)到2℃,此時(shí)開始集熱循環(huán)將太陽(yáng)能輸入水箱使水溫升高.在8:03時(shí),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(shí)太陽(yáng)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(shí),蓄熱水箱水溫超過(guò)50℃,直燃機(jī)關(guān)閉,改造系統(tǒng)進(jìn)入太陽(yáng)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(yáng)輻射變?nèi)?系統(tǒng)又