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    太阳能热水工程-别墅建筑中太阳能制冷与供暖综合系统可行性研究

本文系统的介绍了太阳能制冷与供暖综合系统的工作原理、运行方式,结合济南蓝天阳光新能源有限公司工程案例,对于不同的制冷与供暖方式做了经济性分析,指出太阳能制冷与供暖综合系统具有良好的经济和社会效益,同时也指出了综合系统在推广应用中存在的不足,认为在民用住宅建筑中的推广具有广阔的发展前景。 关键词太阳能集热器吸收式制冷机燃气锅炉 0前言 20世纪以来,世界范围的能源消费量大幅度增长,同时许多国家都存在着不同程度的能源危机,因此相对于常规能源(如煤、石油、天然气)而言的新能源(如太阳能、核能、地热能)的利用成为解决能源短缺问题的新出路。 从20世纪70年代开始,太阳能热利用技术迅速发展起来,太阳能空调也随之出现。研究发现,太阳能空调应用极具优势:夏季太阳辐照越强,天气越热,建筑负荷越大,太阳能空调的制冷效果越好。而采用太阳能作为主要驱动能源、采用氨水或其他自然物质作为工质的太阳能制冷与太阳能直接供暖正是符合节能和环保要求的技术。使用太阳能驱动制冷空调装置以及采暖装置,一方面可以节省对常规能源的消耗,减轻采用常规能源对环境带来的压力;另一方面,也解决了由于采用氟利昂等人工合成工质引发的地球温室效应的加剧和大气臭氧层的破坏问题[1]。因此,太阳能在建筑中制冷与供暖是太阳能热利用的一个典型方向。 1太阳能制冷与供暖综合系统 1.1太阳能吸收式制冷 太阳能驱动的制冷机可分为3类:吸收式、压缩式和喷射式吸收式制冷机可在较低热源温度下运行,制冷效率较高,而且有望小型化。目前,太阳能空调机绝大部分是溴化锂吸收式制冷机,和蒸汽压缩式制冷一样,太阳能空调机是利用液态制冷机在低压低温下气化以达到制冷的目的;二者不同之处是,蒸汽压缩式制冷是靠消耗机械能(或电能)使热量从低温物体向高温物体转移,而吸收式制冷则靠消耗热能来完成这个非自发的热量转移过程。 吸收式制冷机主要有4个热交换设备组成,即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器,它组成了两个循环环路:制冷剂循环和吸收剂循环。 1.2太阳能地板采暖 利用地板辐射采暖与太阳能集热系统相结合,室内设计温度可比散热器形式低2℃~3℃,节能20%~30%[2]。地面作为散热源温度不能过高,人员经常停留处一般不高于29℃[3]。地板采暖温度一般都在60℃以下[4],太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高[5],所以它是目前建筑冬季采暖的佳解决方案之一。 对于普通建筑一般采用主动式太阳能采暖,主动式太阳能采暖又分为直接式和间接式[6]。 所谓间接采暖就是太阳能集热器加热的热水并不直接拿去供暖而通过辅助热源(电加热、热泵等)将该热水的温度提高后再拿去供暖。 直接式就是将太阳能集热器加热的热水直接用来供暖,低温地板辐射采暖就是目前得到广泛应用的一种直接采暖方式,其主要特点是供水温度要求较低,所以将太阳能与地板采暖相结合非常适宜 由图可知:其采用太阳能加辅助热源(电加热)的联合供热方式,供热系统优先选择太阳能,太阳能供热不足的能量由辅助热源补充,可保证全天候供热,在热源充足的前提下,满足不间断的生活热水供应。 1.3太阳能制冷与供热综合系统 太阳能制冷与供热综合系统是建立在太阳能吸收式制冷与太阳能地板辐射采暖的基础上组合而成,该系统主要部件有:全玻璃真空管集热器、蓄热水箱、热水型溴化锂吸收式制冷机、辅助热源(电加热)、循环泵、采暖盘管、末端盘管、热水泵、负荷泵、冷却水泵等组成 系统运行工况: 夏季制冷:夏季由于室外温度较高,将蓄热水箱置于室外,以减少热量损失,并将辅助热源(电加热)与蓄热水箱串联放置,制冷机热水进水温度设置为80℃,辅助热源启动温度为79℃,当蓄热水箱的温度<79℃时,启动电加热器加热供水以达到制冷机需要热水温度,随着太阳辐照度的增强,当蓄热水箱温度超过80℃,电辅助加热停止工作。 冬季供热:对于地板辐射采暖,热水温度不适宜高于60℃,设计供水温度为45℃,供回水温差为12℃,辅助热源启动温度为44℃,当蓄热水箱温度低于45℃,辅助热源开启加热供水至设定温度,随着一天太阳辐照的增强,当蓄热水箱的温度高于45℃,辅助热源停止工作。 室内温度控制:夏季室内制冷工况一般要求室内温度24℃~28℃,冬季供暖工况一般要求室内温度维持在16℃~20℃,为了使太阳能制冷与供热综合系统节省费用,当冬夏季室内温度达到20℃~24℃时,整个系统停止工作,随着室外环境温度变化,当冬夏季室内温度达到16℃~28℃时,系统重新工作,为了满足不同用户对室内温度的需求,室内环境温度可以自由设定。 2工程的设计计算 2.1太阳能集热器 太阳能集热器选用全玻璃真空管太阳能集热器,此种形式的太阳能集热器热效率高,防冻性能好,承压能力高,热容量小,启动快,在采暖初期和末期可以不用辅助热源而直接供暖与制冷。同其他形式的太阳能集热器相比,全玻璃真空管太阳能集热器更适合应用于太阳能制冷与供暖系统。 太阳能集热器面积的计算: —直接系统太阳能集热器采光面积,m2; —建筑物耗热量,W; —太阳能保证率,根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定,本工程选取30%; —当地太阳能集热器采光面上的冬季平均日太阳辐照量,18600KJ/(m2•d); —太阳能集热器采暖平均集热效率,国标:0.4~0.52,取0.5; —储水箱和管道的热损失率,根据经验取值宜为10%-15%。 2.2储热水箱的有效容积 根据DGJ/TJ08-2005,可采用下列经验公式计算: ~100) 式中: -储水箱的有效容积,L -系统的集热面积,m2 在50~100之间进行选取时,要考虑有关因素:如用户要求水温与基础水温高低(在东南亚地区要求水温较高,而基础水温又高,顾可选取高值);当地太阳辐照量太小,如北京和西藏就不一样;使用热水的季节;如在北半球,夏季可选取高值,冬季可选取低值。 2.3辅助加热功率确定 电加热功率应按阴雨天完全靠辅助热时计算,辅助电加热耗电功率: 式中: —电加热功率,kW;—用水量,kg; —水的比热容,取4.18kJ/(kg•℃); —储水箱内终点温度,60℃; —电加热功率,取0.95;—加热时间,2h。 2.4太阳能集热器倾角[7] 在安装太阳集热器时,为了得到大的太阳辐照量,在正午时必须尽可能使太阳能集热器采光面垂直于阳光时: 式中: —太阳赤纬角 —当地纬度 太阳能集热器全年使用时,可以认为全年平均赤纬角均为0°则: 太阳能集热器为夏季使用时,可以认为该期间内平均赤纬角约为10°则: 太阳能集热器为冬季使用时,可以认为该期间平均赤纬角为-10°,则: 3太阳能制冷与供暖综合系统技术经济性分析 目前,大部分单体建筑都是冬季采用集中供暖或燃气锅炉供暖,而夏季采用空气源热泵,这加重了夏季电力负荷,拉大了政府试图不断缩小的电力峰谷差。而太阳能制冷与供暖综合系统充分利用了太阳能这种清洁能源,减少了对环境危害气体的排放,也减弱了对夏季电力的依赖,现在就几种常见的夏季制冷与供暖方式在别墅中的应用做经济性分析: 方案1:集中供热+空气源热泵; 方案2:燃气锅炉+空气源热泵; 方案3:太阳能制冷与供热综合系统; 其中太阳能制冷与供暖综合系统主要有太阳能集热器、储热水箱、热水型吸收式制冷机、控制系统、电加热、室内盘管与地下盘管等组成,其初投资如表1所示: 表1太阳能制冷与供热综合系统初投资

名称

价格/元

太阳能集热器

14340

集热器的支架与基础

3600

管道防腐保温

840

循环泵

1700

控制系统

3500

储热水箱

5600

室内管道

18000

控制系统

3500

电加热器

700

吸收式制冷机

75000

末端盘管

30000

安装调试费

1000

其他

1000

合计

155280 注:单根全玻璃真空太阳能集热管日产热水量为10.32kg•d。 太阳能设备初投资是在太阳能采暖利用率30%情况下做出的,实际根据辅助热源情况综合考虑太阳能采暖率、初投资、运行费用等因素,选择适宜方案。 不同制冷、供暖、热水费用在住宅运行费用分别比较如下表所示: 表2采用不同供暖方式运行费用比较

制冷、供暖方式

集中供热+空气源热泵

燃气锅炉+空气源热泵

太阳能制冷与供暖综合系统

采暖期单位面积运行费用/元/㎡

27

28.5

21

采暖期内运行费用(400㎡)/元

10800

11400

8400

制冷期单位面积运行费用(元/㎡)

21.6

21.6

4.5

制冷期运行费用(400㎡)/元

8640

8640

1800

单位面积热水供应费用/元/㎡

——

2.1

免费

全年热水供应费用(400㎡)/元

——

840

免费 注:1.以上数据均为室内温度16℃,室外温度为-1.6℃情况下采暖费用; 2.电价按0.52元/kW•h,电加热效率为90%; 3.天然气价格按2.0元/Nm3,密度为0.75kg/m3,锅炉效率为85%; 4.集中供暖价格采用济南地区家庭收费平均价格; 5.房间夏季制冷时间平均每天12h。 表3投资回收期计算

供暖方式

集中供热

燃气锅炉

太阳能电辅助加热

初投资费用/元/㎡

91200

90800

155280

采暖季供暖费用(400㎡)/元

10800

11400

8400

制冷季节费用(400㎡)/元

8640

8640

1800

全年生活热水供应费用/
元/a

—-

840

全年采暖、制冷、生活热水总费用(元/年)

19440

20880

10200

投资回收期(年)

太阳能制冷与供暖综合系统相对集中供热+空气源热泵需6.9a
太阳能制冷与供暖综合系统相对燃气锅炉+空气源热泵需6a 注:1.按《济南市人民政府关于印发济南市城市建设综合配套费征收管理办法通知》济南发[2003]3号文,民用集中供暖开户费78元/m2。 2.集中供热没有热水供应,需另外附加热水设备。 由以上图表可以看出,采用太阳能制冷与供暖综合系统虽然初投资较高,但因利用了清洁环保的太阳能资源,每年费用是集中供暖+空气源热泵的52%,燃气炉采暖费的48%,另外相对集中供暖+空气源热泵其还一年四季提供生活热水,使日常生活更加便利,以上数据虽然不够精确,但不影响所得结论。 4存在的问题及解决办法 太阳能制冷与供暖综合系统与其他制冷与供暖方式相比虽然有着无可比拟的优势,然而在推广应用中存在着一些尚未解决的问题: 1.太阳能集热器面积、辅助热源的选择、热水温度以及冷却水温应各为多少,才能建立一个为经济合理的太阳能制冷与供暖综合系统,也是一个尚待解决的问题,只要有了合理的太阳能集热器和制冷机以及水温之间相互匹配关系,才能建立合理的太阳能综合利用系统。 2.由于太阳能收集的时效问题,蓄热技术也必须得到很好的解决,现存的蓄热技术主要采用增加热水容量,增强保温效果。要通过对蓄热技术与蓄热载体的研究开发,来实现太阳能综合利用系统应用的随意性和连续性。 3.对于居住相对集中的楼房,太阳能集热器的安装受到很大的限制,这主要因为太阳能热利用的应用不够广泛,楼房设计没有充分考虑到太阳能的利用问题,要通过太阳能应用与建筑相结合设计来解决。 4.目前,还没有太阳能制冷与供热综合系统统一的设计规范、计算软件、统一的配套设备和零部件,解决这样的问题需要太阳能综合利用技术在民用建筑得到快速推广,形成一定的规模,这需要政府政策支持和科技工作者的努力。 5结论 太阳能制冷与供暖综合系统在建筑中的推广应用,既创造了室内适宜的温度,又减弱了城市中的热岛效应。更为可取的是,它既节约了能源,还不使用破坏大气层的氟利昂等有害物质,是名副其实的绿色能源利用系统,尽管存在一些尚未解决的问题。但随着科技的进步和经济的发展,不同地区对能源与环境也提出了更高的要求,相信在政府和社会的大力支持下,紧紧依托太阳能热水器已有的成熟市场,这种太阳能制冷与供暖综合系统一定会得到更快更好的发展。 参考文献 1杨建华,杨更生.太阳能空调研究与发展现状.河南科技,2002(2):27-28 2齐政新,杨基春等,利用太阳能地板采暖减少建筑能耗.中国能源,2001,(6):28-303ASHRAE,ASHRAE,Handbook-Fundamentals[M],Altamta:ASHRAE,1989 4齐政新,李岩,太阳低温地板辐射采暖系统的探讨[J]煤气与热力2003.23(5):312-315 5段志强,吴家庆,玻璃真空管太阳能集热器及其初步应用[J]真空应用1986(3) 6田中俊六.太阳能供冷与供暖.第1版.北京:中国建筑工业出版社,1982 7赵峰等.太阳能集中供热在武汉地区的适用性研究[J].给水排水2005(3):23-25

 
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