太阳能空调在长沙市某综合楼的技术应用

2019-09-03中建科技集团有限公司王鲁莹薛世伟沈亮张瑜蔡哲

太阳能 2019年8期

中建科技集团有限公司 ■ 王鲁莹薛世伟沈亮张瑜蔡哲

0 引言

太阳能空调作为目前较为成熟的太阳能制冷技术，其最大的优点在于良好的季节匹配性，经过40多年的研究应用，其目前已进入实用化示范阶段[1-3]。李忠等[4]为海南某高校图书馆设计安装了316 kW的太阳能单效吸收式空调系统，系统使用电制冷辅助，实际运行数据表明，该套系统平均日运行时间为5 h。上海交通大学与日出东方共建了黑腔中温集热器驱动的双效吸收式太阳能空调系统，此高效黑腔中温集热器在集热温度为150 ℃时的集热效率为0.45，其与太阳能空调的有机结合使系统的性能指数得到了有效提高[5]。

本文以长沙市某工厂综合楼的太阳能空调项目为例。该综合楼的设计定位为装配式被动式超低能耗建筑，本项目将为该综合楼制冷/供热，以及提供生活热水，设计方案可为太阳能空调在太阳能资源III类地区的适用建筑中的推广提供依据。

1 项目简介

本太阳能空调项目位于湖南省长沙市宁乡县，服务对象为：A配楼，主体3层，建筑面积为2283.45 m2，使用功能为办公；C配楼，主体3层，建筑面积为1884.64 m2，使用功能为职工宿舍。太阳能空调系统负责为A配楼制冷/供热，为C配楼供热及提供生活热水。系统的峰值总冷负荷为72.16 kW，峰值总热负荷为90.52 kW，热水负荷为105 kW。

根据被动式超低能耗绿色建筑示范工程的申报要求，系统的可再生能源利用率需要达到40%以上。目前，项目已竣工并投入使用。

2 方案选择及系统设计

2.1 空调方案选择

本项目中的办公楼为被动式超低能耗建筑，在能源利用上，使用可再生能源是必然的选择。项目所在地周围无地表径流，所以不考虑水源热泵形式。经模拟计算发现，若全部使用地源热泵制冷/供热将无法满足超低能耗建筑的能耗指标要求；而太阳能空调利用太阳能集热器收集太阳能产生高温热水，继而在夏季驱动吸收式制冷机制冷，在冬季直接供热，系统一次能源消耗量较低，可满足超低能耗建筑的能耗指标要求。

2.2 辅助能源的选择和蓄热

太阳能的缺点是不稳定、非连续，因此辅助能源的选择对太阳能系统的功能保障及最终的节能效果至关重要。综合楼位于长沙某预制构件厂内，构件养护工序会产生120 ℃左右的废蒸汽，为了合理利用资源，最大限度地节约费用，本项目最终采用以废蒸汽作为辅助能源的技术方案。

本项目设置了1个容积为9 m3的蓄热水箱，在设计时通过控制水箱高度并优化水箱进出口管所在位置的高度来避免混水现象的发生，同时保证换热效率[6-7]。蓄热水箱的设计容积既可以保证吸收式制冷机组在启动后有较长时间的热水供应，避免机组频繁启停；又可以保证其在两次运行的间隔有足够的空间储存太阳能热水，避免浪费。

2.3 太阳能集热器的选择及面积确定

太阳能集热器是吸收太阳能量并将热能传递至传热工质的一种装置，是太阳能空调系统的重要组成部分，它的性能和成本对系统起着决定性作用。目前，太阳能空调系统可使用中温集热器(80～250 ℃)或低温集热器(≤80 ℃)。中温集热器成本较高，多用于示范工程及商业化较好的项目；低温集热器主要分为平板型集热器和真空管型集热器。平板型集热器不易损坏，但吸热板随着温度的升高不可避免地会向四周散热，且散热面积大、形式广，热量损失较大[8]。真空管型集热器热对流损失小，部分型号应用了选择性涂层，能防止辐射热损失，因此不必进行跟踪和聚光，就可达到较高的集热温度；真空管型集热器分为全玻璃型、热管型、U型管型等。由于本项目中的太阳能空调主机采用国外先进设备，较低的温度即可驱动机组制冷，因而在综合考虑集热效率、安全性、可操作性和造价等多方面因素后，本项目选择U型管真空管型集热器。

通过考察多家太阳能集热器生产厂商并研究其产品的瞬时效率曲线后发现，国家标准规定的集热器瞬时效率曲线中的横坐标基于进口温度的归一化温差的范围是0～0.10，在这个范围内，各个厂家的集热器性能表现差异不大，瞬时效率均可达到0.70以上。但在实际应用中发现，在太阳能资源III类地区，由于日照条件不同，集热器瞬时效率曲线中的横坐标基于出口温度的归一化温差的范围未落在0～0.10这个范围内。根据式(1)可计算归一化温差Ti*为：

式中，ti为工质进口温度，℃；ta为环境温度，℃；G为集热器采光面上总日辐照度，W/m2。

同一时段内的稳定状态下，根据能量守恒定律，入射在集热器上的太阳总辐照量为集热器输出的有用能量与向周围环境散失的能量之和[9]，即：

式中，QA为同一时段内入射在集热器上的太阳辐照量，W；QU为集热器在同一时段内输出的有用能量，W；QL为同一时段内集热器对周围环境散失的能量，W[9]。

QA的计算式为：

式中，A为集热器有效集热面积，m2；UL为具有均匀吸热体温度的集热器总热损系数，W/(K·m2)；(τα)e为有效透过—吸收积。

QL的计算式为：

将式(3)、式(4)代入式(2)，可得：

集热器瞬时效率η的定义式为：

将式(5)代入式(6)，可得：

因此，若UL和(τα)e为常数，则瞬时效率方程为归一化温差T*的一次函数。

根据我国气象局公布的城市气象资料可以得到，长沙地区晴天时的总日辐照度为937 W/m2，多云时的总日辐照度为300 W/m2，阴天时的总日辐照度为100 W/m2，工质进口温度与环境温度差取0～50 ℃。考虑3种天气情况并经过计算后发现，集热器瞬时效率曲线的横坐标基于进口温度的归一化温差的范围为0～0.50。因此就本太阳能空调项目而言，需要将考察的集热器瞬时效率曲线延长至0.50。

先后对5家集热器生产企业性能相近的U型管真空管型集热器进行了研究，此时的瞬时效率-基于进口温度的归一化温差曲线如图1所示，图中A、B、C、D、E分别代表5个品牌。

图1 不同品牌的U型管真空管型集热器瞬时效率－基于出口温度的归一化温差曲线对比图

从图1中可以看出，相比于横坐标在0～0.10范围内，当横坐标在0～0.50时，各厂家集热器的瞬时效率差异明显变大。对比各集热器性能，并结合长沙地区晴天、多云、阴天等天气多变的特点，应选择图1中斜率较小的A品牌或C品牌。通过进一步对比2种集热器的市场价格后，最终选择了C品牌。

本项目需要考虑的涉及太阳能集热器面积的因素包括：1)节能环保，被动房设计要求太阳能保证率达到40%；2)经济性，以较低的初投资获得最大的运行效益；3)可用屋顶面积，尽量将集热器集中布置在建筑的屋顶，且靠近机房。

太阳能集热器总面积的计算公式为[10]：

式中，Ac为集热器总面积，m2；Q为源端需热量，kJ；f为太阳能保证率；JT为当地集热器总面积上的统计日太阳辐照量，kJ/(m2·d)，长沙地区取10.882 MJ/(m2·d)；ηcd为集热器平均集热效率，本项目取0.5；ηL为管路及贮水箱热损失率，本项目取0.2。

根据太阳能保证率取值不同，设计了3个方案；分别以式(8)计算不同方案下的集热器总面积，结果如表1所示。

表1 太阳能集热器总面积计算表

本项目的建筑屋顶总面积为606 m2，有效利用面积约为300 m2。根据表1的结果，方案1的太阳能保证率和集热器总面积偏低；方案3的太阳能保证率虽高，但集热器的初投资过高；因此，综合考虑太阳能集热器初投资、屋顶面积和设备运行费用，最终选择了方案2。

2.4 运行控制设计

本系统夏、冬季主要优化运行控制策略如图2所示。

由图2可知，本方案运行控制的宗旨是最大限度地利用太阳能。晴好天气时，太阳能空调系统承担制冷/供热及提供生活热水的功能；阴天多云时，由地源热泵系统辅助太阳能空调系统；极端恶劣天气或极端恶劣运行工况时，利用工业废蒸汽驱动太阳能空调系统。同时，还依托智能系统的监测和控制，及时调整运行策略，在提供可靠稳定的供暖和制冷服务的同时，最大程度地利用太阳能，降低空调系统能耗。