基于太阳能的新风双级处理模块化节能墙

2023-07-14刘忠宝韦自妍刘梓宸

北京工业大学学报 2023年7期

刘忠宝, 韦自妍, 刘梓宸

(北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124)

当前我国社会高速发展,能源需求较大,化石能源储备供不应求,而太阳能作为清洁安全的可再生能源,有较好的应用前景。随着太阳能光伏产品成本和价格的不断下降,太阳能光伏发电技术得到大规模广泛应用[1-5]。

装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行[6-8]。作为建筑工业化的发展重心,装配式建筑已经发展到了一个较为成熟的阶段,为发展资源节约型、环境友好型社会提供了保障。2019年全国新开工装配式建筑4.2亿m2,较2018年增长45%,占新建建筑面积的约13.4%。作为其配套产业,2017年装配式建筑及相关配套产业总行业规模达到5 333亿元。但目前相关配套的适用于单个房间的热回收新风系统在市面上的产品还比较缺乏。

我国面临严峻的室内环境污染问题,其主要来源是室内劣质建材和家居导致的装修污染。而人们有90%以上的时间在建筑中度过,室内环境直接影响着人体健康。考虑室内空气质量标准,每人需要的最小新风量应达到30 m3/h。良好的建筑通风将室外新鲜空气引入并排出室内污染,是解决室内环境污染的重要途径之一。建筑通风的手段主要分为自然通风和机械通风。自然通风通过直接开窗,被动地使自然气流进入室内环境;机械通风则通过机械系统主动地引入室外空气。然而从大量工程实例可以知道, 空调为处理新风所需能耗大致要占到总能耗的30%～50%[9],直接影响了整个冬季和夏季空调系统能耗效率,也极大地增加了冬季供暖能耗,浪费资源。

目前采用机械设备的新风系统主要有中央新风系统、柜式新风系统、壁挂式新风系统和窗式新风系统[10-12]。目前普遍的中央新风系统以及柜式新风系统都适用于较大面积的室内且价格昂贵,不适用于一般家庭。

目前的壁挂式新风系统和窗式新风系统大部分都是单向流新风,没有热交换,缺乏对新风热量的回收。因此在冬夏季为了保证室内温度,空调负荷将大大增加。采用电辅热的壁挂新风系统,即便控制了送风的温度,同样也增加了电量的消耗。参考德国某品牌的壁挂式新风系统价格在4 300～5 800元,窗式新风系统价格在1 980～3 980元,安装费另行计算,整体花费昂贵。

雷小慧[13]通过计算比较了北方寒冷地区和冬冷夏热地区供冷季节房间开窗自然新风、机械新风系统通入新风的能耗,得出在保证室内新风需求量的前提下,采用有热回收新风系统方式能耗较低,且带显热回收的新风系统能耗最低。He等[14]用光伏发电驱动热电片工作,夏季用冷端为房间空气降温,同时热端对水加热作为生活用水;冬季改变热电片两端电流方向,实现热电片冷热端互换,热端为室内空气加热。简而言之,目前市面上适用于单独房间的带热回收的新风机组还比较缺乏,发展比较成熟的光伏热电技术结合新风系统使用能取得良好效果。

相较于常规的制冷方式,热电制冷具有无运动部件、无须制冷剂、环保性能良好的多方面优势。而太阳能光伏热电制冷系统采用可再生能源光伏发电直接驱动热电制冷系统,实现光伏发电即发即用,具有零能耗的节能优势。光伏热电制冷热回收技术有广泛的应用前景,近年来国内外研究人员在该方面有一定的研究成果。王喜良[15]设计了一种主动进行余热回收的光伏光电热回收系统,在冬季对新风实现2次热回收并采用电暖器和空调制冷模式稳定室内温度,有效地改善室内舒适性。孟方芳[16]设计了一种光伏热电新风机,利用光伏热效应在冬季提高新风的温度,节能环保。

目前关于光伏新风处理的研究大多具有系统本身安装困难、占地空间大等缺点,对于太阳能光伏热电新风处理节能墙体的研究还未涉及。随着社会经济的快速发展,我国建筑行业对于建筑工程施工技术的要求也日渐提升。在设计与建设建筑工程环节,灵活运用新型建筑节能墙体,可实现建筑工程节能环保并降低成本。本文设计的一种光伏新风双级处理的模块化节能墙体,在节约能耗的同时更易于安装,具有一定的研究价值。

该墙体基于热回收技术与热电制冷制热效应,为室内引入全新风,并实现对新风的双级处理,对新风预热(预冷),提高(降低)送风温度,改善室内空气品质,保证室内新风量,有益于人们的身心健康。本装置改进了一般新风系统的空气能量回收装置,深度回收新风带入室内的热量,显著降低新风能耗以及供暖能耗。整体设备的驱动力来源于光伏发电,对环境无污染,具有良好的节能减排效果。该节能墙适用于装配式建筑,不占室内空间,大幅度节省传统设备的占地面积,具有良好的推广前景和使用价值,可以带来良好的社会效益。

1 新风双级处理模块化节能墙方案设计

1.1 理论分析计算

新风双级处理模块化节能墙的设计工况如表1所示,选取北方地区夏季和冬季平均室内温度和室外温度作为设计工况。

表1 新风双级处理模块化节能墙设计工况Table 1 Design conditions of modular energy-saving wall with two-stage fresh air treatment ℃

1.1.1 风机选型

根据人均舒适新风量30 m3/h,一个适用于三人空间的新风量应不小于90 m3/h。由此可计算出送风与排风风机风量应不小于1.5 m3/min。为匹配热电制冷片的工作电压选择其工作电压为12 V。所选风机具体参数见表2。

表2 设备主要构件参数Table 2 Parameters of main components of equipment

1.1.2 新风第1级处理

根据制冷设计工况,计算可得新风出口温度26.9 ℃,排风出口温度27.0 ℃,新风压力损失5 Pa,排风出口压力损失5 Pa;根据制热设计工况,计算可得新风出口温度9.8 ℃,排风出口温度10.6 ℃,新风压力损失5 Pa,排风出口压力损失5 Pa。

1.1.3 新风第2级处理

热电制冷片选取TEC1-12715,该制冷片的具体参数见表2。

夏季制冷工况下,根据夏季平均工况,室外温度30 ℃,室内温度24 ℃。算得通过换热器后空气温度tf=27 ℃,换热器壁面温度tw=-10 ℃,空气流速v=3.6 m/s,换热器管长l=0.077 4 m。可得雷诺数Ref为

(1)

根据物性表得Prf=0.702,温差修正系数ct=1,空气导热系数λf=0.026 3 W/(m·K),传热系数h

计算式为

(2)

根据肋片规格可知肋高远大于肋厚,肋片效率ηf计算式为

(3)

(4)

(5)

式中:Hc为修正肋高;δ为肋厚;H为肋高。算得肋片效率ηf=92.31。

由热电制冷片规格可得实际制冷量φf计算式为

φf=60%φmηf=73.8 W

(6)

式中:φm为热电制冷片理论制冷量,由表2可知φm=133.35 W。

假定管道内无流动损失管道与外界绝热,制冷工况下经过第2级处理的温度变化Δt(℃)计算式为

(7)

式中:cp为空气定压比热容;ρ为空气密度;Q1为夏季制冷工况下的换热量。

冬季制热工况下,根据冬季平均工况,室外温度-10 ℃,室内温度20 ℃。算得通过换热器后tf=6 ℃,tw=60 ℃,v=3.6 m/s,l=0.077 4 m。

假定管道内无流动损失管道与外界绝热,制热工况下经过第2级处理的温度变化Δt(℃)计算式为

(8)

式中Q2为冬季制热工况下的换热量

1.2 设计流程

本项目将设计一种以太阳能为能量来源的对新风进行双级处理的模块化节能墙体。该设备单体适用于两人活动的约20 m2空调房间,新风风量不小于60 m3/h。设备主体总厚度345 mm,与一般建筑外墙相当。该节能墙直接嵌在墙体中,白天在充足的太阳能辐射下,太阳能电池板为蓄电池组和通风管道供电,晚上蓄电池组把白天储存的化学能转化为电能,为通风管道供电。新风系统通过驱动第一级热交换器和第二级热电制冷热泵系统对室外新风进行双级处理,满足室内通风换气需求的同时,为室内通入温度适宜且洁净的新风。系统通过控制面板进行控制,实现冬季、夏季、春秋3种不同模式运转。

本设计由3个部分组成,第1部分为太阳能侧外墙;第2部分为内外墙之间的墙体;第3部分为用户侧内墙。节能墙三视图如图1所示。

1—室外新风进风口; 2—室内回风出风口; 3—太阳能光伏板; 4—真空绝热板; 5—控制面板; 6—蓄电池; 7—太阳能充放电控制器; 8—新风过滤器; 9—风阀; 10—第2级新风再处理装置; 11—第1级新风处理装置; 12—新风风机; 13—通风管道; 14—回风风机; 15—室外新风出风口; 16—室内回风进风口。图1 节能墙三视图Fig.1 Three views of energy-saving wall

1.2.1 太阳能侧外墙

太阳能侧外墙装有额定功率450 W的单晶硅太阳能电池板。为了提高太阳能光伏发电的能力,选择将模块墙面分布在建筑的西面和南面,并根据当地实际太阳辐射情况选择最佳倾斜角,提高辐射量。太阳能电池板昼间产生的电能为通风管道和蓄电池提供电能。

1.2.2 内外墙之间的墙体

内外墙之间的墙体由通风管道和蓄电池组成。通风管道承载风机、新风滤网、第1级热交换器和第2级热电制冷热泵系统。不同工况下通风管道空气处理流程原理如图2所示。

图2 空气处理流程Fig.2 Air handling flow chart

在新风侧,通过新风风机从室外引入的新风经过新风滤网过滤后与室内引出的回风经过第1级热交换器进行热交换,得到温度适中的新风。经过热交换之后的室外新风再通过第2级热电制冷热泵系统升温或降温,实现双级处理,为室内通入温度适宜的新风。

在回风侧,通过回风风机从室内引出的回风经过滤网后与室外引入的新风经过热交换器进行热交换,经过热交换之后的室内回风再经过热电制冷热泵系统带走热电制冷热泵系统的废热(废冷),最后排出室外,以保证热电制冷热泵系统运行的制冷制热效率。

新风风机和回风风机均选择轴流风机。第1级热交换器采用叉流式板翅式空气-空气热交换器。新风与回风在板翅式换热器中进行热量交换,有效利用房间内的能量,初步降低引入新风带来的新风负荷。第2级热电制冷热泵系统选用2片TEC1-12715热电制冷片搭配两端的散热片构成热电制冷装置,为新风加热或降温。热电制冷制热具有无噪声、无振动、体积小等特点。两端制冷制热方向取决于电压方向,故可以通过进行电压换向来满足,不需要改变风道或风的流动路径以实现冬夏2种不同工况的目的。热电制冷制热片对散热的要求较高,因此设计的回风侧排出的回风正好可以在夏季带走热电制热制冷片热端的热量。

在进入热交换器之前,两侧风道由一层铝板分隔并保证互不掺混,利用铝的高导热率,提高一级处理部分的总体的换热效率。在热交换器之后分为2条管道,2条管道之间做保温材料的填充,保证2条管道的温度不相互影响。

装置中新风过滤器采用H12级别HEPA过滤器,该HEPA过滤器对大于等于0.3 μm颗粒的过滤效率在99.9%以上,由此保证引入室内新风的空气质量,也能保护通风管道内的设备。蓄电池组由蓄电池和太阳能充放电控制器组成,白天依靠太阳能电池板为其充电,夜晚或者无阳光的时候靠其为通风管道供电。太阳能充放电控制器用于太阳能发电系统中,控制多路太阳能板对蓄电池充电和蓄电池给负载供电的自动控制设备供电。蓄电池选用 100 A·h 铅酸蓄电池,在夜晚和无阳光时为设备供电。

1.2.3 用户侧内墙

用户侧内墙设置有控制面板与维修口。控制面板保证用户可以方便地对墙体运行进行控制,通过按钮开关控制风机开启关闭,加入单片机设备满足连接智能设备(如手机、电脑)控制风量大小,通过拨动开关调节热电制冷热泵系统制冷、制热和关闭,实现冬季、夏季、春秋季3种不同模式运转。维修口用于进行检修以及设备更换。

1.3 储能部分的设计

按照全国部分城市每日平均日照时间为3.2～5.5 h,输出功率为450 W,太阳能板的实际使用功率约为70%,可得单日实际输出电能为1 008～1 732.5 W·h。

根据选型可得2台风机在60 m3/h风量下功率约为25 W,热电制冷制热片额定制冷功率约为266.7 W,整机耗电功率为291.7 W。故在冬夏开启双级处理时可单日工作时间为3.5～5.9 h。在春秋季只开一级处理时可以全天为室内引入舒适新风。

1.4 样机主体及性能参数

完成所有部分的选型后进行了设备的组装,设备外观见图3,通风管道内部见图4,设备主体及主要构件参数见表2。

图3 设备外观Fig.3 Equipment appearance drawing

图4 通风管道内部Fig.4 Internal drawing of ventilation duct

1.5 实验测量仪器

文中实验所用仪器分别为风速仪和温度数据采集模块。详细参数如表3所示。

表3 实验仪器参数Table 3 Parameters of experimental instrument

2 实验及结果分析

2.1 实验方案及实验场地

利用焓差室进行两室法的实验[17],测试了新风双级处理模块化节能墙在冬季夏季额定性能实验工况下(见表4)及其他工况下的热回收性能。主要测量风道内部新风的温度变化,以评估在额定工况下第1级热交换器和第2级热电制冷热泵系统的新风处理效果。风道部分设置有6个温度传感器进行数据采集,分别检测新风进口温度、新风经过一级处理的温度、新风经过双级处理进入室内的温度、回风进口温度、回风经过一级处理的温度、回风经过双级处理排出室外的温度。

表4 额定性能实验工况Table 4 Test conditions of rated performance ℃

在夏季与冬季不同室内外温度的工况下,测量对新风只进行一级处理和双级处理下的新风出口温度,并对2种情况进行数据分析,对比2种模式下新风机组的热回收性能。

2.2 夏季额定工况60 m3/h风量冷量回收实验分析

图5阐明了新风经过一级处理后的温度始终稳定在30.7 ℃附近。新风经过双级处理后的温度随着时间的增长逐渐下降,在250 s后逐渐趋于稳定,温度在28.6 ℃左右。

图5 夏季室外35 ℃、室内27 ℃时新风温度变化曲线Fig.5 Temperature curve of outdoor air at 35 ℃ and indoor air at 27 ℃ in summer

显热交换效率ηwd的计算公式为

ηwd=(tOA-tSA)/(tOA-tRA)×100%

(9)

式中:tOA为新风进口空气的干球温度,℃;tSA为送风出口空气的干球温度,℃;tRA为回风进口空气的干球温度,℃;ηwd为显热交换效率,以百分数表示。

经计算可得只有新风一级处理时系统显热交换效率ηwd1为

ηwd1=4.207/7.22=58.2%

当对新风进行双级处理时的显热交换效率ηwd2为

ηwd2=6.259/7.22=86.7%

对比一级处理,双级处理的效率提高了

Δηwd=ηwd2-ηwd1=86.7%-58.2%=28.5%

2.3 冬季额定工况60 m3/h风量热量回收实验分析

图6阐明了新风经过一级处理后的温度始终稳定在12.7 ℃附近。

图6 冬季室外2 ℃、室内21 ℃时新风温度变化曲线Fig.6 Temperature curve of outdoor air at 2 ℃ and indoor air at 21 ℃ in winter

图6指出新风经过双级处理后的温度随着时间的增长逐渐上升,在450 s后逐渐趋于稳定,温度在17.2 ℃左右。

经计算可得只有新风一级处理时系统显热交换效率ηwd1为

ηwd1=9.942/18.866=52.7%

当对新风进行双级处理时的显热交换效率ηwd2为

ηwd2=14.9/18.866=79%

对比一级处理,双级处理的效率提高了

Δηwd=ηwd1-ηwd2=79%-52.7%=26.3%

2.4 夏季其他工况下60 m3/h风量冷量回收实验分析

图7、8、9分别为夏季室外32、37、40 ℃下风量60 m3/h时的新风温度变化曲线。从图7、8、9得出在250 s后,经过双级处理后的新风温度趋于稳定。

图7 夏季室外32 ℃、室内27 ℃时新风温度变化曲线Fig.7 Temperature curve of outdoor air at 32 ℃ and indoor air at 27 ℃ in summer

图8 夏季室外37 ℃、室内28 ℃时新风温度变化曲线Fig.8 Temperature curve of outdoor air at 37 ℃ and indoor air at 28 ℃ in summer

图9 夏季室外40 ℃、室内28 ℃时新风温度变化曲线Fig.9 Temperature curve of outdoor air at 40 ℃ and indoor air at 28 ℃ in summer

从图7、8、9中还可以得出与一级处理相比,双级处理无论在极端工况下还是在普通工况下都有效地提升了换热效率。

2.5 实验结果分析

前文所述实验各温度工况总结为表5。表6为实验所得数据与理论计算数据对比。理论计算设计工况是根据夏季平均工况所得,实际工况与理论工况不同,故结果存在一定的差距。

表5 各温度工况说明Table 5 Description of each temperature condition ℃

表6 实验数据与理论计算数据对比Table 6 Comparison between experimental data and theoretical calculation data ℃

表6的数据表明,夏季制冷工况下理论结果与实际平均结果差距较小,而冬季工况的实验结果与理论结果有一定差距。分析原因为环境温度较低导致热电制冷片有一定的热量损失。综合实验结果,由于本装置零能耗,且对新风有一定的热回收作用,起到良好的节能减排的作用。

表7为各温度工况下双级处理效率情况。实验研究表明,在新风风量为60 m3/h时,夏季额定工况下显热交换效率可达86.7%,冬季额定工况下的显热交换效率可达79.0%。从夏季工况数据中可以看出,当天气越极端时双级热交换效率越低,但只要天气不过于极端,双级处理都可以保障良好的热回收效率。

表7 各温度工况下双级处理效率情况Table 7 Two-stage treatment efficiency under different temperatures

由表7可得夏、冬季工况下双级处理的显热交换效率在67.2%～86.7%。对比一级处理,双级处理效率提升12.9%～28.5%。由此表明加入第2级热电制冷热泵系统对新风进行双级处理有良好的深度热回收效果。在室内室外温差较大时存在热交换效率有所降低的问题,是由于夏季室外温度较高时,不利于热电制冷片散热,从而使热电制冷片温度冷端温度偏高,使得第2级热交换效率降低。

表8为各温度工况下各级换热量分析,其中第1级处理换热量为Q1(热交换器换热量),第2级处理换热量为Q2(热电制冷制热量)。换热量计算式为

表8 各温度工况下各级换热量分析Table 8 Analysis of heat exchange at all levels under various temperatures kJ

Q=cpmΔT

(8)

(9)

表9为结合双级排风温度分析计算得到的热电制冷(制热)材料效率。通过计算可知,在夏季制冷工况下热电材料的制冷效率最高为24.6%,冬季制热工况下热电材料的制热效率为24.1%。

表9 热电材料制冷(制热)效率Table 9 Cooling (heating) efficiency of thermoelectric materials %

3 可行性与经济性分析

3.1 可行性分析

本项目通过对新风的双级处理,进一步减小新风与室内环境温差。对现在一般的新风设备进行了改进,并使之适应装配化的建筑行业工业化趋势。本设计具有模块化特点,出厂时直接做好,根据房间的大小选择装配数量,根据建筑地理位置与户型选择装配方向,与建筑一体化生产,故有较为可观的市场前景。对于非装配式建筑的应用需在装修前做好相关计划或者单独将热电制冷热泵系统与吊装新风机组进行结合使用。

目前该设备单体可应用于两人活动的约20 m2的空调房间,平均每日可工作4～6 h,新风风量约为每小时不小于60 m3,夏季制冷工况下,送风温度为28～31 ℃。冬季制热工况下,送风温度在12～20 ℃。假定在夏季及冬季工况下与房间空调器共同使用,由于新风耗能约占空调设备耗能40%,根据显热交换效率,由公式

η=ηwd×40%=34.7%

(10)

计算可得,本项目约可减少空调设备耗能η的34.7%。

冬季制热工况下,研究表明[18]当显热热回收装置回收效率达到70%时, 就可以使供暖能耗降低40%～50%。本设计在冬季工况下的显热交换效率可达79.0%,高于70%。由此可说明本项目在冬季供暖地区大力推广将获得良好的节能减排效果。