太阳能空调/热泵系统在太阳能建筑示范工程中的应用

0引言
　　随着经济发展和人民生活水平的提高，空调和采暖能耗在我国建筑能耗中的比重大幅度地提高，逐步发展成为建筑能耗中的一个主要部分，给能源和环境带来更大的压力。而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源，用太阳能补充常规能源驱动空调和采暖系统对于节能和环保都具有十分重要的意义。
　　“天普新能源示范大楼” 的立项就是为了探索建筑上综合利用新能源的经验，该项目得到了科技部和中国科学院的支持。大型太阳能空调／热泵系统则是该大楼的主要供能系统。本文对太阳能空调／热泵系统作详细描述，并分析系统在运行中的部分数据，以便总结经验，为推广应用打下基础。
　　1太阳能空调／热泵系统详述
　　1．1系统工作原理
　　新能源示范大楼总建筑面积 8000 m2。该楼主体建筑于2002年8月基本建成，2003年底通过验收，现已完成并投入运行。
　　本系统的目标是为满足天普新能源示范大楼夏季空调、冬季供暖的需求，系统主要由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷机、热泵机组、蓄能水池和自动控制系统等几大部分组成。
　　
　　系统工作原理如图1所示。建筑采暖、空调期间，均优先利用太阳能为储能水池蓄能。冬季通过板式换热器将集热系统收集的热量交换给蓄能水池，达到蓄热的目的；夏季吸收式制冷机以太阳能集热系统收集的热水为热源，制造冷冻水，作为储能水池的冷源。
　　热泵作为太阳能空调的辅助系统。冬季，当水池温度低于33°C或者处于用电低谷期（ 每晚 22：00时－次日 7：00 时），热泵启动，向蓄能水池供热；夏季，当太阳能制冷无法维持水池温度 18°C时，热泵则向蓄能水池供冷，保持水池的温度。
　　过渡季节系统仅启动太阳能部分制冷、制热，并在不同的过渡季节选用不同的工作模式。春季，系统在蓄冷模式下工作，吸收式制冷机向蓄能水池提供冷冻水，降低蓄能水池的温度为夏季供冷做准备；秋季，系统转换成蓄热模式，太阳能集热系统向蓄能水池供热，提高水池的温度为冬季供暖做准备。
　　不论冬季还是夏季，空调水系统的热水和冷冻水均由蓄能水池供给。冬季，室内温度低于 18°C时大楼供能泵开启，水池向大楼供暖，当室内温度高于20°C，供能泵关闭；夏季，室内温度高于27°C时大楼供能泵开启，水池向大楼供冷，当室内温度低于23°C，供能泵关闭。建筑全年采用自然通风。
　　1．2系统详述
　　
　　集热系统总采光面积812m2 ，集热器由热管式真空管和Ｕ 型管式真空管组成。考虑到与建筑一体化问题，集热器在安装前被预制成不同的模块，Ｕ型管集热器和热管集热器由φ58×1800的真空管 分别预 制成 4000×1200mm2和2000×2400 mm2的安装模块。经过建筑部门和设计人员的精心设计，热管式集热器布置在新能源示范大楼东楼的南向坡屋顶， 型管集热器安装在新能源示范大楼西楼的南向坡屋顶 Ｕ及机房的南坡屋顶（如图2所示），各排集热器并联连接，安装倾角同北京的纬度相近，38度左右。这样布置集热器不仅可以满足集热器的安装要求，又能够保证建筑物造型美观，充分体现出太阳能与建筑一体化的特色。在夏季，与建筑结合为一体的集热器还有隔热效果，同时达到节能目的。
　　由于太阳能本身能量密度低，受时间、天气等条件限制，要使空调系统能够全天候的工作，辅助系统是必不可少的。本系统采用了一台地源热泵机组作为辅助系统。
　　冷却水系统摒弃了常规使用的冷却塔，利用距离机房不远处一水景水池作为冷却水的来源，冷却水在水池和机组之间循环。这样不仅节省了冷却塔的费用，而且与建筑和环境协调。
　　自动控制系统主要由传感器，可编程控制器（PLC）及工业控制微机3部分组成，分为自动和手动两个控制模式。为了符合各个季节系统运行的特点，自动控制模式又分为供冷、蓄冷、供热、蓄热、空挡五个运行工况。并且控制系统支持远程监控，可以通过网络从异地监视系统运行和改变操作指令，将网络等高科技引入了控制系统之中。
　　为了最大限度地利用太阳能，同时根据建筑空调的特点，系统设置了储能水池。本系统配置的储能水池比通常太阳能系统的储水箱容积要大得多，有1200m3，这是本系统设计的一大特点。蓄能水池的大容积，保证水池所蓄能量可完全满足建筑的需要；同时在建筑不需要空调的过渡季节，水池可提前蓄冷、蓄热为空调季节做准备。由于蓄能水池对太阳能的储蓄中转，集热器全年工作，利用率大大提高。蓄能水池设置在地下，传热温差远远小于与环境的温差，有利于减少储能的损失。
　　2 太阳能生活热水系统
　　大楼生活热水系统采用独立的太阳能热水系统，这样可以避免生活热水系统与空调水系统之间的切换，降低系统复杂程度。太阳能生活热水系统的储热式全玻璃真空管集热模块安装在建筑物南立面，模块在安装过程中取消常规的框架，水箱，与建筑融为一体，同时起到建筑物南立面隔热保温效果。建筑南立面共安装48个集热模块，总采光面积 206 m2 。
　　3 冬季供暖系统分析
　　3．1 冬季供暖测试数据及分析
　　采集了2004.1.1～2004.3.15的运行数据，以下列举部分数据进行分析。
　　2004.1.1～2004.3.15太阳能集热系统工作443.5小时，向地下蓄能水池储蓄能量32761.9kWh，热泵工作675h，蓄热299025 kWh。根据热泵的工作原理，可以计算得到，热泵从废热（车间冷却水）中提取能量227475 kWh，则系统利用太阳能和废热共蓄热260237.9，新能源在供暖中的比例为0.784。
　　
　　通过表1计 算得到，2004.1.1～2004.3.15系统共蓄热331787.9 kWh，消耗电能93644.5 kWh，热泵的输出对象是地下蓄能水池，所以热泵不用考虑变工况，热泵几乎都是在满负荷的条件下运行，发挥了热泵的最大效能，这和当今大多数空调机组以较低的负荷率运转相比，本身就是一种节能。虽然进入热泵冷凝器的水温有所变化，但是这对热泵的能效比并没有太大的影响，热泵的 ＥＥＲ 都可以保持在一个较高的水平。图3显示了2004.1.1～2004.3.15连续最冷7天的室内外温度对比，从图中我们可以看到，当环境温度低且有波动时，室内温度在20°C～22°C之间变化，室内温度和温度变化幅度符合设计标准，表明本系统完全可以满足建筑采暖的温度和舒适度要求。

　　
　　3.2 环境效益分析
　　分别对空调采用的几种常用的典型热源方案，即燃煤锅炉系统、燃油锅炉系统、天然气锅炉系统和太阳能空调／热泵系统进行比较，燃煤锅炉选用普通燃煤（燃料热值：２０．９ＭＪ／ｋｇ ）， 燃 油 锅 炉 以 ０＃ 柴 油 为 燃 料（ 燃 料 热 值 ：４２ＭＪ／ｋｇ ）。燃煤锅炉和燃油锅炉的效率分别取 ０．５８ 和 ０．８８。天然气锅炉效率 ０．８８，鉴于天然气热值有一定波动范围，本文取值 ４９．５ＭＪ／ｋｇ。
　　
　　各种方案单位面积采暖燃料燃烧产生的 ＣＯ２ 数量见图４。从图 ４中我们可以看出，煤燃烧释放出的 ＣＯ２ 最多，其次是柴油和天然气，太阳能系统污染排放量为零。太阳能空调热泵系统的运行仅仅使用电能，而其他几种方案除需电能外均要产生 ＣＯ２ 等温室气体，尤其是燃煤锅炉产生的氮、硫化物的污染也是不容忽视的。
　　可见用太阳能空调热泵采暖避免了燃料燃烧对大气的污染以及所产生的温室效应，其环保优势是其他几种方案所不能比拟的。
　　４ 结论
　　系统主要有以下特点：（１）将集热器预制成安装模块，实现与建筑的良好结合；（２） 利用地源热泵作为太阳能空调的辅助系统，简化了太阳能空调系统的构成，增加了太阳能空调系统的可靠性；（３）系统设置大容积地下蓄能水池，使太阳能系统全年工作成为现实，同时降低了蓄能的损失；（４）新能源利用率高，具有较强的节能优越性。在采暖季节，利用太阳能和废热的蓄热量接近总蓄热量的 ８０％ ，能耗比达到 ３．５４（５）；环境效益明显。通过与利用常规能源的采暖系统比较，具有污染排放物少等环保优势。综上所述太阳能采暖 ／ 空调系统在节能、环境安全等方面都具有优势和潜力，随着各方面技术的进一步成熟，太阳能采暖 ／ 空调系统会逐步进入实用化和商业化，成为广大暖通设计人员的另一选择。