太陽能空調(diào)在長沙市某綜合樓的技術(shù)應用

中建科技集團有限公司 ■ 王魯瑩 薛世偉 沈亮 張瑜 蔡哲

0 引言

太陽能空調(diào)作為目前較為成熟的太陽能制冷技術(shù)，其最大的優(yōu)點在于良好的季節(jié)匹配性，經(jīng)過40多年的研究應用，其目前已進入實用化示范階段[1-3]。李忠等[4]為海南某高校圖書館設(shè)計安裝了316 kW的太陽能單效吸收式空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)使用電制冷輔助，實際運行數(shù)據(jù)表明，該套系統(tǒng)平均日運行時間為5 h。上海交通大學與日出東方共建了黑腔中溫集熱器驅(qū)動的雙效吸收式太陽能空調(diào)系統(tǒng)，此高效黑腔中溫集熱器在集熱溫度為150 ℃時的集熱效率為0.45，其與太陽能空調(diào)的有機結(jié)合使系統(tǒng)的性能指數(shù)得到了有效提高[5]。

本文以長沙市某工廠綜合樓的太陽能空調(diào)項目為例。該綜合樓的設(shè)計定位為裝配式被動式超低能耗建筑，本項目將為該綜合樓制冷/供熱，以及提供生活熱水，設(shè)計方案可為太陽能空調(diào)在太陽能資源III類地區(qū)的適用建筑中的推廣提供依據(jù)。

1 項目簡介

本太陽能空調(diào)項目位于湖南省長沙市寧鄉(xiāng)縣，服務對象為：A配樓，主體3層，建筑面積為2283.45 m2，使用功能為辦公；C配樓，主體3層，建筑面積為1884.64 m2，使用功能為職工宿舍。太陽能空調(diào)系統(tǒng)負責為A配樓制冷/供熱，為C配樓供熱及提供生活熱水。系統(tǒng)的峰值總冷負荷為72.16 kW，峰值總熱負荷為90.52 kW，熱水負荷為105 kW。

根據(jù)被動式超低能耗綠色建筑示范工程的申報要求，系統(tǒng)的可再生能源利用率需要達到40%以上。目前，項目已竣工并投入使用。

2 方案選擇及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 空調(diào)方案選擇

本項目中的辦公樓為被動式超低能耗建筑，在能源利用上，使用可再生能源是必然的選擇。項目所在地周圍無地表徑流，所以不考慮水源熱泵形式。經(jīng)模擬計算發(fā)現(xiàn)，若全部使用地源熱泵制冷/供熱將無法滿足超低能耗建筑的能耗指標要求；而太陽能空調(diào)利用太陽能集熱器收集太陽能產(chǎn)生高溫熱水，繼而在夏季驅(qū)動吸收式制冷機制冷，在冬季直接供熱，系統(tǒng)一次能源消耗量較低，可滿足超低能耗建筑的能耗指標要求。

2.2 輔助能源的選擇和蓄熱

太陽能的缺點是不穩(wěn)定、非連續(xù)，因此輔助能源的選擇對太陽能系統(tǒng)的功能保障及最終的節(jié)能效果至關(guān)重要。綜合樓位于長沙某預制構(gòu)件廠內(nèi)，構(gòu)件養(yǎng)護工序會產(chǎn)生120 ℃左右的廢蒸汽，為了合理利用資源，最大限度地節(jié)約費用，本項目最終采用以廢蒸汽作為輔助能源的技術(shù)方案。

本項目設(shè)置了1個容積為9 m3的蓄熱水箱，在設(shè)計時通過控制水箱高度并優(yōu)化水箱進出口管所在位置的高度來避免混水現(xiàn)象的發(fā)生，同時保證換熱效率[6-7]。蓄熱水箱的設(shè)計容積既可以保證吸收式制冷機組在啟動后有較長時間的熱水供應，避免機組頻繁啟停；又可以保證其在兩次運行的間隔有足夠的空間儲存太陽能熱水，避免浪費。

2.3 太陽能集熱器的選擇及面積確定

太陽能集熱器是吸收太陽能量并將熱能傳遞至傳熱工質(zhì)的一種裝置，是太陽能空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能和成本對系統(tǒng)起著決定性作用。目前，太陽能空調(diào)系統(tǒng)可使用中溫集熱器(80～250 ℃)或低溫集熱器(≤80 ℃)。中溫集熱器成本較高，多用于示范工程及商業(yè)化較好的項目；低溫集熱器主要分為平板型集熱器和真空管型集熱器。平板型集熱器不易損壞，但吸熱板隨著溫度的升高不可避免地會向四周散熱，且散熱面積大、形式廣，熱量損失較大[8]。真空管型集熱器熱對流損失小，部分型號應用了選擇性涂層，能防止輻射熱損失，因此不必進行跟蹤和聚光，就可達到較高的集熱溫度；真空管型集熱器分為全玻璃型、熱管型、U型管型等。由于本項目中的太陽能空調(diào)主機采用國外先進設(shè)備，較低的溫度即可驅(qū)動機組制冷，因而在綜合考慮集熱效率、安全性、可操作性和造價等多方面因素后，本項目選擇U型管真空管型集熱器。

通過考察多家太陽能集熱器生產(chǎn)廠商并研究其產(chǎn)品的瞬時效率曲線后發(fā)現(xiàn)，國家標準規(guī)定的集熱器瞬時效率曲線中的橫坐標基于進口溫度的歸一化溫差的范圍是0～0.10，在這個范圍內(nèi)，各個廠家的集熱器性能表現(xiàn)差異不大，瞬時效率均可達到0.70以上。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，在太陽能資源III類地區(qū)，由于日照條件不同，集熱器瞬時效率曲線中的橫坐標基于出口溫度的歸一化溫差的范圍未落在0～0.10這個范圍內(nèi)。根據(jù)式(1)可計算歸一化溫差Ti*為：

式中，ti為工質(zhì)進口溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；G為集熱器采光面上總?cè)蛰椪斩?，W/m2。

同一時段內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)下，根據(jù)能量守恒定律，入射在集熱器上的太陽總輻照量為集熱器輸出的有用能量與向周圍環(huán)境散失的能量之和[9]，即：

式中，QA為同一時段內(nèi)入射在集熱器上的太陽輻照量，W；QU為集熱器在同一時段內(nèi)輸出的有用能量，W；QL為同一時段內(nèi)集熱器對周圍環(huán)境散失的能量，W[9]。

QA的計算式為：

式中，A為集熱器有效集熱面積，m2；UL為具有均勻吸熱體溫度的集熱器總熱損系數(shù)，W/(K·m2)；(τα)e為有效透過—吸收積。

QL的計算式為：

將式(3)、式(4)代入式(2)，可得：

集熱器瞬時效率η的定義式為：

將式(5)代入式(6)，可得：

因此，若UL和(τα)e為常數(shù)，則瞬時效率方程為歸一化溫差T*的一次函數(shù)。

根據(jù)我國氣象局公布的城市氣象資料可以得到，長沙地區(qū)晴天時的總?cè)蛰椪斩葹?37 W/m2，多云時的總?cè)蛰椪斩葹?00 W/m2，陰天時的總?cè)蛰椪斩葹?00 W/m2，工質(zhì)進口溫度與環(huán)境溫度差取0～50 ℃?？紤]3種天氣情況并經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，集熱器瞬時效率曲線的橫坐標基于進口溫度的歸一化溫差的范圍為0～0.50。因此就本太陽能空調(diào)項目而言，需要將考察的集熱器瞬時效率曲線延長至0.50。

先后對5家集熱器生產(chǎn)企業(yè)性能相近的U型管真空管型集熱器進行了研究，此時的瞬時效率-基于進口溫度的歸一化溫差曲線如圖1所示，圖中A、B、C、D、E分別代表5個品牌。

圖1 不同品牌的U型管真空管型集熱器瞬時效率－基于出口溫度的歸一化溫差曲線對比圖

從圖1中可以看出，相比于橫坐標在0～0.10范圍內(nèi)，當橫坐標在0～0.50時，各廠家集熱器的瞬時效率差異明顯變大。對比各集熱器性能，并結(jié)合長沙地區(qū)晴天、多云、陰天等天氣多變的特點，應選擇圖1中斜率較小的A品牌或C品牌。通過進一步對比2種集熱器的市場價格后，最終選擇了C品牌。

本項目需要考慮的涉及太陽能集熱器面積的因素包括：1)節(jié)能環(huán)保，被動房設(shè)計要求太陽能保證率達到40%；2)經(jīng)濟性，以較低的初投資獲得最大的運行效益；3)可用屋頂面積，盡量將集熱器集中布置在建筑的屋頂，且靠近機房。

太陽能集熱器總面積的計算公式為[10]：

式中，Ac為集熱器總面積，m2；Q為源端需熱量，kJ；f為太陽能保證率；JT為當?shù)丶療崞骺偯娣e上的統(tǒng)計日太陽輻照量，kJ/(m2·d)，長沙地區(qū)取10.882 MJ/(m2·d)；ηcd為集熱器平均集熱效率，本項目取0.5；ηL為管路及貯水箱熱損失率，本項目取0.2。

根據(jù)太陽能保證率取值不同，設(shè)計了3個方案；分別以式(8)計算不同方案下的集熱器總面積，結(jié)果如表1所示。

表1 太陽能集熱器總面積計算表

本項目的建筑屋頂總面積為606 m2，有效利用面積約為300 m2。根據(jù)表1的結(jié)果，方案1的太陽能保證率和集熱器總面積偏低；方案3的太陽能保證率雖高，但集熱器的初投資過高；因此，綜合考慮太陽能集熱器初投資、屋頂面積和設(shè)備運行費用，最終選擇了方案2。

2.4 運行控制設(shè)計

本系統(tǒng)夏、冬季主要優(yōu)化運行控制策略如圖2所示。

由圖2可知，本方案運行控制的宗旨是最大限度地利用太陽能。晴好天氣時，太陽能空調(diào)系統(tǒng)承擔制冷/供熱及提供生活熱水的功能；陰天多云時，由地源熱泵系統(tǒng)輔助太陽能空調(diào)系統(tǒng)；極端惡劣天氣或極端惡劣運行工況時，利用工業(yè)廢蒸汽驅(qū)動太陽能空調(diào)系統(tǒng)。同時，還依托智能系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，及時調(diào)整運行策略，在提供可靠穩(wěn)定的供暖和制冷服務的同時，最大程度地利用太陽能，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

圖2 本系統(tǒng)夏、冬季工況運行控制策略

2.5 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)于2017年3月完成竣工驗收并開始運行，2017～2018年部分運行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 本系統(tǒng)全年運行數(shù)據(jù)表(用熱量表測量)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以計算得到，太陽能空調(diào)系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率=(太陽能制冷量+太陽能制熱量)/太陽能年總輻照量=61.24%；熱泵系統(tǒng)COP均按3.0計算，太陽能折算耗電量(對比熱泵系統(tǒng))=(太陽能制冷量+太陽能制熱量)/COP熱泵=19371 kWh。

2.6 經(jīng)濟分析

市場調(diào)研結(jié)果表明，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的初投資為60萬元，主要設(shè)備及施工投資如表3所示。

表3 設(shè)備及施工投資一覽表

從表3中可以看出，集熱器、制冷機組合計占比約為系統(tǒng)總投資的80%?？梢?，系統(tǒng)的經(jīng)濟因素可以通過上述設(shè)備的總價進行初步估計，降低成本和提高產(chǎn)品性能是經(jīng)濟因素的發(fā)展方向。

根據(jù)表2可計算得到系統(tǒng)的年運行費用，具體如表4所示。

表4 系統(tǒng)的年運行費用表

由表4可知，在該項目中，相比于同等規(guī)模的熱泵系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)每年可節(jié)約運行費用26150.85元。預估同等規(guī)模的熱泵系統(tǒng)總造價為40萬元，結(jié)合表3分析，該系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期為7.6年。

截至目前，對于小型太陽能空調(diào)系統(tǒng)的應用評價應仍從環(huán)境效益和可再生能源利用率的角度進行分析，在降低設(shè)備成本方面仍有很大的發(fā)展空間。

3 太陽能空調(diào)適用性評價指標體系的建立

由于太陽能資源分布的不均勻性，以及地區(qū)氣候條件、政治條件和經(jīng)濟條件存在差異，建立評價指標體系有助于工程人員分析太陽能空調(diào)的適用性。

評價指標體系是指由表征評價對象各方面特性及其相互聯(lián)系的多個指標所構(gòu)成的具有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的有機整體[11]。使用評價指標體系可以明確、清晰地羅列出與評價對象相關(guān)的因素，同時可以運用評價指標迅速、準確地評價新項目的適用性。

根據(jù)項目工程實際經(jīng)驗，本文提出的評價體系指標組成為：自然屬性指標、經(jīng)濟屬性指標、政策屬性指標和項目屬性指標；并使用專家打分法確定各指標的權(quán)重。具體評價指標體系和各評價指標的權(quán)重如圖3、表5所示。

圖3 太陽能空調(diào)適用性評價指標體系

表5 各評價指標的權(quán)重表

通過專家打分法，本項目各項指標的得分如表6所示。

表6 本項目各項指標得分表

4 結(jié)語與建議

本文通過在夏熱冬冷的太陽能資源III類地區(qū)進行太陽能空調(diào)的設(shè)計及實際運行數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論，并提出應用建議：

1)通過太陽能空調(diào)適用性評價指標體系的運用，部分夏熱冬冷的太陽能資源III類地區(qū)具備太陽能空調(diào)的應用條件。

2)降低溴化鋰吸收式機組的工作溫度是使用低溫太陽能集熱器的必要條件，低溫集熱器能夠有效避免中、高溫集熱器在長期高溫工況下對集熱器本身及其涂層性能所產(chǎn)生的影響，并且有利于系統(tǒng)初投資的降低。

3)源端和末端蓄熱、蓄冷裝置的設(shè)置能夠擴大系統(tǒng)對太陽能的存儲，可有效減少機組的啟停次數(shù)，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可再生能源利用率。

4)在涉及到多種源端供能方式時，控制方案及策略應以能源利用率高、系統(tǒng)穩(wěn)定高效為出發(fā)點，將太陽能空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能高效、綠色高效的特質(zhì)發(fā)揮到極致。