太阳能采暖、制冷工程应用典范

发表于 讨论求助 2020-01-18 07:21:40

摘要:本文分析了当前太阳能光热利用在解决建筑能耗领域的发展现状,共享了大连希奥特阳光能源科技有限公司在实现太阳能联供系统中的成功经验及其可再生能源利用示范工程的相关数据。


关键词:太阳能采暖;太阳能制冷;可再生能源利用;节能减排


能源危机是今后人类生存要面对的一个相当大的课题,若一味燃烧化石能源,不仅地球资源会枯竭,还会有大量的二氧化碳排放,造成地球暖化,这也是近年来极端天气频繁造访地球的主要原因之一。目前雾霾问题日益严重,中国内地每年由于空气污染致使35万人早亡。在北方,冬季取暖燃烧化石燃料的排放物对雾霾的贡献率达到了70-80%。


现阶段,建筑耗能占社会总能耗的40%,若建筑能耗由太阳能提供,即降低了能耗、减少了排放,又减少了百姓的花销,可谓多全齐美。可令人尴尬是自从1985年发明的渐变铝一氮/铝选择性吸收涂层的太阳能真空集热管技术,发展至今已经历了30年之久,但真正对该研发成果的应用只涉及太阳能热水器领域,也就是热水供应。


利用太阳能解决建筑能耗,对于太阳能光热利用行业来说拥有着巨大的市场潜能,但现阶段市场普及情况却差强人意,究其原因还是回到了开篇提到的太阳能行业多年来的“尴尬”,行业内缺少技术交流,热衷于炒作概念;一些企业没有将精力放在研发上,纠结在紧凑型热水器上同室操戈,偶有新意也多是纸上谈兵,所以一直以来太阳能光热利用在解决建筑能耗的领域缺少过硬的技术和产品。如何能可靠地实现太阳能采暖、制冷及生活热水的联供系统是其中关键,只有实现太阳能采暖、制冷才算是开启了太阳能光热利用的新时代!


作为行业新兵的大连希奥特公司从一开始就定位在利用太阳能解决建筑能耗的领域上,经过多年脚踏实地的潜心研究先后获得了多项专利,通过大量的实际应用,获取了难得的宝贵经验。

大连希奥特办公楼太阳能联供系统,建筑面积为:5120㎡,用建筑自身的700m2采光面积实现建筑所需的冬季采暖、夏季制冷、全年热水等需求,还实现了部分光伏发电(并网),为太阳能联供系统,提供动力电源。该联供系统是大连市建委立项的可再生能源利用示范工程,全部采用本公司的专利技术—注水式承压循环全玻璃真空集热管集热模块、电磁感应辅助加热及多腔体分层蓄热系统等,充分发挥其专利技术的优势,实现了冬季采暖及夏季的低品位热源驱动的制冷,已成功的运行了4年,并于2013年4月通过了国家科技成果鉴定。

一、太阳能联供系统环节介绍


特将实现太阳能联供系统的关键环节总结如下:


1高效集热环节(重中之重)


1.1太阳能集热部分的重要性

太阳能建筑一体化的要件:

利用建筑自身的采光面来实现建筑所需的冬季采暖,夏季制冷、全年热水等需求的系统才能称之为“太阳能建筑一体化”系统。

建筑想要与太阳能联供系统结合,建筑设计部门就必须为该系统设计出最大的采光面积和最少的光照阴影的外形结构,否则,太阳能联供系统难以发挥最大作用,但要真正实现太阳能建筑一体化,太阳能集热模块的效率就是最最关键的环节。


1.2传统太阳能集热器介绍


1.2.1传统玻璃真空管集热器优、缺点(如图):

优点a保温性能优异

b独具广源自动跟踪特性

c结构简单

d成本低


缺点a不能提取全部热量

b不能承压循环

c热效率低

d易结垢

e易破碎

图1


1.2.2传统集热器中介质的循环

传统集热器介质循环示意图:

工质在温差循环的作用下由一端进入,将流道中的热水从另一端顶出,但真空管内大量的热水并未提取,这不仅不能满足系统对热量的大量需求,亦使得集热器的集热效率大幅度下降。

图2


注解:1米长流道充水量约10L,可安装12只Ø58mm集热管,若集热管长度为2m(即为2m2),充水量为36L,若循环温差设置为10℃,当进水为40℃,集热管内水温达 50℃时开始循环,循环终止后集热管内的水温为47.826℃,还有78%的热量没有置换出来。这就是当今为什么没有太阳能采暖成功案例的主要原因之一 (横管集热器的集热效率更差。)


1.2.3当今市场广泛在用的传统太阳能集热器 (如图):


1.3太阳能集热器创新介绍

必须通过创新改变传统结构来实现:

A、置换集热管内的全部热量 低温工质在温差循环的作用下由一端进入,并分别注入每一只集热管的底部,将原集热管内的高温介质顶出至出口,实现了热量近乎100%的置换。

B、承压循环——以适应南立面墙静水压的需求

C、要有便于维护的蹬踏结构 ——便于维护人员维修更换部件

D、便于安装的模块化结构 ——用美观的外形提升建筑的现代感,至少要有20年以上的寿命。

E、尽量缩小流道的表面积 ——以降低流道对热量的散失。

F、要有足够多的介质容量——即所谓“有容乃大”

例如:0.5吨(如图6平板集热器正好为1000m2)50℃的水与蓄热水箱30吨40℃的水进行热量交换时,一次温差循环蓄热水箱的水温只升高0.16℃,在有限光照时间内达到蓄热水箱的蓄热温度。此种情形也包括U形管集热器。这也就是当今平板集热器不能实现太阳能采暖的主要原因之一。若23吨(如图4集热器为1000m2)50℃的水与蓄热水箱30吨40℃的水进行热量交换,那么一次循环蓄热水箱的水温可升高4.3℃。那么数次温差循环即可满足供暖需求。

G、太阳能采暖规范或规程要做相应的修改(单位面积流量偏低)

注:若按规程流量循环,23L集热器全部热量提取需要时间是66~ 30分钟,循环需30分钟,集热时间也至少需要30分钟,从日出到日落能有几次温差循环呢?故在有效光照时间内蓄热水箱无法达到所需要温度值,针对新型、高效率集热器,此规程应做相应的修改。这也是当今一直未能实现太阳能采暖的主要原因之一。

图3液态工质集热/空气集热两用模块

图4

图5

图6

H、玻璃真空管集热器具有广源跟踪特性

因源自动跟踪特性,玻璃真空管集热器具是目前有效集热时间最长的集热部件

横向玻璃管集热器光照模拟:有效集热时间约是竖向玻璃管集热器的3/5


平板集热器光照模拟:因无广源自动跟踪特性,故有效集热时间只有竖向玻璃集热管的1/4左右。这也是当今一直未能实现太阳能采暖的主要原因之一。(当然,冬季热平衡温度过低是最主要原因)


2分层蓄热环节

要实现智能温控导流,所有进、出口都要安装散流器、汇流器,并在满足设计流量的前提下将流速控制在0.06m/s以内,以减轻工质对分层的扰动,确保工质分层效果不受到破坏。


3辅助加热环节

要确保高效率、长寿命,实现水电分离,热启动要快,便于智能化控制,能够分时段、分季节控制加热启动,不做无用功。且要易于除垢及维护保养。

4工质传热环节

要合理设计管道口径,保障工质在额定流量下低流速循环,管道尽可能采用同程布置,以获取每一片集热器的全部热量,所谓“低水高气”的管道坡度必须做到精准,并设置排气阀,减少工质循环过程中的气阻。


5采暖、制冷环节


5.1冬季采暖:

在任何时刻系统都要确保室温控制在设定温度范围内。要有经济模式和舒适模式,以适应不同群体对室温的要求。供热末端地热盘管是太阳能系统最佳的搭档,它与蓄热水箱构成了联合蓄热体,利用地面的热惯性保持室温恒定,同时地面的热惯性也给蓄热水箱分时段蓄热提供了间歇的时间(如:维持到谷区时段加热或白天的光照)。合理设置蓄热上限温度是关键环节。





5.2夏季制冷:

由于太阳能系统配置是按照非常苛刻的冬季采暖工况下(太阳能与供暖非匹配)设计的,在夏季会有过剩的太阳热,若不能很好地利用或控制,将给整个系统带来隐患。热吸收式溴化锂制冷机组恰恰找到了用武之地。但必须是低品位热源的专用机组。 (75~70℃)



6热量平衡环节

要确保太阳能联供系统四季平稳可靠运行, 不能出现异常过温情形发生。 由于本联供系统的夏季制冷,7、8月份不存在系统过热的情形。但在5、6、9、10月份会出现过热,但由于本系统特殊的电磁感应加热结构,确保了系统无过温发生,即将保温装饰板打开,共36只电磁加热管形成虹吸散热。


7保温防冻环节

要尽可能采用新型保温材料,保温层的厚度要足够厚,以减少热量散失。


在冬季建议采用循环防冻,要将防冻回水通过温控导流器送至蓄热水箱低温层面。否则,将导致高温层面介质温度的降低。


由于电伴热带是由高分子聚合物(聚烯烃)制成,故寿命很低,而且具有正温度特性,故冷态启动电流相当大,可能造成配电系统异常。电伴热带在铺设时易受压力冲击,很容易破坏内部的材质结构,如果材质已经发生了变化,不仅大大的影响了它的工作效率还容易引发灾难性后果。


排空防冻方式不能确保介质排静,依然可能冻坏个别部件,还有,当系统恢复循环时,管道内大量的空气一时难以排出,整个系统很难恢复正常。


建议防冻措施要慎用电伴热及排空方式。



8智能控制环节

控制系统是大脑,是中枢神经,它贯穿着系统设计人对太阳能的理解与领悟的深度,涵盖了科学的、严谨的理念, 决定着能否实现初期设计的设定目标。它掌控着太阳能联供系统一年四季的高效、安全、可靠的运行状态。


系统必须实现远程智能监控, 在地球的任何角落都能看到你想要的数据。而且要多点传感检测,要有对太阳的感知,并能自动判别状态的真伪。能编制全年的运行计划,启用冬令时、夏令时,实行可变温差的集热循环,以提高集热效率,并能分时段的启动和控制辅助能源,做好能量消耗的统计,遵循室温至上、太阳能优先、辅助保底原则, 时时刻刻再现和控制系统运行的状态。让用户安心,让系统配套商放心。


二、太阳能联供系统专业报告


三、经济效益评估报告

项目全年运行不同热源经济效益对比表

大连希奥特5120 m2建筑全年运行不同热源经济效益对比(以0.7MW锅炉理论计算为例)

结论:只有实现以上所有的关键环节后才能确保整个太阳能联供系统平稳、高效的运行。


四、太阳能联供系统相关荣誉介绍

在大连希奥特联供系统示范工程竣工庆典上,到会专家在参观后感慨地说“大连希奥特太阳能示范工程创造了“三个第一”,在北方这么大的采暖面积(5120㎡)创造了第一;应用项目这么全的(采暖-制冷-热水)创造了第一;利用太阳能的低温热水产生制冷(60~80℃)创造了第一”。

申报科技成果过程资料

通过4年来的实时数据统计该示范工程达到以下指标:室内温度:18-20℃(冬) 25-26℃(夏);日供热水(45℃):5.6吨;太阳能保证率:72.1%,时年消耗辅助能源费用为7.1万元左右(相比传统能源节省27万元左右),可减少二氧化碳排放量:210吨/年。


当今的空气环境污很大一部分是由传统的供暖方式产生的,身为太阳能的创业者们要有使命感和紧迫感,太阳能系统的技术瓶颈还很多,需要走的路还很长,需要几代人去探索、创造。


来源:中国太阳能产业资讯网


“太阳能光热”能干啥用?

1.太阳能与建筑结合应用;

2.太阳能采暖、制冷、热水综合联供应用;

3.太阳能工业热力应用;

4.太阳能农、牧、渔业应用;

5.太阳能海水淡化应用;

6.太阳能干燥应用;

7.太阳能饮用开水应用;

8.太阳能生活热水应用;

9.太阳能中高温蒸汽、热电应用;

10.太阳能其他综合应用。

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