太陽能、燃?xì)庀到y(tǒng)與大空間結(jié)合建立節(jié)能建筑的研究
摘要：本文對典型大空間的用能進(jìn)行分析并提出將太陽能綜合利用系統(tǒng)與建筑結(jié)合，即夏季通過太陽能制冷系統(tǒng)向建筑提供冷量而在冬季提供熱量，燃?xì)庀到y(tǒng)在冬季供熱負(fù)荷不足的情況下采用潔凈燃燒技術(shù)向建筑提供調(diào)峰熱負(fù)荷。該太陽能以及燃?xì)夤┠芟到y(tǒng)可以適用于城市內(nèi)大型的體育場館、大賣場、購物中心、醫(yī)院、以及賓館的綜合節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)與大空間結(jié)合在減少整體建筑熱負(fù)荷的同時(shí)，增強(qiáng)了建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果，并且在不同的季節(jié)可以向建筑提供不同形式的能量，并且一年四季均可向大空間提供生活熱水，建立了綠色節(jié)能建筑供能體系。
0.前言
隨著人們生活水平的提高，城市內(nèi)大空間建筑越來越多的出現(xiàn)在不同的地方，典型大空間建筑主要包括體育館所、大賣場、購物中心以及具有跳層的復(fù)式建筑等，這些建筑通常具有耗能比較大并且座落于城市的中心區(qū)域，隨著人們對空調(diào)房間內(nèi)空氣品質(zhì)以及環(huán)境舒適度的要求提高，向這樣的建筑供能并減少對周圍環(huán)境的影響以及對電力的依賴逐漸的引起了各方面的重視和關(guān)注。
太陽能與建筑的結(jié)合是目前國際上很關(guān)注的研究，利用太陽能向建筑供能建造綠色建筑成為各個(gè)學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的熱點(diǎn)，X.U. Zhai利用太陽能復(fù)合能量系統(tǒng)建造了綠色建筑，在具有150m2的集熱面積情況下，該復(fù)合系統(tǒng)可以在夏季提供15kW的冷量，而在冬季提供25.04kW熱量。C. Filippin在阿根廷中部建造低能量消耗的建筑并對其用能測算，降低建筑能耗約25%，為節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Hans Schnitzer通過利用太陽能減少溫室氣體的排放，減少燃燒化石能源對環(huán)境的沖擊，并將其系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)中。王昕對建筑大空間的室內(nèi)熱環(huán)境的壁溫和室溫用CFD進(jìn)行求解，并分析了不同位置開口的大空間室內(nèi)熱環(huán)境，溫度場和速度場計(jì)算結(jié)果與實(shí)測吻合較好，提供了較為準(zhǔn)確的大空間熱負(fù)荷。黃晨對大空間室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測并對其能耗進(jìn)行分析，為空調(diào)設(shè)計(jì)以及室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。
本文所研究的大空間太陽能燃?xì)夤┠芫C合系統(tǒng)是在以上研究的基礎(chǔ)上提出的，其主要解決的問題是建筑的節(jié)能和合理用能，減少對化石能源以及電力能源的消耗，建立對環(huán)境友好的綠色節(jié)能建筑。
1.大空間建筑概況
本文所研究的建筑為上海理工大學(xué)室內(nèi)體育館的乒乓球館，該館位于上海理工大學(xué)軍工路校區(qū)東南角，比鄰學(xué)校的室內(nèi)籃球場和游泳池，具有良好的科研以及工程示范作用。該館平面建筑面積將近300m2，建筑高度為6m，建筑中心最大高度為8.75m，該館的大空間送風(fēng)系統(tǒng)研究目前正在承擔(dān)國家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目支持，本文所研究的是將太陽能、燃?xì)庀到y(tǒng)該建筑結(jié)合建立綠色節(jié)能建筑的。
該乒乓球館工作狀況下空調(diào)設(shè)計(jì)基本參數(shù)(舒適性標(biāo)準(zhǔn))為：夏季:干球溫度：25℃，相對濕度：55%;冬季：干球溫度18℃，相對濕度50%，其工作風(fēng)區(qū)的風(fēng)速為小于0.3m/s。在上海地區(qū)滿足該基本參數(shù)空調(diào)系統(tǒng)的主要負(fù)荷為：夏季系統(tǒng)冷量65 kW，冬季系統(tǒng)補(bǔ)充電加熱量22.5 kW，整個(gè)系統(tǒng)的用電量約為59 kW。
該乒乓館空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)形式：風(fēng)冷冷熱水機(jī)組與立式空調(diào)箱，采用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，空氣集中處理。室外新風(fēng)經(jīng)初效過濾器過濾，與系統(tǒng)的回風(fēng)混合(在機(jī)房內(nèi)相當(dāng)于靜壓箱)，夏季經(jīng)表冷器冷卻降溫去濕，電加熱再加熱(實(shí)驗(yàn)工況要求),冬季經(jīng)過熱盤管加熱升溫和電極加濕器加濕，由送風(fēng)機(jī)增壓，處理好的空氣從室內(nèi)空調(diào)機(jī)組的噴口或其他末端設(shè)備送出。
2.太陽能系統(tǒng)與大空間的結(jié)合
太陽能綜合能量系統(tǒng)主要包括太陽能制冷系統(tǒng)與建筑的結(jié)合、分離式太陽能集熱器與建筑結(jié)合、太陽能光伏系統(tǒng)向建筑的供能三大部分。該復(fù)合太陽能利用系統(tǒng)主要功能是：
1) 主動式向建筑供能，夏季，太陽能制冷系統(tǒng)向大空間提供冷量(夏季)和熱水;冬季向大空間提供熱量或者生活熱水;
2) 被動式節(jié)能，即太陽能集熱系統(tǒng)對建筑本身維護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能維護(hù)，主要從兩個(gè)典型季節(jié)，即夏季集熱系統(tǒng)對建筑結(jié)構(gòu)減少輻射量，以及冬季減少對流散熱，以及各個(gè)換熱量的綜合影響;
3) 利用光伏系統(tǒng)減少大空間對電力的使用和依賴，通過該系統(tǒng)的建立，解決大空間部分照明系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)的電力負(fù)荷，即在突發(fā)狀態(tài)下依然保持適當(dāng)照明和通風(fēng)安全。
基于大空間整體用能峰值約為65kW左右，利用太陽能無法滿足其全部的用能要求，利用太陽能制冷系統(tǒng)只是作為一種能量的補(bǔ)充，太陽能集熱系統(tǒng)可以為大空間提供熱水和部分熱負(fù)荷;太陽能光伏系統(tǒng)可以建立一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，可以為夜間照明或者應(yīng)急系統(tǒng)提供電能。整個(gè)系統(tǒng)采用太陽能集熱以及制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)主要材料為高硼硅玻璃，工質(zhì)對為沸石-水，即使遭受外力打擊損壞，其不會污染環(huán)境也不會造成傷害。太陽能光伏系統(tǒng)采用的是低壓供電系統(tǒng)，獨(dú)立于市電系統(tǒng)，安全性能較高不會有觸電傷害。太陽能綜合能量系統(tǒng)如圖1所示：本系統(tǒng)是利用太陽能為乒乓館供能實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑樣板由3部分組成，1是分離式集熱器，2是太陽能制冷系統(tǒng)，3是太陽能光伏系統(tǒng)。
3.燃?xì)鉂崈羧紵c大空間的結(jié)合
作為冬季熱負(fù)荷的補(bǔ)充，燃?xì)馇鍧嵢紵到y(tǒng)可以調(diào)節(jié)為乒乓館冬季熱負(fù)荷調(diào)峰，并且可以深入利用燃?xì)馕罩评湎到y(tǒng)提供夏季冷量以及冬季熱源，燃?xì)饪照{(diào)的COP約為1左右，其制冷負(fù)荷下燃?xì)庀牧颗c冬季相當(dāng)，從系統(tǒng)安全、配氣站等方面可以直接使用。燃?xì)庀到y(tǒng)與現(xiàn)有的制冷空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)合如圖2所示，該系統(tǒng)主要包括兩部分，一是配氣間部分，主要包括液化石油氣的汽化、減壓、計(jì)量等;二是燃?xì)夤嵋约盁崴到y(tǒng)。
3.1可行性及安全性分析
利用燃?xì)庾鳛槎緹嵩囱a(bǔ)充，其熱負(fù)荷按照10、20、50kW計(jì)算，燃?xì)饩卟捎玫氖潜趻焓揭夯蜌獠膳癄t，單臺功率28kW，雙臺同時(shí)運(yùn)行，按照每日開機(jī)8小時(shí)，每周工作7天來設(shè)計(jì)液化氣儲存量，其最大儲存為4瓶50kg液化石油氣，該儲存量在設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有消防間距的要求，可以在大空間內(nèi)獨(dú)立的房間即可。
3.2經(jīng)濟(jì)性分析
表1為對液化石油氣、天然氣、城市用電直接加熱的經(jīng)濟(jì)性分析，相比于電力，液化石油氣和天然氣的熱效率要低，折合單位kWh時(shí)的運(yùn)行價(jià)格則天然氣最便宜，其次液化石油氣，電力價(jià)格最貴?？紤]到城市用電容量的限制，使用該燃?xì)庀到y(tǒng)更顯優(yōu)勢。
目前設(shè)計(jì)使用液化石油氣，若管道鋪設(shè)天然氣接通，由于天然氣和液化石油氣的燃燒性質(zhì)的近似性，該燃?xì)馊紵鞑挥酶鼡Q，只需要將燃?xì)鈬娮爝M(jìn)行調(diào)換，噴嘴更換的費(fèi)用較低，燃?xì)饩叩娜細(xì)獾幕Q性較好。
4.系統(tǒng)應(yīng)用需要解決的問題和手段
太陽能提供熱量和冷量給大空間建筑，燃?xì)鉂崈羧紵齽t可以提供冬季調(diào)峰熱負(fù)荷，這兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)行可以減少大空間建筑對電力網(wǎng)的依賴和沖擊，并且利用的可持續(xù)利用的太陽能資源，具有較好的環(huán)境特性。在太陽能綜合用能系統(tǒng)以及燃?xì)庀到y(tǒng)與大空間結(jié)合運(yùn)行之前，急需解決的技術(shù)問題有以下幾點(diǎn)：
1. 太陽能供熱系統(tǒng)與大空間本身供熱系統(tǒng)的耦合以及參數(shù)的匹配，太陽能系統(tǒng)運(yùn)行后對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響;
2. 太陽能輻射強(qiáng)度隨時(shí)間、季節(jié)以及天氣狀況不斷變化，在大空間耗能也在不斷變化的同時(shí)，如何實(shí)行首先充分使用太陽能并且保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;
3. 在調(diào)峰使用燃?xì)馓峁嶝?fù)荷時(shí)，應(yīng)解決好能耗效率與用電負(fù)荷的分配關(guān)系，并根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)燃?xì)庹{(diào)峰負(fù)荷的大小，建立起穩(wěn)定的調(diào)峰補(bǔ)充負(fù)荷系統(tǒng);
4. 太陽能制冷具有不連續(xù)性，該特點(diǎn)與用能時(shí)間成為矛盾，建立有效的儲能系統(tǒng)完成冷量以及熱量的儲存，并將系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)對比分析，對系統(tǒng)的運(yùn)行仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的節(jié)能性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性能。
5.結(jié)論
將太陽能綜合用能系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)應(yīng)用于并建立綠色節(jié)能建筑是本文的研究重點(diǎn)，本文提出一種將太陽能供熱系統(tǒng)、太陽能供冷系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)以及冬季燃?xì)庋a(bǔ)充熱負(fù)荷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以適用于具有較好采光屋頂?shù)慕ㄖ?，并且由于采用的是燃?xì)鉂崈羧紵夹g(shù)，不會污染城市的環(huán)境，在城市中心均可以實(shí)施
該綜合太陽能、燃?xì)馀c大空間結(jié)合系統(tǒng)在減少整體建筑熱負(fù)荷的同時(shí)，在不同的季節(jié)可以向建筑提供不同形式的能量，即冬季提供熱量，夏季提供冷量，并且一年四季均可向大空間提供生活熱水。
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