高校图书馆太阳能空调设计

高校图书馆太阳能空调设计

1空调冷水机组该项目是一所大学图书馆的太阳能空调项目。夏季采用溴化钛吸收冷水机为主，螺杆冷水机组用于辅助冷源向空调区域供应冷水，太阳能热热系统为溴化钛吸收冷水机组提供高温热敏水。冬季，可根据需要在室内温度室中加热。系统原理如图1。2太阳能集热系统的设计2.1吸热器和集热罐集热器系统选用全玻璃U型真空管太阳能集热器(结构示意图见图2),U形真空集热管采用平板翼片吸热板,金属翼片与U形管焊接在一起,吸热的翼片表面沉积选择性涂料,管内抽真空。铜管管子与玻璃熔封作为传热工质水的出入口端。集热系统采用直接承压式系统。机房内设置两台30m3的贮热水罐贮存热水,为避免冷热水混合损失,贮热水罐串联使用。为保证不同集热器阵列之间的流量平衡,各集热器组之间采用同程连接(图3),同时集热器阵列与回水干管连接处均设置手动平衡阀。2.2全玻璃真空u型管太阳能集热器在布置集热器时,根据图书馆的屋面情况,以4组集热器串联成集热器组后再并联为主,局部以3组或5组集热器串联成集热器组再并联为辅,在四至七层的屋面一共放置749组全玻璃真空U型管太阳能集热器,具体为四层放置76组、五层放置225组、六层放置308组、七层放置140组。集热器采用串并联横排联接方式,联箱两端焊有工质进出的集管,周围有保温层和外壳,真空管开口端通过硅橡胶密封圈直接插入联箱,集热器水平放置,架空敷设,集热器定位和基础与设备厂家确定后将做进一步深化设计。太阳能集热系统每两组集热器之间采用螺纹连接并增加膨胀节,各组集热器的最高点均设置安全阀和自动放气阀。2.3循环泵停止本工程太阳能集热系统采用强制循环系统,控制方式为温差循环控制方法。具体如下:当集热器的出口温度T2与贮热水罐底部温度T1之差大于5℃时,对应的集热系统循环泵启动,当集热器的出口温度与贮热水罐底部温度之差小于2℃时,对应的集热系统循环泵停止。(温度T1和T2见图1)。集热系统补水定压均由机房内的补水定压装置完成,集热系统过热膨胀时,当超出膨胀罐调节容量时,贮热水罐安全阀开启泄压,安全阀开启压力为0.5MPa,水压回落到0.4MPa时安全阀关闭,集热系统产生的高温热媒水作为溴化锂吸收式冷水机组的驱动热源。2.4太阳能集热器扫描集热器效率是指在稳态条件下,特定时间间隔内由传热工质从一特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能量之比,亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比,其表达式如下:式中:ηG为单片集热器的效率,%;Q为实际获得的有用功率,W;A为集热器面积,m2;G为集热器采光面上总日射辐照度,W/m2。本工程选用了全玻璃U型真空管集热器,每一组太阳能集热器的集热面积为2.0m2,总集热面积为1498m2,规格Z-BJ/0.8-WF-2.0/21-47/1500/1,集热器与建筑结合的方式为平屋顶结合。经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测,在稳态条件下,本工程所采用的集热器瞬时效率方程为:式中:ti为工质进口温度,25~95℃;ta为环境温度,5~35℃;G为集热器采光面上总日射辐照度,W/m2。集热器的效率曲线如图4所示,集热器在归一化温差为0.08m2·℃/W(工质进口水温取80℃,环境温度取16℃,辐照度取800W/m2),基于每组集热器的集热总面积为2.0m2,集热器的效率为50.9%;当采用集热器在归一化温差为0.06m2·℃/W(工质进口水温取80℃,环境温度取32℃,辐照度取800W/m2),基于每组集热器的集热总面积为2.0m2,进口水温为80℃时,集热器的效率为55.9%。图4中的曲线所代表的仅是单片集热器的瞬时集热效率,曲线的截距所对应的面积反映了太阳能集热器的热性能-太阳能制热量。2.5测试系统集热稳定性从广义上来看,集热系统的效率是集热系统的总得热量与集热系统吸收的太阳总辐照量之比,太阳能集热系统的得热量计算公式为:式中:Qs为太阳能集热系统的得热量,MJ;m为工质质量流量,kg/s;cf为对应于平均工质温度的传热工质比热容,kJ/(kg℃);ΔT为工质进出口温度差,℃。太阳能空调系统的集热效率计算公式:式中:ηS为集热系统的效率,%;Hs为投射到集热器表面上的总太阳辐射能量,MJ。因此由4组或3组或5组集热器串联后的集热器组再并联成集热器组,其集热效率是有变化的。经过测试,由4组集热器串联后的集热器组的平均集热效率为50%(测试数据见表1)。借鉴以往某太阳能供热空调工程设计案例为例,其现场测试方法为:采用FCF50型热量表测出当天的累计太阳能得热量,由CM6B型辐射表累计当天的太阳日辐照量然后求出平均值,由FLB20002型超声波流量计测出系统回水总管上的实际水流量,以及由玻璃温度计测出系统进、出水的温度,现场测试数据见表2。由表可以看出制冷机运行时的集热效率为46%,制冷机未运行时的集热效率为51%。经过以上分析,在工程设计时应选取最低能保证的太阳能集热系统的集热效率,现取40%(太阳能供热空调设计的参考效率)。3空调系统操作特点图书馆空调总面积为14151m2,根据天正暖通负荷计算软件CLCAL7.5计算得出空调设计负荷为1556kW。室内空调系统采用两管制风机盘管系统,末端风机盘管安装形式采用卧式明装,风机盘管控制均为三速开关+电动二通阀,根据系统负荷变化情况,空调水泵变流量运行。新风经全热交换机组做排风热回收后再进入新风机组,由新风机组处理到室内状态点再进入室内。因此,空调末端形式为风机盘管、新风机组+全热交换机组,如图5所示。4空调房的设计4.1螺杆式冷水机组空调机房位于图书馆首层。选用一台LCC-13型制冷量为387kW的溴化锂吸收式冷水机组,二台30HXC-250型单台制冷量为696kW的螺杆式冷水机组,冷机、冷塔设备表见表3。太阳能集热系统产生的高温热媒水驱动溴化锂吸收式冷水机组,当太阳辐照不足或者系统空调负荷较大时,螺杆式冷水机组工作。吸收式冷水机组和螺杆式冷水机组之间的冷量平衡由设置在机房内的两个10m3的贮冷水罐实现,贮冷水罐串联使用。4.2冷水将冷水传统从贮冷罐中渗透冷冻水系统采用二次泵系统。一次泵与冷水机组一一对应,负责将冷水机组产生的冷水输送到贮冷水罐内。二次泵根据末端系统要求变频调节,将冷冻水从贮冷水罐中输送到末端设备。空调系统补水定压均由机房内的补水定压装置完成,水泵设备表见表4。4.3台冷却和溴化锂吸收式冷水机组图2一台溴化锂吸收式机组和两台螺杆式冷水机组共用两台冷却塔,溴化锂吸收式冷水机组工作时,一台冷却塔工作;螺杆式冷水机组工作时,每台螺杆式冷水机组对应一台冷却塔。冷却塔置于一层机房附近室外地面。4.4电磁阀联锁电磁阀1)采用太阳能优先控制策略,溴化锂吸收式冷水机组与其对应的一次泵和任一冷却水泵、任一冷却塔及冷却塔出水管上的电磁阀联锁。2)当太阳能不能满足供冷需求时,两台螺杆式冷水机组辅助供冷,此外,三台制冷机组中运行最高点只能有两台同时运行。5关键技术5.1太阳能贮热水罐关闭系统自动控制采用太阳能优先控制策略,具体控制技术如下:(1)太阳能集热系统采用温差循环,当任意一层屋面集热器出口温度与贮热水罐温度T1温差大于5℃时,对应的太阳能集热系统循环泵启动;当太阳能集热器出口温度与贮热水罐温度T1温差低于2℃时,对应的太阳能集热系统循环泵停止。(2)太阳能贮热水罐温度T2大于78℃,且贮冷水罐温度T4大于10℃,且冷却塔回水温度大于19℃时,吸收式冷水机组启动,向贮冷水罐补充冷水。吸收式冷水机组与其对应的一次泵和任一冷却水泵、任一冷却塔及冷却塔出水管上的电磁阀连锁。按电磁阀-冷却塔-冷却泵-冷冻水一级泵-热水泵-吸收式冷水机组的次序开启。(3)太阳能贮热水罐温度T2小于75℃或贮冷水罐温度T3小于7℃,吸收式制冷机组停机,停机顺序与开启顺序相反。(4)贮冷水罐温度T4大于12℃时,螺杆式冷水机组启动,螺杆式冷水机组与其对应的电磁阀、一次泵、另一冷却水泵、另一冷却塔及冷却塔对应的电磁阀联锁。按冷却塔电磁阀-冷却塔-冷水机组电磁阀-冷却泵-冷冻水一次泵-螺杆式冷水机组的顺序开启。(5)当太阳能不能满足吸收式冷水机组要求时,两台螺杆式冷水机组运行,机组启停顺序同(4)。5.2储水池高温气候技术5.2.1基于高温水回用的溴化锂吸收式冷水机组图6为贮热水罐高低水温控制原理图。由图6可以看出,集热系统收集的高温热媒水在两个水罐蓄存时,根据水的特性,高温水“浮”在上面,低温水“沉”在下面,采用由高到低的方式,将第一个水罐“高”端引入第二个水罐的“低”端,这样高温水从第二个水罐的上侧被热水泵吸入溴化锂吸收式冷水机组时,可以提高高温热媒水的利用率,从而提高溴化锂吸收式冷水机组的COP。5.2.2冷水罐、冷水罐图7为贮冷水罐高低水温控制原理图。由图7可以看出,由集水器收集的高温冷冻水流回太阳能贮冷水罐,冷冻水泵从高温冷冻水入口处抽水至冷机(溴化锂吸收式冷水机组和螺杆式冷水机组);两个贮冷水罐在连接时,采用由低到高的方式,根据水的特性,高温水“浮”在上面,低温水“沉”在下面。因此,来自冷机的低温冷冻水送至第二个贮冷水罐下侧,这样低温水从右侧的贮冷水罐的“低”处至分水器,通过空调末端循环水泵供给空调末端风机盘管,从而提高空调的制冷效率。5.2.3空调系统循环二次泵夏季,开启阀门F3、F4、F5、F6,关闭阀门F1和F2,贮热水罐里的高温热媒水由热水泵吸入溴化锂吸收式冷水机组,贮冷水罐里的冷冻水经分水器,由空调系统循环二次泵9(见图1)向空调末端系统风机盘管供冷。空调末端二次泵为变频泵,根据末端风机盘管的压差调整水泵频率,从而调节冷冻供水量。当冬季需要利用太阳能供暖时,可开启阀门F1和F2,关闭F3、F4、F5、F6。利用空调系统循环二次泵9(见图1)向空调末端系统风机盘管供热水。空调末端二次泵为变频泵,根据末端风机盘管的压差调整水泵频率,从而调节供热水流量。5.2.4安全阀的关闭太阳能集热系统高温热媒水过热时,太阳能贮热水罐上的安全阀开启泄水,安全阀开启的工作压力为0.5MPa,当压力回落至0.4MPa时,太阳能贮热水罐上的安全阀关闭。5.3空调负荷本工程设计采用两个贮冷水罐来蓄存冷量供空调末端使用,在供冷高峰或太阳辐照不足使得太阳能空调不能满足要求时,采用螺杆式冷水机组来辅助供冷(电制冷调峰技术)。根据图书馆空调负荷的特点,空调运行时间主要集中在上午08:30~12:00、下午13:30~17:00、晚上19:00~21:30,高峰负荷主要集中下午13:00~16:00,因为这段时间最热,空调负荷最大,同时太阳能的辐照量也非常大,其集热效率也较高,因此太阳能贮热水箱的保证利用率应≥65%。贮热水罐里的高温热水能保证溴化锂吸收式冷水机组半小时以上的供应量,在高峰时段采用螺杆式冷水机组制冷进行调峰。6能负荷分析6.1空调冷负荷的计算太阳能集热系统总共布置了749组集热器,每组2.0m2,共计1498m2,太阳平均辐照度按800W/m2计算,集热效率平均按0.46计算,溴化锂吸收式冷水机组的吸收率取0.6,则吸收式制冷机可利用的冷量为1498m2×800W/m2×0.40×0.6=287.6kW,根据样本参数选取额定制冷量为387kW的溴化锂吸收式冷水机组。为了充分利用太阳能,该系统高峰运行时最多只能有两台同时运行。实际上当热水泵满负荷运行时,该太阳能集热系统的最大制热量Q热=4.18×1000×94×(95-75)/3600=2182.9kW(式中95和75这两个温度是太阳能贮热水箱中的水能被吸收式冷水机组利用的最高和最低温度),溴化锂吸收式冷水机组的吸收率取0.6,则吸收的能量Q吸收=0.6×Q热=0.6×2182.9kW=1309.7kW。该高校图书馆的空调面积为14151m2,其最大瞬时冷负荷为1556kW,因此计算得出单位面积冷负荷为1556kW/14151m2=110W/m2。一般情况下的空调系统冷负荷为最大瞬时冷负荷的0.8,因此常规空调冷负荷为1556kW×0.8=1244.8kW<1309.7kW。在年太阳日照最小的情况下,启动螺杆式冷水机组来制冷,制冷量为696kW×2=1392kW>1244.8kW,能满足大部分空调区域的负荷要求。6.2溴化锂吸收式冷水机组2.5%热媒水在典型设计日太阳能集热系统能满足吸收式冷水机组运行时,首先启动太阳能集热系统,已制备好的两台20m3的贮热水罐总共40m3的≥75℃高温热水能保证机组正常运行,贮热水罐中的水因循环而乘以2.5的循环系数,得到40m3×2.5=100m3,由于热水泵的额定水流量为94m3/h,当热水泵满负荷运行时,能为溴化锂吸收式冷水机组运行提供1小时左右的高温热媒水;此后再开启1台螺杆式冷水机组辅助供冷,继续运行30分钟后,再开启另一台螺杆式冷水