太陽能、燃氣系統與大空間結合建立節能建筑的研究
摘要：本文對典型大空間的用能進行分析并提出將太陽能綜合利用系統與建筑結合，即夏季通過太陽能制冷系統向建筑提供冷量而在冬季提供熱量，燃氣系統在冬季供熱負荷不足的情況下采用潔凈燃燒技術向建筑提供調峰熱負荷。該太陽能以及燃氣供能系統可以適用于城市內大型的體育場館、大賣場、購物中心、醫院、以及賓館的綜合節能系統。該系統與大空間結合在減少整體建筑熱負荷的同時，增強了建筑維護結構的節能效果，并且在不同的季節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，建立了綠色節能建筑供能體系。
0.前言
隨著人們生活水平的提高，城市內大空間建筑越來越多的出現在不同的地方，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域，隨著人們對空調房間內空氣品質以及環境舒適度的要求提高，向這樣的建筑供能并減少對周圍環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注。
太陽能與建筑的結合是目前國際上很關注的研究，利用太陽能向建筑供能建造綠色建筑成為各個學術研究團隊的熱點，X.U. Zhai利用太陽能復合能量系統建造了綠色建筑，在具有150m2的集熱面積情況下，該復合系統可以在夏季提供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%，為節能建筑的設計提供了依據。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境的沖擊，并將其系統應用于工業中。王昕對建筑大空間的室內熱環境的壁溫和室溫用CFD進行求解，并分析了不同位置開口的大空間室內熱環境，溫度場和速度場計算結果與實測吻合較好，提供了較為準確的大空間熱負荷。黃晨對大空間室內熱環境進行了實測并對其能耗進行分析，為空調設計以及室內熱環境的設計提供了一定的參考價值。
本文所研究的大空間太陽能燃氣供能綜合系統是在以上研究的基礎上提出的，其主要解決的問題是建筑的節能和合理用能，減少對化石能源以及電力能源的消耗，建立對環境友好的綠色節能建筑。
1.大空間建筑概況
本文所研究的建筑為上海理工大學室內體育館的乒乓球館，該館位于上海理工大學軍工路校區東南角，比鄰學校的室內籃球場和游泳池，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，該館的大空間送風系統研究目前正在承擔國家自然科學基金的項目支持，本文所研究的是將太陽能、燃氣系統該建筑結合建立綠色節能建筑的。
該乒乓球館工作狀況下空調設計基本參數(舒適性標準)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%，其工作風區的風速為小于0.3m/s。在上海地區滿足該基本參數空調系統的主要負荷為：夏季系統冷量65 kW，冬季系統補充電加熱量22.5 kW，整個系統的用電量約為59 kW。
該乒乓館空調系統方案設計形式：風冷冷熱水機組與立式空調箱，采用一次回風空調系統，空氣集中處理。室外新風經初效過濾器過濾，與系統的回風混合(在機房內相當于靜壓箱)，夏季經表冷器冷卻降溫去濕，電加熱再加熱(實驗工況要求),冬季經過熱盤管加熱升溫和電極加濕器加濕，由送風機增壓，處理好的空氣從室內空調機組的噴口或其他末端設備送出。
2.太陽能系統與大空間的結合
太陽能綜合能量系統主要包括太陽能制冷系統與建筑的結合、分離式太陽能集熱器與建筑結合、太陽能光伏系統向建筑的供能三大部分。該復合太陽能利用系統主要功能是：
1) 主動式向建筑供能，夏季，太陽能制冷系統向大空間提供冷量(夏季)和熱水;冬季向大空間提供熱量或者生活熱水;
2) 被動式節能，即太陽能集熱系統對建筑本身維護結構的節能維護，主要從兩個典型季節，即夏季集熱系統對建筑結構減少輻射量，以及冬季減少對流散熱，以及各個換熱量的綜合影響;
3) 利用光伏系統減少大空間對電力的使用和依賴，通過該系統的建立，解決大空間部分照明系統以及通風系統的電力負荷，即在突發狀態下依然保持適當照明和通風安全。
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只是作為一種能量的補充，太陽能集熱系統可以為大空間提供熱水和部分熱負荷;太陽能光伏系統可以建立一個獨立系統，可以為夜間照明或者應急系統提供電能。整個系統采用太陽能集熱以及制冷系統，系統內主要材料為高硼硅玻璃，工質對為沸石-水，即使遭受外力打擊損壞，其不會污染環境也不會造成傷害。太陽能光伏系統采用的是低壓供電系統，獨立于市電系統，安全性能較高不會有觸電傷害。太陽能綜合能量系統如圖1所示：本系統是利用太陽能為乒乓館供能實現綠色節能建筑樣板由3部分組成，1是分離式集熱器，2是太陽能制冷系統，3是太陽能光伏系統。
3.燃氣潔凈燃燒與大空間的結合
作為冬季熱負荷的補充，燃氣清潔燃燒系統可以調節為乒乓館冬季熱負荷調峰，并且可以深入利用燃氣吸收制冷系統提供夏季冷量以及冬季熱源，燃氣空調的COP約為1左右，其制冷負荷下燃氣消耗量與冬季相當，從系統安全、配氣站等方面可以直接使用。燃氣系統與現有的制冷空調系統的結合如圖2所示，該系統主要包括兩部分，一是配氣間部分，主要包括液化石油氣的汽化、減壓、計量等;二是燃氣供熱以及熱水系統。
3.1可行性及安全性分析
利用燃氣作為冬季熱源補充，其熱負荷按照10、20、50kW計算，燃氣具采用的是壁掛式液化石油氣采暖爐，單臺功率28kW，雙臺同時運行，按照每日開機8小時，每周工作7天來設計液化氣儲存量，其最大儲存為4瓶50kg液化石油氣，該儲存量在設計規范中沒有消防間距的要求，可以在大空間內獨立的房間即可。
3.2經濟性分析
表1為對液化石油氣、天然氣、城市用電直接加熱的經濟性分析，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時的運行價格則天然氣最便宜，其次液化石油氣，電力價格最貴。考慮到城市用電容量的限制，使用該燃氣系統更顯優勢。
目前設計使用液化石油氣，若管道鋪設天然氣接通，由于天然氣和液化石油氣的燃燒性質的近似性，該燃氣燃燒器不用更換，只需要將燃氣噴嘴進行調換，噴嘴更換的費用較低，燃氣具的燃氣的互換性較好。
4.系統應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，燃氣潔凈燃燒則可以提供冬季調峰熱負荷，這兩個系統的結合運行可以減少大空間建筑對電力網的依賴和沖擊，并且利用的可持續利用的太陽能資源，具有較好的環境特性。在太陽能綜合用能系統以及燃氣系統與大空間結合運行之前，急需解決的技術問題有以下幾點：
1. 太陽能供熱系統與大空間本身供熱系統的耦合以及參數的匹配，太陽能系統運行后對系統運行參數的影響;
2. 太陽能輻射強度隨時間、季節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，如何實行首先充分使用太陽能并且保證整個系統運行的穩定性;
3. 在調峰使用燃氣提供熱負荷時，應解決好能耗效率與用電負荷的分配關系，并根據負荷的變化調節燃氣調峰負荷的大小，建立起穩定的調峰補充負荷系統;
4. 太陽能制冷具有不連續性，該特點與用能時間成為矛盾，建立有效的儲能系統完成冷量以及熱量的儲存，并將系統的內部參數和外部參數對比分析，對系統的運行仿真與實測數據結合并在此基礎上優化設計，提高系統的節能性能和運行的穩定性能。
5.結論
將太陽能綜合用能系統、燃氣系統應用于并建立綠色節能建筑是本文的研究重點，本文提出一種將太陽能供熱系統、太陽能供冷系統、光伏系統以及冬季燃氣補充熱負荷系統，該系統可以適用于具有較好采光屋頂的建筑，并且由于采用的是燃氣潔凈燃燒技術，不會污染城市的環境，在城市中心均可以實施
該綜合太陽能、燃氣與大空間結合系統在減少整體建筑熱負荷的同時，在不同的季節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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