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香格里拉机场候机楼太阳能地面辐射采暖系统应用与探讨

  作者:匡芳

【摘  要】  对香格里拉机场候机楼采暖设计进行总结,通过室内地板采暖系统、太阳能集热系统计算和分析,提出了利用太阳能作为采暖能源时,在设计上要注意的问题和相应的技术措施。

【关键词】  低温地板辐射采暖、太阳能集热系统、设计得失

   引言

太阳能地板辐射采暖是一种以太阳能为热源,通过敷设于地板中的盘管加热地面进行供暖的系统。系统是以整个地面作为散热面,其辐射换热量约占总换热量的60% 以上,其采暖效果、舒适性、卫生条件好于传统暖气片采暖系统。尤其,地板辐射采暖由于供、回水温度低,可以利用低品位能源(太阳能、污水热源等),这对于提高能源综合利用率有着积极意义。

1.  项目概况

1.1    建筑概况:

香格里拉机场候机楼为新建项目,位于原老候机厅旁侧,为传统藏式建筑风格。2009616日正式投入使用。候机楼共计2层,1层层高5.0m2层层高6.0m,建筑物总高度13.1m,总建筑面积14,182m2


1.2 建筑热工:

本工程为低层公共建筑,考虑到本建筑所处地理位置以及当地能源现状特点,同时也为了实现环保、节能的总体目标,本工程建筑热工设计按照《公共建筑节能设计标准》的要求进行。一些主要的建筑热工参数如下:

外立面玻璃:双层中空玻璃,传热系数为3.31W/m2·K) ;外墙传热系数0.75W/m2·K),屋面传热系数0.53W/m2·K)。

1.3 室外气象参数:

·夏季室外空调干球温度:19.7℃、夏季室外通风干球温度:18

·冬季室外采暖干球温度:-7℃、冬季室外通风干球温度:-4

·冬季室外极端最低温度:-27.4

·全年最热月平均温度:13.3℃、全年最冷月平均温度:-3.8℃、全年平均温度:4.7~16.5

·日平均温度小于5℃的天数:179(该期间内平均温度:-0.4)

·最冷月(1)日较差:18.7℃ 、 最热月(7)日较差:10

·冬季日照率:72%

·夏季室外通风相对湿度:62%、冬季室外空调相对湿度:59%

   ·建设地属于寒冷地区、太阳能资源分布3区、气候V区,年平均日照小时数为2180小时,年太阳辐照量约为5400MJ/m2

2. 采暖设计参数与热负荷

2.1 夏季通风系统的设计:

由于本建筑实际使用过程中,外门等经常处于开启状态,自然通风情况较好,由室外参数可知,采用普通机械通风系统即可满足使用要求。

2.2  冬季采暖系统设计参数的选择:

根据《公共建筑节能设计标准》的规定,民用建筑主要房间的采暖设计温度为1620℃。 本建筑的一些主要房间,如:入口大厅、候机大厅、行李提取等,都是人员的临时停留场所,从实际使用需求来说,冬季采暖设计温度也可以适当降低。对于地板辐射采暖系统而言,人员的“体感温度”必然高于室温。根据《地面辐射供暖技术规程》规定,计算室温可比常规对流暖气片采暖系统规定值低2℃。因此,本工程结合上述因素,选取的主要房间室内采暖设计计算温度(空气温度)和实际计算的体感温度如下所示:室内设计温度


2.3 采暖负荷计算结果:

       根据建筑热工和上述采暖设计参数,典型设计日条件下的采暖负荷为1089.6kW,热指标为96W/m2(总采暖面积约为11350m2)

2.4 主要采暖设备:

间接式电锅炉2台:Q530kW/台,容积式铜管换热器3台:V8.5m3/

平板式太阳能集热器481(承压0.6MPa):全铜板芯、2m2/块、集热面积1.8m2/

聚丁烯PB地暖盘管:de20x2.0,共计24540m

乙烯乙二醇溶液:6.0m3,纯度:99.99%、涤纶级

3.   室内采暖系统设计

3.1  采暖系统技术参数:

室内二次水侧供/回水温:45/35(白天工作模式)30/20(夜间值班模式)

太阳能热媒侧(50%乙二醇溶液) /回水温差: △t5

地埋盘管间距:300mm,螺旋形布管、弯曲半径150mm 

3.2  本工程采用以地板辐射采暖为主的方式,除了舒适性、候机楼大部份区域人员均为短期滞留等原因外,还考虑到充分利用“低位热源”的原因。为了有效利用低温热水、降低循环水泵运行功耗,室内二次水侧供/回水温差取Δt10℃。个别机场办公房间采用缩小盘管间距的方式保证其室内供热量、提高其室温(没有必要因此而提高全楼的供水温度)。不能满足使用要求的“节能”是无意义、本末倒置的。但是,从太阳能利用的特点来看,当其作为供暖使用时,提供的是相对“低品位”的热源,如何利用好它,是提高太阳能利用率的关键。这就要求室内采暖供水温度尽可能降低,显然,地板辐射供暖系统具有这样的特点。在确定采暖系统的供/回水温度之后,反过来重新计算和确定不同房间的实际管道间距。这种方式带来的最大优点在于:在保证各房间达到使用要求的前提下,尽可能降低了地板采暖供水温度,以符合充分利用太阳能的节能设计原则。在设计室内地暖辐射盘管环路时,通过精心组织,基本上实现了《地面辐射供暖技术规程》要求的同一分/集水器上各环路长度近似一致且不超过120m、各分/集水器环路总阻力损失不大于30KPa

4. 太阳能供热系统

4.1 能源与环保:

        人间最殊胜之地、传说中消失的地平线、人们梦中的世外桃源,就是无与伦比的、美丽的香格里拉(藏语中“香格里拉”是“心中的日月”的意思)在香格里拉县的很多政府办公室的墙上都写着这样的标语:“不为一时损万世,且因一人换众人”,保护这片净土,是每个人的责任。

建筑节能是我国能源战略的重要部份之一,充分利用可再生能源、减少人工能源的消耗,对于我国具有非常重要的战略意义。香格里拉为中国太阳能资源中等类型地区(3区),年太阳辐射总量为5000-5850 MJ/m2,相当于日辐射量3.8~4.5kWh/m2,年平均日照小时数为2180小时。6~10月雨季日照时数684.9 h,约占全年日照时数的31%;而冬季降雨量低,日照时间长,11~次年5月的日照时数1 505.7 h,平均每天日照小时数达到7.16 h,冬季日照时数占全年日照时数的69%,冬季总日射小时数:1283.9h;冬季(11~次年4)日总辐射量为:2323.674×103kJ/m2;冬季每小时平均日辐射量:1809.9 kJ/(m2·h)、平均通量密度约为502.76W/m2;冬季日平均辐射量:12909.3kJ/(m2·d)、月平均日辐照量:3584.7 W/m2,大气透明度等级为2级。这些均为本项目创造了较为有利的自然条件。香格里拉县城采暖季为11~次年4月,各节气日出、日落时间:

    至:日出57分;日落1853         

春、秋分:日出6时;日落18

    至:日出653分 ;日落177

4.2 太阳能集热量:

候机楼南偏东20°,集热器设计最佳倾角37.834°(朝向同建筑:南偏东20°),集热系统平均效率取25%(亦考虑到介质为乙二醇的不利影响),暖通系统太阳能保证率取15%,则收集到的太阳能热量为:

Q16765307.91 (kJ/)517.4 (kW)(注:有效集热小时数按9.0h) 

由于屋面面积限制,集热器倾角、排间距按计算确定后,再预留检修、维护空间后,只能安装481块太阳能集热器。 

4.3 太阳能集热器的选型:

    目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管-真空管集热器、U型金属-真空管集热器等。

平板型集热器:20世纪70年代就已生产,具有集热快、价格低、承压高(0.5~1.2MPa,某些产品可达1.6MPa)、耐闷晒、耐热冲击性能好等特点,在气温高、日照好的地区热效率较高,在室外气温较低时的热损失大而热效率低。此外,这种集热器工作温度低(最高约为160)、不耐冰冻,漏水后很难补救,有效使用寿命为5~8年。

全玻璃真空管集热器:全年热效率高,其成本、耐冰冻(可达-40)、夜间保温性能介于热管集热器和平板集热器之间,承压能力较低(0.05~0.12MPa,个别产品可达0.2MPa),耐热冲击能力较差,闷晒系统注入冷水后有可能炸裂真空管,系统可靠性较差(一根管子破裂,整个系统需停用检修),玻璃管内易结垢,难清理,寿命为15~20年。

热管-真空管集热器:全年热效率较高,三者之中价格也最高,但其承压能力大,一般可承压0.5~1.2MPa(个别产品可达2.5MPa);工作温度可达128℃。耐热冲击性能好,因利用热管传热、干性连接,真空管内不走水,即使闷晒时注入冷水后也不会使玻璃管炸裂;耐冰冻(可达-40),即使冬季长时间无晴天及在夜间的严寒条件下,真空管也不会冻裂;夜间热损失小,热管具有单向传热的特点,不会像前两种集热器一样产生夜间通过集热器散热的热倒流现象;玻璃管内不会结垢;系统工作可靠性强,即使有玻璃管破损,系统仍可继续工作,寿命为15~20年。

U型金属-真空管集热器:集热效率高于其它形式的集热器,具有运行温度高(与聚反射光镜相结合最高可达300~400)、承压能力强(0.5~1.2MPa)和耐热冲击性能好等特点,并且可以水平安装。但其安装程序比热管式真空管集热器复杂,接口较多、接口处无法完全真空密封(导致保温性较前二者差),运行中有漏水隐患,系统维护成本相对较高,寿命为15~20年。

三种真空管集热器的共同特点都具有比较高的集热效率,以金属作为吸热体,可以承压运行,但从集热效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性、安装维护难度等方面进行综合评价,热管式真空管集热器是最适宜在中央热水供应系统中采用的太阳能集热器类型,U型管式真空管集热器和直流式真空管集热器次之。热管式真空管集热器利用热管传热,干性连接,管内不走水,具有热容小、传热快、耐冰冻、耐热冲击、承压强、保温好、无渗漏、易维护等优点。

4.4 集热器间连接方式的确定:

       集热器的连接方式有串联、并联、串并联等。串联方式不存在阻力平衡问题,但串联过多集热器会使热效率降低、压力降也会增加,每组串联的集热器不宜超过3个;并联方式压降较小,效率较高,但并联集热器过多,阻力不宜平衡(或采用同程系统解决),每组并联的平板型集热器个数不宜超过16(机械循环)。串并联方式如果应用得当,可以吸收前两者之优点,使效果达到最佳。自然循环时,不宜采用串联方式,且每个系统内总集热器数量不宜超过24个或总面积不宜超过48m2

      本设计中集热器之间采用并联、每组13个,组与组之间采用同程式并联方式,以防止各集热器之间流量不均衡,影响集热效率。

4.5 集热器排管方式的确定:

      一般来说,随着集热器放置倾角由小到大,太阳能集热器的单位采光面日有用得热量均呈先上升后下降的趋势,但竖排式太阳能集热器下降趋势不是很大,约为4%左右(倾角加大时,介质自然循环作用加强),而横排式太阳能集热器下降趋势稍大,约为6%左右。同一放置倾角时,竖排式太阳能集热器单位采光面集热量比横排式要高出约9%。本设计选用竖排式集热器。

4.6 热水系统的防冻:

寒冷地区大型热水系统的设计必须考虑防冻问题。最可靠的防冻方法是采用间接式系统,它以防冻液为集热侧工质,系统完全不会冻结,但在集热效率、出水温度方面相对不利。

根据当地极端最低温度,设计采用50%体积浓度的乙二醇溶液作为太阳能集热侧系统工质,通过容积式铜管换热器连接室内采暖系统。防冻液每5年更换一次,以保证其成分满足防冻要求。

50%体积浓度乙二醇溶液:冰点:-33.8℃、沸点:107.2

5.  使用情况回访

       候机楼自2009年6月16日正式投入使用,至今已近3年半。
早班飞机8:00降落,旅客7:00左右进入候机厅,上午5:00~10:00开启1台电锅炉,约90分钟后可将候机楼室温升至16℃左右,此时太阳能集热系统按蓄热工况运行。中午12:00~17:00关闭电锅炉,采用太阳能供暖系统供热,可将室温维持在14~16℃。夜间21:00~23:00开启1台电锅炉,维持室温在16℃。电锅炉均为100%满负荷状态运行,未发生同时开启2台的情况。这也间接说明太阳能总集热量计算值基本正确(忽略换热损失、计入下午室外气温升高导致室内供热量减少的因素)。
冬季晴朗日,集热侧乙二醇加热出口温度约为70℃、回液温度暂无记录数据,室内循环水侧供/回水温度约为30~33℃/20~23℃、温差约为10℃(与开启1台电锅炉时参数相同)。
室内地面未出现开裂现象,有4条环路漏水,已关闭阀门,无法更换。
夏季闷晒时乙二醇防冻液存在沸腾、蒸发情况,安全阀开启泄压排汽。约15天平板集热器中的乙二醇液体蒸发完毕,仅管道及容积式换热器中乙二醇溶液存留,每年均要补充防冻液。
每年夏季7、8月份回出现1~2次冰雹,持续时间约10分钟,冰雹最大粒径约10mm,但集热器至今均无损坏。

6.  设计得失总结

6.1  未考虑夏季蓄热措施,没能主动、充分利用太阳能资源。可考虑结合土壤源热泵,将夏季太

阳能得热积蓄在土壤中。由于目前尚无准确的计算方法来详细计算土壤的全年热平衡,因此对于蓄热温度和取热温度等参数上存在一些不可预知因素,同时蓄热系统运行费用与收益之间尚需做经济分析计算、比较。

6.2  在未设置蓄热系统时,没有设计夏季防冻液回收系统,致使乙二醇溶液白白蒸发,而补液又

造成了一定的经济损失。同时,在高温下乙二醇溶液回分解、变浊、变质,导致其物化参数发生变化、防冻能力、使用周期下降。

6.3  当白天太阳能集热量在满足室内采暖需求后没有富裕或富裕量不大时时,可以不考虑蓄热系

(仅冬季)

6.4  为防止初运行时低温乙二醇溶液导致换热器内的水结冰,应设置旁通管。这是设计中的一个遗漏环节。在设计回访中虽然未出现室内循环水侧冻结的现象,推断是因为太阳能集热系统在上午9:00左右才开启,此时已吸纳少部份太阳辐射热,同时此刻室内采用电锅炉直接加热循环水,水温较高,在容积式换热器初始循环中反过来加热乙二醇溶液,故此未出现结冰、冻结现象。

6.5  对于集热器类型的选择不妥当,这源于没有真正了解各类型集热器的物理特性,而真空管集热器才应该是恰当的选择。经了解,当地县城均为真空管集热器,均使用良好。

6.6  地面严格按《地面辐射供暖技术规程》要求每边不超过6m设伸缩缝(缝宽10mm),缝中填塞弹性膨胀材料,地埋盘管上、下面采用Φ4mm的钢丝网覆面,在伸缩缝处剪断(以减小温度应力)、搭接长度100mm。这些措施均有效杜绝了地面开裂的可能性,这在回访中均得到了正面验证。

6.7  限于基础资料及能力,未能对采暖日太阳能集热量及集热系统配置仔细分析、计算。

6.8  为了充分利用“低品位”太阳能,可以采用蓄热罐(防冻液)+板式换热器来替代容积式换热器,减小换热温差、增加换热量。

6.9  采用耐高温聚乙烯PE-RT盘管,其导热系数为0.4 W/m·K,而聚丁烯PB盘管导热系数为0.24 W/m·K,可以进一步提高供热效率。

6.10 防冻液安全阀的开启压力各手册均无计算公式,仅有针对工质为水时规定了一个定值。


 

参考文献:

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