太阳能、燃气系统与大空间结合建立节能建筑的研究
摘要：本文对典型大空间的用能进行分析并提出将太阳能综合利用系统与建筑结合，即夏季通过太阳能制冷系统向建筑提供冷量而在冬季提供热量，燃气系统在冬季供热负荷不足的情况下采用洁净燃烧技术向建筑提供调峰热负荷。该太阳能以及燃气供能系统可以适用于城市内大型的体育场馆、大卖场、购物中心、医院、以及宾馆的综合节能系统。该系统与大空间结合在减少整体建筑热负荷的同时，增强了建筑维护结构的节能效果，并且在不同的季节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间提供生活热水，建立了绿色节能建筑供能体系。
0.前言
随着人们生活水平的提高，城市内大空间建筑越来越多的出现在不同的地方，典型大空间建筑主要包括体育馆所、大卖场、购物中心以及具有跳层的复式建筑等，这些建筑通常具有耗能比较大并且座落于城市的中心区域，随着人们对空调房间内空气品质以及环境舒适度的要求提高，向这样的建筑供能并减少对周围环境的影响以及对电力的依赖逐渐的引起了各方面的重视和关注。
太阳能与建筑的结合是目前国际上很关注的研究，利用太阳能向建筑供能建造绿色建筑成为各个学术研究团队的热点，X.U. Zhai利用太阳能复合能量系统建造了绿色建筑，在具有150m2的集热面积情况下，该复合系统可以在夏季提供15kW的冷量，而在冬季提供25.04kW热量。C. Filippin在阿根廷中部建造低能量消耗的建筑并对其用能测算，降低建筑能耗约25%，为节能建筑的设计提供了依据。Hans Schnitzer通过利用太阳能减少温室气体的排放，减少燃烧化石能源对环境的冲击，并将其系统应用于工业中。王昕对建筑大空间的室内热环境的壁温和室温用CFD进行求解，并分析了不同位置开口的大空间室内热环境，温度场和速度场计算结果与实测吻合较好，提供了较为准确的大空间热负荷。黄晨对大空间室内热环境进行了实测并对其能耗进行分析，为空调设计以及室内热环境的设计提供了一定的参考价值。
本文所研究的大空间太阳能燃气供能综合系统是在以上研究的基础上提出的，其主要解决的问题是建筑的节能和合理用能，减少对化石能源以及电力能源的消耗，建立对环境友好的绿色节能建筑。
1.大空间建筑概况
本文所研究的建筑为上海理工大学室内体育馆的乒乓球馆，该馆位于上海理工大学军工路校区东南角，比邻学校的室内篮球场和游泳池，具有良好的科研以及工程示范作用。该馆平面建筑面积将近300m2，建筑高度为6m，建筑中心最大高度为8.75m，该馆的大空间送风系统研究目前正在承担国家自然科学基金的项目支持，本文所研究的是将太阳能、燃气系统该建筑结合建立绿色节能建筑的。
该乒乓球馆工作状况下空调设计基本参数(舒适性标准)为：夏季:干球温度：25℃，相对湿度：55%;冬季：干球温度18℃，相对湿度50%，其工作风区的风速为小于0.3m/s。在上海地区满足该基本参数空调系统的主要负荷为：夏季系统冷量65 kW，冬季系统补充电加热量22.5 kW，整个系统的用电量约为59 kW。
该乒乓馆空调系统方案设计形式：风冷冷热水机组与立式空调箱，采用一次回风空调系统，空气集中处理。室外新风经初效过滤器过滤，与系统的回风混合(在机房内相当于静压箱)，夏季经表冷器冷却降温去湿，电加热再加热(实验工况要求),冬季经过热盘管加热升温和电极加湿器加湿，由送风机增压，处理好的空气从室内空调机组的喷口或其他末端设备送出。
2.太阳能系统与大空间的结合
太阳能综合能量系统主要包括太阳能制冷系统与建筑的结合、分离式太阳能集热器与建筑结合、太阳能光伏系统向建筑的供能三大部分。该复合太阳能利用系统主要功能是：
1) 主动式向建筑供能，夏季，太阳能制冷系统向大空间提供冷量(夏季)和热水;冬季向大空间提供热量或者生活热水;
2) 被动式节能，即太阳能集热系统对建筑本身维护结构的节能维护，主要从两个典型季节，即夏季集热系统对建筑结构减少辐射量，以及冬季减少对流散热，以及各个换热量的综合影响;
3) 利用光伏系统减少大空间对电力的使用和依赖，通过该系统的建立，解决大空间部分照明系统以及通风系统的电力负荷，即在突发状态下依然保持适当照明和通风安全。
基于大空间整体用能峰值约为65kW左右，利用太阳能无法满足其全部的用能要求，利用太阳能制冷系统只是作为一种能量的补充，太阳能集热系统可以为大空间提供热水和部分热负荷;太阳能光伏系统可以建立一个独立系统，可以为夜间照明或者应急系统提供电能。整个系统采用太阳能集热以及制冷系统，系统内主要材料为高硼硅玻璃，工质对为沸石-水，即使遭受外力打击损坏，其不会污染环境也不会造成伤害。太阳能光伏系统采用的是低压供电系统，独立于市电系统，安全性能较高不会有触电伤害。太阳能综合能量系统如图1所示：本系统是利用太阳能为乒乓馆供能实现绿色节能建筑样板由3部分组成，1是分离式集热器，2是太阳能制冷系统，3是太阳能光伏系统。
3.燃气洁净燃烧与大空间的结合
作为冬季热负荷的补充，燃气清洁燃烧系统可以调节为乒乓馆冬季热负荷调峰，并且可以深入利用燃气吸收制冷系统提供夏季冷量以及冬季热源，燃气空调的COP约为1左右，其制冷负荷下燃气消耗量与冬季相当，从系统安全、配气站等方面可以直接使用。燃气系统与现有的制冷空调系统的结合如图2所示，该系统主要包括两部分，一是配气间部分，主要包括液化石油气的汽化、减压、计量等;二是燃气供热以及热水系统。
3.1可行性及安全性分析
利用燃气作为冬季热源补充，其热负荷按照10、20、50kW计算，燃气具采用的是壁挂式液化石油气采暖炉，单台功率28kW，双台同时运行，按照每日开机8小时，每周工作7天来设计液化气储存量，其最大储存为4瓶50kg液化石油气，该储存量在设计规范中没有消防间距的要求，可以在大空间内独立的房间即可。
3.2经济性分析
表1为对液化石油气、天然气、城市用电直接加热的经济性分析，相比于电力，液化石油气和天然气的热效率要低，折合单位kWh时的运行价格则天然气最便宜，其次液化石油气，电力价格最贵。考虑到城市用电容量的限制，使用该燃气系统更显优势。
目前设计使用液化石油气，若管道铺设天然气接通，由于天然气和液化石油气的燃烧性质的近似性，该燃气燃烧器不用更换，只需要将燃气喷嘴进行调换，喷嘴更换的费用较低，燃气具的燃气的互换性较好。
4.系统应用需要解决的问题和手段
太阳能提供热量和冷量给大空间建筑，燃气洁净燃烧则可以提供冬季调峰热负荷，这两个系统的结合运行可以减少大空间建筑对电力网的依赖和冲击，并且利用的可持续利用的太阳能资源，具有较好的环境特性。在太阳能综合用能系统以及燃气系统与大空间结合运行之前，急需解决的技术问题有以下几点：
1. 太阳能供热系统与大空间本身供热系统的耦合以及参数的匹配，太阳能系统运行后对系统运行参数的影响;
2. 太阳能辐射强度随时间、季节以及天气状况不断变化，在大空间耗能也在不断变化的同时，如何实行首先充分使用太阳能并且保证整个系统运行的稳定性;
3. 在调峰使用燃气提供热负荷时，应解决好能耗效率与用电负荷的分配关系，并根据负荷的变化调节燃气调峰负荷的大小，建立起稳定的调峰补充负荷系统;
4. 太阳能制冷具有不连续性，该特点与用能时间成为矛盾，建立有效的储能系统完成冷量以及热量的储存，并将系统的内部参数和外部参数对比分析，对系统的运行仿真与实测数据结合并在此基础上优化设计，提高系统的节能性能和运行的稳定性能。
5.结论
将太阳能综合用能系统、燃气系统应用于并建立绿色节能建筑是本文的研究重点，本文提出一种将太阳能供热系统、太阳能供冷系统、光伏系统以及冬季燃气补充热负荷系统，该系统可以适用于具有较好采光屋顶的建筑，并且由于采用的是燃气洁净燃烧技术，不会污染城市的环境，在城市中心均可以实施
该综合太阳能、燃气与大空间结合系统在减少整体建筑热负荷的同时，在不同的季节可以向建筑提供不同形式的能量，即冬季提供热量，夏季提供冷量，并且一年四季均可向大空间提供生活热水。
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