基于相变储热的全太阳能房设计.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期31文章编号：2095-6835（2023）18-0031-03基于相变储热的全太阳能房设计赵海军1，戴剑锋2（1.兰州信息科技学院，甘肃 兰州 730300；2.兰州理工大学理学院，甘肃 兰州 730050）摘要：针对西北偏远地区设计了一套 200 m2可供 10 人生活的全太阳能房，该建筑利用太阳能光伏发电提供电力，利用沼气提供燃料，利用墙体及地板中的塑封相变储热材料对房子进行温度调控，采用水浸式塑封相变储热材料管阵列储热池进行跨季节太阳能储热，并用于冬季供暖和供热。通过热工计算给出了关键设计参数。关键词：相变储热；全太阳能房；沼气池；光伏发电中图分类号：TK51文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.009太阳能的利用技术形式多样，包括将太阳能直接转换为电能的光伏发电技术1、利用太阳能促进有机物质经微生物发酵和分解作用而获得燃料的沼气池2、利用相变材料的热物性将太阳能转变为潜热的相变储能技术等3。近年，太阳能应用的理论和实验研究成果频现4，而太阳能产业发展却面临诸多问题。成本高是制约太阳能发展的最大瓶颈，阻碍了其产业化发展的进程。研究表明，光伏发电的成本是生物质发电成本的712 倍、煤电发电成本的 1118 倍5；太阳能是一种间歇性、低品位能源，受季节、阴晴、昼夜、纬度等因素的影响大，需要解决太阳能利用系统的稳定性和耐久性问题；由于受技术和成本的制约，目前中国太阳能规模化利用和可持续发展还不成熟。本文采用水浸式相变储热池储热，将光伏发电、太阳能发酵沼气、相变储能等多种太阳能利用技术进行系统耦合；针对西北偏远地区的边防哨所和农牧民远离电网、住户分散而太阳能资源丰富的特点，给出全太阳能房的能源设计，通过热工计算及经济成本核算，给出关键设计参数6。1全太阳能房结构设计1.1整体结构设计考虑到西北偏远地区土地资源丰富，因此房屋设计为大开间小进深结构，采光面大，利于增加白天太阳能辐射量的吸收。房屋坐北朝南，开间 50 m，进深4 m，高 2.5 m，建筑面积 200 m2。屋顶为坡面，屋檐外伸 20 cm，南外墙建造进深 1.2 m 的附加阳光间。为了节约水资源，在檐下安装雨水采集槽，所收集的雨水经过滤处理可用于供暖系统循环。该建筑每 10 m 进行隔断，隔出 5 间结构布局相同的房屋。各间南面墙设计 1.8 m2.0 m 的玻璃门 1 个、2.0 m1.5 m 的玻璃窗 2 个，所有玻璃选用传热系数为 2.8 W/（m2）的 6+12A+6 low-e 型中空玻璃，该玻璃具有透光率高、保温隔热效果好、硬度大等特点。1.2围护结构设计围墙及地面采用相变储热复合建筑材料7-8。根据相变温度在室温附近的相变材料热物性和市场调研，采用 Na2SO410H2O（芒硝）作为储热材料较经济。在芒硝中添加质量分数为 5%的成核剂硼砂、质量分数为0.2%的熔点调节剂氯化钠、质量分数为 1%的增稠剂羧甲基纤维素钠，可将相变温度调节至 25，相变潜热为 241 kJ/kg9。将储热材料封装于长 1.6 m、外径32 mm、壁厚 2.9 mm 的聚丙烯（PP-R）管，并敷设在墙体及地面的建筑材料中。PP-R 管具有不易变形、耐腐蚀、防水结垢、耐高温高压（常温下承受水压力为45 kg/m2，管子不变形温度为 112，使命寿命达 50年以上）的优点。外墙多层结构建造，以 100 mm 厚混凝土墙体为基体，墙体中敷设单层 PP-R 管，距内墙表面 10 mm；墙体外贴 40 mm 聚苯乙烯泡沫板；外装饰墙为 140 mm厚混凝土，如图 1 所示。墙体中能封装芒硝 745 kg，可储存热量 180 MJ。地面的处理类似于地暖的铺设方法，储热层衬于绝热层上，以豆石混凝土填充并覆盖，其上为地面装饰层。储热层 PP-R 管距墙角至少 20 cm，管间距 2 cm。地面储热层能封装芒硝 1 782 kg，可储存热量 430 MJ。白天（夏季）温度较高时，管中材料发生相变储存能量，并且能减少室内温度波动；晚上（冬季）材料发生逆相变释放热量，达到自调温作用，并可循环使用。基金项目甘肃省高等学校创新基金项目（编号：2021A-207）科技与创新Science and Technology&Innovation322023 年 第 18 期单位：mm图 1外保温墙结构2相变储热设计2.1相变储热池10该全太阳能房设计了以封装相变储热材料的聚乙烯管阵列为基本单元的储热池进行储热，循环使用后材料的热学性能稳定，而且利用水的高对流系数，大大提高了充放热效率，也解决了泄漏和腐蚀污染问题。设计圆柱形储热池，池内放置储热单元 128 个排列 2 层，每层 64 个单元按 8 行 8 列放置。为了储热单元的顶角不与储热池边缘摩擦，则储热池半径至少为3.0 m。2 层储热单元堆积，考虑封顶需要一定空间，将池高设为 1.2 m。储热池储热材料的有效容积为7.3 m3。在塑封管内的储热材料中添加成核剂，即质量分数为 3%的 Na2HPO412H2O+质量分数为 4%的Na2B4O710H2O+质量分数为 3%的 Na2SiO39H2O，以达到最佳储能效果。2.2供热采暖系统储热池供热采暖系统由 3 条循环支路组成。集热支路采用皇明 QBJ1-280/3.97/0-G50D 型热水器用真空管集热器，集热面积 3.97 m2。按照太阳能房和储热池的设计容量，屋顶安装 14 组集热器共 55.6 m2，全年平均日太阳能采集量 585.9 MJ；供热采暖系统的热循环运行由温度传感器（热电偶）和差动控制器控制11。在每个循环支路的出口和入口处各安装热电偶，用于监控温差的变化，以控制循环泵的有效运行。循环水泵采用 DC50D-2465 型无刷直流磁力隔离泵，额定电压 24 V，电流 3.6 A，扬程 6.50 m，功率86.4 W，最大启动功率 691 W。此水泵寿命长，无需保养，体积小，效率高，功耗低。采用程序控制，泵体里面没有元器件，水泵可在 100 的沸水中使用，水泵控制器中可以引出调速信号线，可以实现脉宽调制（PWM）、电位器手动调速，有转子卡死保护、反接保护、过载保护和过流保护。3新能源耦合互补设计3.1沼气池中国西北地区冬春季因天气寒冷致使沼气池内物料不易发酵产气。为了解决该问题，可将沼气池靠近储热池建造，将储热池部分循环回水引入沼气池的蓄水圈内促进物料发酵。储热池的回水温度虽然较低（40 左右），但对于沼气发酵有很大利用价值。设计容积为 5.5 m3的球形水压式沼气池，夏天一昼夜可产气 0.8 m3，冬季约可产气 0.55 m3。该容积的沼气池所产沼气能够满足日常生活所需，在冬季气温较低的寒冷地区，因有循环水的余热维持发酵，产气量也能满足一日三餐的烹煮。沼气发酵中的菌种决定了沼气的产量和质量，一般要求达到发酵料液总量的 10%30%，才能保证正常启动和旺盛产气。池内的分解细菌（梭菌属、拟杆菌属、乳酸菌类、丙酸杆菌属、产琥珀酸拟杆菌、牛黄瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌等）将投入的原料加工成简单化合物，然后在甲烷细菌（嗜氢产甲烷菌、嗜乙酸产甲烷菌、醋酸甲烷八叠球菌 JA-4等）的作用下，将简单的化合物加工生成甲烷。在夏季产气量较大而供过于求时，将其燃烧用于烧水储热，储存于储热池中。3.2太阳能光伏发电太阳能光伏发电系统是由太阳能电池板、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成。其部分设备的作用是：蓄电池组储存太阳能电池板受光照时发出的电能并可随时向负载供电，充放电控制器能自动防止蓄电池过充电和过放电，逆变器可将直流电转换成交流电。该太阳能房的用电需求总量为 5 000 W（含循环水泵开启时的 58 倍功耗），太阳能光伏发电系统可选东莞市星火太阳能科技有限公司生产的 SFM-200 型单晶硅太阳能电池板，其工作电压为 36.26 V，开路电压为 43.2 V，工作电流为 5.52 A，短路电流为 6.07 A，太阳辐射能转换效率为 17.8%。系统的电池阵列有 5条相同的支路并联，每条支路串联 6 块电池，其输出电压 259.2V，电流 27.5A，总容量 6 000W，铺设面积38 m2。蓄电池选用碱性镍镉蓄电池，设计容量 3 000Ah；一套 6 kW/AC220 V 逆变器，逆变效率为 94%，允许输入电压 180300 V，额定电流 37.9 A，与电池阵列输出匹配。塑封管各塑封管平均分配复合保温内墙混凝土外墙聚苯乙烯泡沫板25Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期334热工计算现结合建筑节能设计要求对所设计的全太阳能房，从生活用热水负荷与采暖负荷两方面做能耗分析。若该建筑居住人口为 10 人，每日用水定额 20 kg/人，设计热水温度 50，冷水温度 10。则生活用热水日耗热量 qd为：W389400 86lr）（ttmcqd式中：m 为用水量的数值，单位 kg；c 为水的比热容的数值，取 4.2103J/（kg）；tr为热水温度的数值，单位；tl为冷水温度的数值，单位。建筑物的采暖负荷主要有围护结构的传热耗热量、空气渗透耗热量和建筑物的内部得热量 3 部分。建筑物单位建筑面积单位时间所消耗的热量 qH为：qH=qHT+qINFqLH式中：qHT为单位建筑面积上围护结构的传热耗热量（主要包括围墙、门窗、屋顶、地面的传热耗热量）的数值，单位 W/m2；qINF为单位建筑面积上建筑物的空气渗透耗热量的数值，单位 W/m2；qLH为单位建筑面积上建筑物的内部得热量的数值，单位 W/m2，取3.8 W/m2。依据 JGJ 262018严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准中建筑物采暖负荷计算理论及计算参数（说明：计算所需气象参数以甘肃兰州地区为例选取），得该建筑物单位建筑面积单位时间所消耗的热量qH=25 W/m2。由此可见，所设计的全太阳能房的能耗既符合建筑节能设计要求，也满足该地区冬季采暖需求。5结论与传统的工业能源相比，太阳能具有分布广泛、清洁环保、取之不尽等优点。而太阳能建筑以其节能环保与舒适价廉的优势，更将成为 21 世纪节能建筑的发展趋势。尤其在中国边疆的边防哨所、人口居住较稀疏分散的边远山区及北方的牧区，因实际条件和环境限制，铺设高压输电电网和集中供暖系统是不现实的。而全太阳能房因其施工简单、经济可行、系统可靠等优势，未来发展前景广阔。参考文献：1黄湘.太阳能热发电技术在国内外的应用J.太阳能，2001（20）：27-32.2彭发基.高寒地区新型辅助燃烧式沼气池建造技术J.现代农业科技，2009（13）：260-261.3ZHANG X X，TAO X M，YICK K L，et al.Structureandthermalstabilityofmicroencapsulatedphase-changematerialsJ.Colloid and polymer science，2004（282）：330-336.4 SEENIRAJ R V，NARASIMHAN N L.Performanceenhancement of a solar dynamic LHTS module having bothfins and multiple PCMsJ.Solar energy，2008（82）：535-542.5LIU W，PENG D，BU G Q.Asurvey on system problems insmart distribution network with grid-connected photovoltaicgenerationJ.Power system technology，2009（19）：1-6.6赵海军.可再生能源耦合互补的全太阳能房设计D.兰州：兰州理工大学，2014.7PINCEMIN S，OLIVES R，PY X.Highly conductivecomposites made of phase change materials and graphite forthermal storageJ.Solar energy materials&solar cells，2008（92）：603-613.8AGYENIM F，HEWITT N，EAMES P，et al.A review ofmaterials，heattransferandphasechangeproblemformulation for latent heat thermal energy storage systems（LHTESS）J.Renewable and sustainable energy reviews，2010（14）：615-628.9韩毓华，陈立伟.芒硝系太阳能蓄热剂J.化工时刊，1988（4）：25-27.10赵海军，戴剑锋，付比，等.相变储热池的设计与应用研究J.科技与企业，2016（3）：215-216.11ZHANG L，SUN K，XING Y.A modular grid-connectedphotovoltaic generation system based on DC busJ.IEEEtransactions on power electronics，2011（2）：523-531.作者简介：赵海军（1982），男，甘肃秦安人，硕士，副教授，主要从事太阳能热利用的研究。（编辑：王霞）