基于太陽能真空集熱和有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的被動傳熱式太陽房設(shè)計*

李 龍，陸旻煒，周金龍，黃寬勝

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

我國農(nóng)村地區(qū)大多使用煤炭作為日常生活能源，不僅帶來了環(huán)境問題，而且引發(fā)了能源浪費(fèi)現(xiàn)象。再加上我國農(nóng)村住房的建設(shè)技術(shù)比較簡單，缺少材料使用方面的合理性、設(shè)計方面的科學(xué)性[1]，房屋保溫隔熱能力差，導(dǎo)致能耗過大，能源利用率低。雖然我國對建筑節(jié)能的研究相較于國外來說起步較晚，但是目前在太陽房節(jié)能方面已經(jīng)取得了很大的成就。隨著科技的發(fā)展和時代的進(jìn)步，節(jié)能理念貫徹到了全社會，太陽能集熱的相關(guān)技術(shù)和裝置逐漸出現(xiàn)。此外，有機(jī)朗肯循環(huán)、真空集熱等技術(shù)理念的提出為我國被動式太陽房的研究提供了一定的基礎(chǔ)。但是在增加穩(wěn)定的傳熱效率和將有機(jī)朗肯循環(huán)和真空集熱等有機(jī)結(jié)合方面還存在問題。本文重點(diǎn)研究基于太陽能真空集熱和有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的被動傳熱式太陽房設(shè)計，在穩(wěn)定傳熱效率的基礎(chǔ)上，將真空集熱技術(shù)和有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高效利用太陽能發(fā)電，極大地提高了能源利用效率。

1 系統(tǒng)的設(shè)計原理及組成

1.1 設(shè)計原理

基于太陽能真空集熱和有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的被動傳熱式太陽房系統(tǒng)的總體示意圖見圖1。該系統(tǒng)有3個子系統(tǒng)：一是被動太陽房系統(tǒng)；二是有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)；三是儲電及調(diào)壓放電系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

整個系統(tǒng)的工作原理見第69頁圖2。被動太陽房系統(tǒng)吸收并轉(zhuǎn)化太陽能，通過太陽能吸熱板加熱空氣，加熱后的空氣通過真空管道輸入有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，低溫有機(jī)工質(zhì)通過工質(zhì)加壓泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生器輸出高溫有機(jī)工質(zhì)，高溫有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行熱量交換，同時做功將熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而使得發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電量，產(chǎn)生的電量由儲電調(diào)壓系統(tǒng)儲存或釋放。

圖2 系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 被動太陽房系統(tǒng)

被動太陽房系統(tǒng)包含太陽能吸熱板、內(nèi)置空氣流道、隔熱材料、熱空氣傳輸管道。墻的表層及屋頂部分區(qū)域裝有吸熱材料，通過吸收太陽能加熱空氣流道中的空氣。與主動式太陽房相比，被動式太陽房不需要很多必要的部件，它主要是通過自身的結(jié)構(gòu)（如墻體）、地理位置、周圍環(huán)境等因素實(shí)現(xiàn)儲存太陽能或者釋放熱量[2]。簡而言之，被動式太陽房基本不需要能源，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

整個系統(tǒng)中被動太陽房子系統(tǒng)是用來收集太陽能為系統(tǒng)提供熱源。被動太陽房設(shè)計想要取得良好的節(jié)能效益，必須滿足下列4項基本原則[3]：第一，太陽房外部必須具有隔熱功能，從傳熱學(xué)的角度來看就是能夠保持太陽房熱量的恒定；第二，太陽房內(nèi)部要有足夠多的集熱器；第三，當(dāng)太陽房內(nèi)外溫差過大時，需要配置一定的調(diào)節(jié)裝置，從傳熱學(xué)的角度來看就是提供內(nèi)熱源；第四，盡量采用坐北朝南的太陽房，以利于提高集熱效率。

1.2.2 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

在有機(jī)朗肯循環(huán)中，由于換熱器中能量損失占總體能量的比例較大，為了減少系統(tǒng)換熱器中的能量損失，提高熱能的利用率，系統(tǒng)采用梯形換熱[4]。

整個有機(jī)朗肯循環(huán)的過程見圖3。首先，將吸收熱量后的冷空氣轉(zhuǎn)化為熱空氣，熱空氣經(jīng)過特定的管道進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)蒸汽發(fā)生器，接著有機(jī)工質(zhì)吸收能量，轉(zhuǎn)化成為較高溫度和較高壓力的蒸汽狀物質(zhì)[5]，蒸汽物質(zhì)通過管道進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)透平；然后，進(jìn)行膨脹做功，與此同時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后蒸汽物質(zhì)從有機(jī)工質(zhì)透平排出，由于排出的氣體仍然具有一定的溫度，需要經(jīng)過有冷水循環(huán)的凝汽器進(jìn)行熱量傳遞；最后，從凝汽器排出的氣體已經(jīng)液化為有機(jī)工質(zhì)，在有機(jī)工質(zhì)泵的加壓作用下，有機(jī)工質(zhì)重新輸送回蒸汽發(fā)生器中，一個循環(huán)周期結(jié)束，系統(tǒng)將會不斷地循環(huán)下去。

圖3 有機(jī)朗肯循環(huán)示意圖

1.2.3 儲電及調(diào)壓放電系統(tǒng)

該系統(tǒng)連接上一級發(fā)電系統(tǒng)，有兩個作用：一是調(diào)節(jié)電壓向電器供電，調(diào)配系統(tǒng)用電器的使用情況；二是儲存高輻射時期的過剩電量，達(dá)到高輻射與低輻射發(fā)電時期的相對平衡，等到轉(zhuǎn)化的電量相對不足時，儲存的電量可以充當(dāng)臨時供電源。

2 數(shù)值計算及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 真空導(dǎo)管內(nèi)空氣平均溫度估計

1）被動式太陽房日平均熱傳遞平衡表達(dá)式為

To

2）太陽能集熱板面積的計算表達(dá)式為

式中：S為太陽能集熱器采光面積，m2；Qb為建筑物耗熱量，W；f為太陽能保證率，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)此處選擇的太陽能保證率為40%；Qc為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系钠骄仗栞椪樟?，設(shè)計為14 000 000 J/m2；ηc為集熱器的年平均集熱效率，取值為45%；ηs為管道的熱損失率，取值為10%[3]。

2.2 有機(jī)朗肯循環(huán)計算模型

2.2.1 熱力學(xué)模型

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型假設(shè)：一是系統(tǒng)運(yùn)行中所有過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程；二是有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度恒定不變，不隨壓降的變化而變化；三是膨脹機(jī)和工質(zhì)泵均為絕熱裝置，忽略設(shè)備與管道系統(tǒng)中的傳遞熱量損耗[7]；四是有機(jī)工質(zhì)的物性參數(shù)不受溫度和壓力的影響。第70頁圖4為有機(jī)朗肯循環(huán)原理簡圖。

圖4 有機(jī)朗肯循環(huán)原理簡圖

2.2.2 工質(zhì)泵

工質(zhì)泵在實(shí)際壓縮過程中熵增大，所以計算中需要考慮泵的等熵效率。工質(zhì)泵消耗的功為

式中：mwf為工質(zhì)的質(zhì)量流量；h4為工質(zhì)泵的出口比焓；h3為冷凝器的出口比焓，此過程中損失為

式中：T0為環(huán)境的溫度；s4為工質(zhì)泵的出口比熵；s3為冷凝器的出口比熵。

2.2.3 蒸發(fā)器

有機(jī)工質(zhì)首先經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，然后經(jīng)過預(yù)熱、相變和過熱3個熱力學(xué)過程后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)物質(zhì)。在蒸發(fā)器內(nèi)從中低溫?zé)嵩磫挝粫r間吸收的熱量[8]為

式中：h1為蒸發(fā)器的出口比焓。此過程中損失為

式中：TH為廢熱熱源的溫度；s1為蒸發(fā)器的出口比熵。

2.2.4 膨脹機(jī)

高溫高壓的有機(jī)工質(zhì)氣體進(jìn)入膨脹機(jī)，驅(qū)動膨脹機(jī)做功并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。理想狀態(tài)下，此過程為等熵過程，膨脹機(jī)對外輸出功為

式中：h2為膨脹機(jī)的出口比焓。此過程中損失為

式中：s2為膨脹機(jī)的出口比熵。

2.2.5 冷凝器

膨脹機(jī)做功產(chǎn)生的低溫低壓工質(zhì)氣體進(jìn)入到冷凝器后，與冷凝器內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱量交換。在理想狀態(tài)下此過程為等壓冷凝過程，因此單位時間內(nèi)冷凝器的放熱量[8]可以表示為

式中：TL為低溫有機(jī)工質(zhì)的溫度。

2.2.6 系統(tǒng)熱效率根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可得系統(tǒng)熱效率為

它充分反映了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的能量收益占總能量消耗的比例，即系統(tǒng)輸出的凈功占有機(jī)工質(zhì)從熱源的吸熱量的比率[5]。

系統(tǒng)的凈輸出功為

它能夠反映出系統(tǒng)在余熱回收利用時能被有效利用的程度。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 太陽能評價指標(biāo)單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%[9]。電池溫度每升高1℃，相對電效率下降0.5%[10]。

2.3.2 有機(jī)朗肯循環(huán)相關(guān)指標(biāo)

透平效率：88%；工質(zhì)泵等熵效率：90%；有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電效率：10%；有機(jī)朗肯循環(huán)效率：15%；系統(tǒng)效率：65%；工質(zhì)R245fa的物性參數(shù)由物性軟件REFPROP7獲得。

2.3.3 綜合指標(biāo)

系統(tǒng)能源利用效率為85%。

3 系統(tǒng)可行性分析

本文重點(diǎn)研究基于太陽能真空集熱和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的被動傳熱式太陽房系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：一是能源利用率大大提高；二是對環(huán)境非常友好，可以在大多數(shù)環(huán)境中應(yīng)用；三是結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，同時適用于大小型發(fā)電。

3.1 系統(tǒng)指標(biāo)推導(dǎo)可行性

經(jīng)過查閱資料可知，在采用被動式太陽房裝置后，太陽能提供的能量占總體能量的30%[11]。

以100 kW用電群體為例，此系統(tǒng)通過太陽能減少用電30 kW，每年最多可節(jié)約的電量為

按當(dāng)?shù)厝后w用電費(fèi)用為0.6元/（kW·h）來計算，每年可以節(jié)約電費(fèi)

按節(jié)約1 kW·h電可以減排0.997 kg CO2來計算，每年可減少碳排放

按節(jié)約1 kW·h電可以節(jié)約0.4 kg煤來計算，每年可以節(jié)約煤炭

3.2 理論分析推導(dǎo)可行性

3.2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

一是在蒸發(fā)過程中采用具有較低沸點(diǎn)的工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)。二是系統(tǒng)中的介質(zhì)均采用有機(jī)工質(zhì)。三是相關(guān)硬件設(shè)施比較簡便，而且對設(shè)備的使用性能要求不高。四是從冷凝器中產(chǎn)生的工質(zhì)的壓強(qiáng)p≥p0，其中p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)。

3.2.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

一是提高了低溫余熱回收熱效率，有利于提高項目的收益。二是比傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)有更高的熱能吸收率和電能轉(zhuǎn)化率，能夠增加項目的穩(wěn)定性。三是搭建成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間穩(wěn)定收益，降低了投資的風(fēng)險。四是由于壓差的原因，不容易產(chǎn)生工質(zhì)的泄露，所以冷凝器不需要設(shè)置真空環(huán)境，進(jìn)一步降低了制造成本。問題，對解決農(nóng)村采暖能耗浪費(fèi)問題有很大幫助。同時，可以降低房屋采暖耗能成本，推動建筑節(jié)能和綠色建筑的發(fā)展，在未來有著很好的發(fā)展前景和很大的市場價值。如果解決研發(fā)適合本地化的低成本被動式太陽房的相關(guān)困難，可以將被動式太陽房的市場價值進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語

整個系統(tǒng)由被動太陽房、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)、儲電及調(diào)壓放電系統(tǒng)組成，系統(tǒng)將墻體結(jié)構(gòu)作為熱空氣傳輸管道，利用太陽能加熱管道中的空氣，進(jìn)而將熱量輸入低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，產(chǎn)生的電能可以儲存到儲電及調(diào)壓放電系統(tǒng)中供房屋所需。這是基于原有被動式太陽房的一大創(chuàng)新。

總體來說，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)便捷，建造成本低，與傳統(tǒng)被動式太陽房相比，采用沸點(diǎn)更低的有機(jī)工質(zhì)，提高了余熱回收率及循環(huán)效率[12]，在回收利用低溫?zé)嵩吹确矫嬗酗@著作用。系統(tǒng)能源利用效率達(dá)85%，節(jié)能減排效果明顯，適用性很廣泛，尤其在農(nóng)村、工廠等集熱發(fā)電增益很高。

被動式太陽房充分利用了取之不盡、用之不竭的太陽能，充分實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，很大程度上減少了煤炭的燃燒，有效控制了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染