零碳運(yùn)行的太陽能核酸采樣亭研制

耿鑫帥,白 莉

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

核酸采樣已成為疫情防控常態(tài)化的一項(xiàng)重要工作,隨著《新型冠狀病毒感染防控方案(第十版)》的頒布實(shí)施,室外核酸采樣亭的建造要求和功能要求也隨之提高.本文研制一種實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行的太陽能核酸采樣亭,利用太陽能發(fā)電蓄電技術(shù)保持核酸采樣亭全年溫度恒定在18 ℃～20 ℃,并同時(shí)供應(yīng)核酸采樣亭內(nèi)所有設(shè)備用電,使核酸采樣亭實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行.此外,還增設(shè)了具有語音播報(bào)的自助掃碼系統(tǒng),在提高采樣效率的同時(shí)最大限度地保護(hù)工作人員安全,避免交叉感染,營(yíng)造良好的室外采樣工作環(huán)境.

1 零碳運(yùn)行核酸采樣亭的設(shè)置

1.1 核酸采樣亭簡(jiǎn)介

為使研究具有典型性,本文選取嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)春市為設(shè)計(jì)計(jì)算地點(diǎn).零碳運(yùn)行恒溫核酸采樣亭如圖1、圖2所示,主要設(shè)備包括太陽能光伏板、蓄電池箱、光伏控制柜、自助掃碼器、語音播報(bào)器、備用供電裝置 、核酸采樣窗口、電散熱裝置、照明設(shè)施、微正壓風(fēng)機(jī).為了降低核酸采樣亭的能量消耗,核酸采樣亭主體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求符合國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),采樣亭尺寸為2 000×1 500×1 800 mm,屋頂上設(shè)置可調(diào)節(jié)的太陽能光伏發(fā)電板,并配有可調(diào)節(jié)架.

圖1 核酸采樣亭及室外配件示意圖

圖2 核酸采樣亭及室內(nèi)配件示意圖

1.2 太陽能核酸采樣亭的特點(diǎn)

1.2.1 利用太陽能實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行

通過設(shè)置于屋頂?shù)奶柲芄夥l(fā)電板實(shí)現(xiàn)光能高效率轉(zhuǎn)化,將光伏板吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存于蓄電池中,通過蓄電池供電為電暖氣等電加熱設(shè)備或者電制冷供電,根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18883-2020)中規(guī)定,使室外核酸采樣亭在冬季溫度保持在18 ℃～20 ℃,同時(shí)供應(yīng)核酸采樣亭內(nèi)其他設(shè)備用電.為安全起見還設(shè)置了備用供電裝置,以備在極端天氣或突發(fā)情況下太陽能光伏發(fā)電板無法工作時(shí)使用.

1.2.2 設(shè)置自助掃碼功能和語音播報(bào)系統(tǒng)

在常規(guī)的核酸采樣過程中往往需要至少2人以上進(jìn)行,其中1人負(fù)責(zé)掃碼、另1人負(fù)責(zé)采樣.這種采樣方式既是對(duì)采樣人力資源的浪費(fèi),同時(shí)又容易發(fā)生采樣工作人員與采樣者之間的交叉感染.本研究針對(duì)此問題,在核酸采樣亭中設(shè)置具有語音播報(bào)的自助掃碼系統(tǒng),核酸檢測(cè)者自助掃碼成功時(shí)語音播報(bào)系統(tǒng)發(fā)出“掃碼成功”,否則發(fā)出“請(qǐng)您再次掃碼”,使核酸采樣工作人員和核酸檢測(cè)者均能清晰地聽到是否掃碼成功,節(jié)約人力資源和保證采樣準(zhǔn)確率并提高采樣效率.

1.2.3 設(shè)置微正壓風(fēng)機(jī)使室內(nèi)保持微正壓

為防止交叉感染,核酸采樣亭內(nèi)設(shè)置微正壓風(fēng)機(jī),使室內(nèi)保持微正壓.

1.2.4 設(shè)置太陽追蹤系統(tǒng)

太陽在一年中高度角和方位角不斷變化,為保證太陽能光伏板的光-電轉(zhuǎn)化效率,安裝了太陽能方位檢測(cè)傳感器,利用光敏電阻在光照時(shí)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化的特性,間接確定太陽的位置進(jìn)行太陽追蹤.

2 太陽能核酸采樣亭的計(jì)算

根據(jù)供熱工程基本原理,首先計(jì)算核酸采樣亭夏季制冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷,以確定電制冷和電散熱設(shè)備的設(shè)備功率,為下一步選擇太陽能光伏板、蓄電池等設(shè)備規(guī)格提供依據(jù).為提高太陽能核酸采樣亭的適用性,負(fù)荷確定分別按單人、雙人核酸采樣亭兩種情況考慮.

2.1 冷、熱負(fù)荷計(jì)算

夏季冷負(fù)荷計(jì)算采用公式:

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5;Q1=A1K1(tn-tw);Q2=A2K2(tn-tw);

Q3=X1X2X3A2;Q4=yn1n2;Q5=ns(N1+N2)

式中,Q1為墻、屋頂?shù)睦湄?fù)荷,W;Q2為外窗溫差傳熱的冷負(fù)荷,W;Q3為外窗輻射傳熱的冷負(fù)荷,W;Q4人體散熱的冷負(fù)荷,W;Q5為照明設(shè)備的冷負(fù)荷,W.

冬季熱負(fù)荷計(jì)算采用公式:

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5;Q1=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15[1];Q2=0.278Vρwcp(tn-tw)w;Q3=NQ13

式中,Q1為墻體、窗戶、門、地板、天棚的耗熱量,W;Q2為冷風(fēng)滲透耗熱量,W;Q3為冷風(fēng)侵入耗熱,W;Q11為墻體的耗熱量,W;Q12窗戶的耗熱量[3],W;Q13門的耗熱量,W;Q14為地板的耗熱量,W;Q15為天棚的耗熱量,W;V為房間體積,m3;ρw為房間密度,kg/m3;cp為比熱容J/(kg·℃).

單、雙人核酸采樣亭冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果祥見表1和表2.

表1 單、雙人核酸采樣亭冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

表2 單、雙人核酸采樣亭熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.2 核酸采樣亭總的耗電量計(jì)算

核酸采樣亭所有設(shè)備電能消耗參數(shù)見表3和表4.

表3 核酸采樣亭夏季設(shè)備功率、用電量

表4 核酸采樣亭冬季設(shè)備功率、用電量

2.3 光伏組件的計(jì)算

由PYsyst軟件提供的數(shù)據(jù),可得長(zhǎng)春氣象月度數(shù)據(jù),如圖3所示.

圖3 長(zhǎng)春氣象月度數(shù)據(jù)

光伏容量及傾角的計(jì)算[3]：

P=(p3×D×K×Es)/(Hf×η)=(0.397×8×1.2×1)/(2.791 4×0.85)=1.606kWp

式中,p3為計(jì)算負(fù)荷,kWp;D為每天用電小時(shí)數(shù),h;Hf為太陽輻射能量最小月的平均水平面上總輻射量,在我國(guó)通常為1月的輻射量,kW/ m2;K為可靠系數(shù),表征不間斷陰雨天的裕量值,其范圍可取1.2～2;η為效率系數(shù),考慮整體系統(tǒng)效率,一般取0.85;Es為常數(shù),表示特定情況下的太陽輻射能量,值為1 kW/m2.

計(jì)算光伏總量為1.65 kWp,由于設(shè)有預(yù)留負(fù)荷,故實(shí)際光伏總量應(yīng)選2 kWp.

由PYsyst軟件,可得長(zhǎng)春地區(qū)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)傾角應(yīng)選為65°,如圖4所示.

圖4 長(zhǎng)春太陽能組件傾角模擬

蓄電池容量的計(jì)算:長(zhǎng)春市平均連續(xù)陰雨天數(shù)在2 d以下,本工程按2 d計(jì)算,總計(jì)需要16 h.

Ca=1 000D×Ft×P0/(U×Ka)/Vs=1 000×16×1.05×0.315/(0.7×0.75)/216=46 Ah

式中,Ca為蓄電池總?cè)萘?Ah;D為最長(zhǎng)連續(xù)無日照用電小時(shí)數(shù),h;Ft為蓄電池放電倍率轉(zhuǎn)換系數(shù),一般取1.05;P0為等效日均功率,kW;U為蓄電池放電深度,取值范圍為0.5～0.8;Ka為蓄電池系數(shù);Vs為電池組額定電壓,V.

2.4 設(shè)備選型

由上述計(jì)算,可得設(shè)備選擇結(jié)果(見表5、表6).

表5 單人核酸采樣亭設(shè)備

表6 雙人核酸采樣亭設(shè)備

3 太陽能核酸采樣亭運(yùn)行一年節(jié)約的能量及減少碳排放計(jì)算

本文采用隆基光伏組件,其太陽能轉(zhuǎn)化率可達(dá)15 %,求得的單、雙人年太陽能發(fā)電量分別為:

EP=HA×PAZ×L×S=1 400×1.6×0.15×4.41=1 481.76 kW·h

EP=HA×PAX×L×S=1 400×1.6×0.15×6.63=2 227.68 kW·h

單、雙人核酸采樣亭每年可分別節(jié)約人力資源1人和2人,節(jié)約電能1 482 kW·h和2 228 kW·h,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤593 kg和892 kg;減少二氧化碳排放1 467 kg和2 221 kg.

4 結(jié)論

本文應(yīng)用綜合利用太陽能及相關(guān)蓄能與控制技術(shù),設(shè)計(jì)了零碳運(yùn)行下的太陽能室外核酸采樣亭,設(shè)計(jì)中分別按單人、雙人核酸采樣亭進(jìn)行了負(fù)荷計(jì)算和設(shè)備選型,保證其全年維持適宜的工作環(huán)境溫度.本文設(shè)計(jì)的太陽能核酸采樣亭可節(jié)約人力資源,提高采樣效率,節(jié)約高品位能源,基本實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行.