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优秀案例

北京市怀柔区渤海小学太阳能示范工程

上传时间:2016-08-31 17:14:32来源:产业资讯浏览次数:

该系统投入运行后,可为120m2教室提供冬季采暖、夏季制冷及非采暖季饮用开水等多项工程,系统全自动运行,可进行时间、温度的设定,并可实现远程监控。


1项目概况

 

为了响应北京市教委、市发改委开展的“阳光校园”工程建设号召,建设低碳发展模式的校园,结合怀柔区渤海小学节能减排,为全校师生创造温暖舒适教学环境的想法,北京九阳实业公司设计并安装了“怀柔渤海小学太阳能采暖、开水示范工程”。

 

选取渤海小学校内两间教室进行工程示范,总建筑面积120m²,单层砖混结构;节能改造前冬季采用学校燃煤锅炉进行集中供暖,采暖末端为散热器,采暖季,供热燃料费约为45元/m²。

 

针对学校教室的实际情况,示范工程采用了如下关键技术:

1.太阳能热水供暖系统技术;

2.风机盘管低温末端供热技术;

3.被动式空气集热墙技术;

4.超低温空气能冷热机组采暖—制冷技术;

5.太阳能开水系统技术;

6.外墙保温装饰板技术;

7.远程监控技术;

 

该示范项目结合了多种节能技术,示范教学意义重大。

 

2项目实施

 

2.1工程主要内容

 

2.1.1建筑外立面加装60mmXRY节能保温装饰板,屋面加装50mm岩棉保温。

校区内所有教室均为砖混结构,墙体、屋面均未做保温处理,建筑的散热量较大,在外立面及屋面加装保温材料,是该示范项目基本节能改造设计。

 

2.1.2南立面加装太阳能空气集热墙———9m²

在教室南立面窗户下部加装空气集热墙9m²,空气集热墙进出风口与室内相连,直接加热室内空气,达到提高房间温度的目的,为太阳能被动式采暖的一种形式。

 


空气集热器盖板采用阳光板遮盖,且集热墙与室内相连的通风孔加装过滤网,以免学生向内扔杂物,并加盖专用堵头,在夏季不需采暖时将空气集热墙与室内完全隔断(如下图所示)。

 

 

2.1.3安装太阳能集热器18m²

 

太阳能集热器为太阳能采暖系统的集热设备,根据建筑面积及其热负荷计算,设计安装平板型太阳能集热器18m²,采用建筑构件型太阳能集热器。平板集热器具有结构简单、使用寿命长(30年以上)、维修率低等优点,尤其在太阳能采暖项目中,平板型太阳能集热器对于解决系统的“非采暖季能源过剩”问题,具有明显的优势。

 


2.1.4安装超低温空气能冷热机组一台

 

太阳能采暖系统的辅助能源为超低温空气能冷热机组,可在太阳能系统不能完全满足室内采暖需求时自动启动,向室内供暖。

 

超低温空气能冷热机组不同于传统的空气源热泵,超低温型在环境温度-15℃的条件下,机组的COP值可达到2.5以上,在华北地区冬季也可稳定工作。为了防止机组工作时噪音过大,我们在机组设备与教室之间加装了隔音墙,并在机组外部安装了防护网,以免碰伤小学生。

 

考虑到夜晚、周末及寒假期间,教室内没有师生上课,故热泵机组设有定时开关功能,即提前于上课时间启动,提高室内温度,与系统24h运行相比,节能效果明显。

 

 

2.1.5安装室内FP-51型风机盘管6台

 

每间教室安装壁挂式风机盘管3台,作为太阳能采暖系统的末端,即该项目采取的是热风供暖的形式。由于学生上课的间断性,周一至周五的07:30~16:00为上课时段,周六、周日放假,故风机盘管设定的工作时间为学生的上课时间,并且根据室内温度启停,即室内温度达到设定温度时,风机盘管关闭,当室内温度降至设定温度下限时,风机盘管自动启动,不需人工操作。

 

另外,考虑到夜晚、周末及寒假等学生不上课时段,若采暖系统停止运行,室内采暖管线存在冻损的可能,故该项目采暖管线内的循环介质为防冻液,以保证不采暖时,设备及管线不会冻损。采用此方法,采暖系统可间歇式运行,进一步节约系统运行费用。

 

2.1.6安装200L采暖水箱一台及太阳能200L开水箱一台

 

本次示范工程所设计的太阳能采暖系统为短期蓄热式,根据集热器面积计算,选用200L开式采暖水箱一台,安装在新建设备间内;另外考虑到非采暖季太阳能系统的利用问题,设计安装200L太阳能开水箱一台,在非采暖季,可为全校师生提供饮用开水。

 

 

2.1.7全自动控制系统及远程监控系统

 

以上所述系统中各设备的启停、温度、时间的控制均由系统控制器控制,不需人工操作,自动化运行程度较高。另外在该项目上,我们还采用了远程监控技术,不受空间限制,只要是有网络地区,随时可以对系统各设备的运行、室内温度、水箱温度等情况进行监控。

 

2.2系统功能

 

该系统投入运行后,可为120m²教室提供冬季采暖、夏季制冷及非采暖季饮用开水等多项工程,系统全自动运行,可进行时间、温度的设定,并可实现远程监控。

 

3项目测试

 

系统投入运行后,我们于2011年1月25日~3月7日,针对各工况下,设备的运行状况、室内温度变化情况、教室外围护结构随房间温度的影响等情况做了大量的测试工作,掌握了该系统运行的一手资料,为今后系统的设计提供了宝贵的依据,具体测试数据如下:

 

3.1加装保温前后房间温度对比

 

3.1.1不采暖情况下

 

我们于2月16日、17日两天,对加装保温后,在没有任何采暖设施的情况下,教室温度变化作了对比:

 

 

表1所记录的房间温度为06:00时室内温度,此时两个房间均未进行采暖,由此可以看出,加装保温后,室内温度提高了5~6℃,且房间最低温度在0℃以上,而未加装保温的教室夜间室内温度低于0℃,加装保温后节能效果明显。

 

3.1.2采暖情况下

 

于2月17日~3月7日,对加装保温后房间温降情况进行测试并记录见表2:

 

2011年2月17日~3月7日夜间环境温度最低为-6℃,在此条件下,加装保温的房间一夜平均温降4.2℃,且夜间无任何采暖设备。在未加装保温材料前,若夜间无采暖设备,房间温度一般在0℃以下。

 

3.2太阳能采暖系统效率的测试

 

太阳能采暖系统安装完毕后,2月15日,我们对系统效率做了测试:

太阳能辐照量:4214wh/m²×18m²=75.852kW·h;

水箱得热量:5.814kW·h

采暖供热量:22.285kW·h

太阳能系统得热量:水箱得热量+采暖供热量=22.285+5.814=27.469kW·h;太阳能效率:

太阳能系统得热量/太阳能辐照量=27.469kW·h/75.852kW·h=36.%

理论计算,当天的系统平均效率为37.5%(系统散热损失按照15%计算),二者基本吻合。

 

3.3太阳能采暖教室与集中供暖教室温度对比

 

该示范项目的采暖效果要与原有集中供暖教室相对比,以下选取了部分测试数据进行效果说明,如表3。

 

 

2.教室平均温度、环境温度均指上课时间段07:30~16:00内,教室的平均温度;

 

3.由于寒假期间,学校集中供暖教室停止供暖(散热器及系统循环管路中的水放空以防冻损),故集中供暖教室平均温度从2月20日开学后为有供暖温度,之前无供暖温度。

 

太阳能采暖教室和集中供暖教室07:30时的温度对比及最高温度对比见表4。

 

 

从表4测试数据可以看出:

 

系统通过太阳能集热器、超低温空气能冷热机组的共同作用,结合定时、定温等功能的节能设计,在学生上课时间段7:30~16:00内,保证室内平均温度18℃,一般维持在16℃~20℃,室内最高温度达25.5℃;集中供暖教室平均温度15℃,一般维持在12℃~18℃,最高达22.2℃。总体来看,太阳能采暖教室温度要高于学校集中供暖教室3℃左右,无采暖、无保温的教室室内平均温度0℃。

 

3.4水箱温度尧风机盘管出风温度尧室内温度三者的关系

 

3.4.1水箱温度与风机盘管出风温度的关系

 

1月26日、27日两天,我们对水箱温度、风机盘管出风温度及房间温度分别做了记录,由于共选取两间教室做示范,故表5数据分为东侧房间及西侧房间,1月26日数据为例:

 

经过测试得出,一般室内温度稳定后,风机盘管的出风温度较水箱温度低15℃~20℃,故此类型的系统形式,建议水箱温度保持在45℃以上为宜。

3.4.2风机盘管出风温度与房间温度

 

 

由表五可以看出,在风机盘管出风温度维持在30℃以上时,可保证房间温度在16℃以上。

 

3.4.3房间温升情况

 

以房间温度升到18℃为时间节点,计算一般房间温度升至18℃所需时间,具体数据见表6:

 

 

每日测试的开始时间为06:00,也是系统开始运行的时间,一般需3.7h将房间温度由起始的5℃~8℃升至18℃,结合表2的数据,系统运行1.5h后,即学生正式开始上课时,房间温度可达到16℃,处于稳定上升状态,并较集中供暖教室房间温度高3℃左右,更好地满足了教室内师生的采暖要求。

 

3.5超低温空气能冷热机组回水温度对房间温度的影响

 

太阳能采暖系统的辅助能源为超低温空气能冷热机组,1月28日,我们对机组的回水设定温度对教室温度影响做了如下测试:

 

3.5.1设定机组回水温度为40℃

 

将超低温空气能冷热机组回水温度设定为40℃,经过9h的系统运行,房间温度由0.8℃升至14.5℃,无法继续提升。

 

3.5.2设定机组回水温度为45℃

 

 

由表7数据可以看出,将机组的回水温度设定为45℃,在环境温度平均-7.5℃的条件下,40分钟后,房间温度3℃升至17℃,升温较快,之后的20分钟,室内温度温升较慢,一直未达到18℃。

 

3.5.3设定机组回水温度为50℃见表8

 

 

由表8数据可以看出,将机组的回水温度设定为50℃,在环境温度平均-4.4℃的条件下,23分钟后,房间温度由2.7℃升至18.1℃,且房间温度处于稳定上升状态。

 

3.5.4设定机组回水温度为48℃见表9

 

 

由表9数据可以看出,将机组的回水温度设定为48℃,在环境温度平均-6.4℃的条件下,房间温度稳定在18℃以上。

 

由上述机组测试数据可知,对于采暖系统,将超低温空气能冷热机组回水温度设定为48℃为宜,可将房间温度加热至18℃以上,若回水温度设置较低,室内温度在前期上升较快,但升至某一温度后,室内温度很难得到提升;综合考虑机组的工作效率,回水温度亦不宜设置过高,故设置在48℃为宜。

 

3.6门窗的散热量对房间温度的影响

 

由于两间教室北侧都有窗户,有一定的冷空气进入,为了测试其对房间温度的影响,将东侧房间的北窗用保温材料暂时封住,分别记录两个房间的温度变化,测试时间为1月30日~2月18日,结合多天的测试数据,将北侧窗户封住的东侧房间温度比西侧房间平均高约1℃,且从表9也可看出,在相同时间内,西侧房间温降较东侧房间多1℃,而温升却较东侧房间少1℃。

 

3.7测试结论

 

加装保温材料后,房间温度较未加装保温材料的教室提高5℃,保温后教室夜间平均温降4.2℃;

 

太阳能采暖教室较集中供暖教室温度高3℃,室内温度一般维持在16℃~20℃;

 

风机盘管的出风温度较水箱温度低15℃~20℃,若水箱出水温度维持在45℃以上,房间温度可维持在18℃以上;

 

风机盘管出风温度维持在30℃以上时,室内温度可维持在16℃以上;

 

环境温度-4℃~8℃时,平均需3.7h将房间温度由5℃~8℃升至18℃,需1.5h将房间温度升至16℃以上;

 

空气能冷热机组回水温度设置在48℃为宜;

 

北侧窗户的遮掩对房间温度有1℃的影响;

 

一般需要6~10分钟,房间温度由18.5℃降至15.5℃,平均为7分钟左右,而温度再次升至18℃以上,平均仅需4分钟。

 

4节能效果分析

 

该项目的测试工作在一月底至三月初进行,为北京地区采暖季的末期,实际考虑系统节能效果时,应综合考虑整个采暖季的系统运行效率。

 

北京地区的采暖时间为120天,其中最冷的时间段为寒假期间,学生上课时间主要集中在采暖季的初期和末期,故在计算系统实际节能效果时,采暖季的初末期,环境温度、太阳辐照量及空气能机组效率等条件基本相同,故将采暖末期数据的平均值认为是整个采暖季系统运行的平均值,通过上述测试数据进行推算得出:

 

一个采暖季,太阳能系统可节能1300kW·h,热泵系统可节能4050kW·h;非采暖季,开水系统每年节能3240kW·h。整套采暖/开水系统,年节能8590kW·h。

 

结合上述的节能数据,经计算,与燃煤相比,该系统每年可减排CO₂4.3t。

 

5系统运行费用分析

 

测试时间段内,我们对该系统每日的耗电量进行了详细的记录见表10:

 

 

由表10数据可以看出:测试时间段内,太阳能采暖系统日耗电量在30kW·h~50kW·h之间,日均耗电量35.2kW·h,由于学生上课期间,经常有人出入教室,冷风渗透耗热量较大,若无此影响因素,日均耗电量将更低。

 

综合考虑整个采暖季的系统运行效率,一个采暖季的系统运行费用约为10元/m²,与原有系统45元/m²的运行费用相比,每年可节约采暖运行费用4200元;另外非采暖季开水系统可节约运行费用约1620元,则系统每年可节约运行费用5820元。

 

6推广应用

 

将该系统进行大面积推广应用,若建筑面积10万m²的项目,每年可节约运行费用约485万元,CO2减排3580t。

 

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