北京“北苑太阳能技术应用示范工程”详细介绍

北京“北苑太阳能技术应用示范工程”详细介绍
2005-11-29
韩建功
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为了实现2008年北京奥运会的“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”目标，根据北京市计委的统一安排，北京市太阳能研究所先期启动了奥运示范项目——北京市太阳能技术应用示范工程。该工程位于北京北苑路大羊坊奥运公园的东侧，项目主要包括“100千瓦太阳能光伏发电”和“300千瓦太阳能采暖空调”两个综合示范系统。建筑物顶层完全采用太阳能为其供电、采暖、制冷和供生活热水。本示范项目将为“太阳能与建筑结合、太阳能光电、光热综合利用”积累经验和数据。
国内，根据国家科委的安排，由北京市太阳能研究所承担的“九五”国家科技攻关项目——山东省乳山太阳能吸收式空调及供热综合示范系统运行良好。该系统采用540平米的热管式真空管太阳集热器，空调、采暖面积为1200平米。该综合示范系统为我国太阳能采暖、空调以及生活热水示范项目的实施，积累了宝贵的经验。
工程项目原始参数。示范工程地处北京，地理位置约位于东经120°，北纬40°；夏季气温38℃左右，冬季气温－15℃左右；年平均太阳辐照度约为17MJ/㎡，具有较好的太阳能资源；夏季和冬季又分别有制冷和采暖的需求。示范工程的建筑面积2600㎡，为办公用房；要求室内温度冬季不低于16℃，夏季不高于26℃。
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工程项目研究内容：
（1）对太阳能采暖、空调以及生活热水综合系统进行总体优化设计，以保证系统运行的安全、可靠、节能和实用；
（2）太阳能与建筑的结合方式，尤其是与建筑物屋顶和墙面的结合方式；
（3）真空管太阳能集热器与综合系统，尤其是与吸收式制冷机的合理匹配　　
（4）太阳能集热器阵列的优化布置；
（5）太阳能综合系统中的辅助能源设备和储能设施；
（6）研制运行可靠、操作简便的自动控制系统，并对其进行智能化；
（7）太阳能综合系统的长期运行性能；
（8）对太阳能综合系统与常规系统的技术经济性进行比较。 

主要技术指标：
（1）太阳能集器：采光面积850㎡；涂层吸收率≥0.92；涂层发射率≤0.08；玻璃管透过率≥0.90；
（2）制冷、采暖功率≥300kW；
（3）热水供应能力。非空调采暖季节，每天提供生活、科研用热水50吨；
（4）空调采暖面积2600㎡；
（5）太阳集热器工作温度80-95℃； 
（6）太阳集热器平均效率≥40%；
　　（7）太阳能保证率。全年平均60%。 　　
根据上述技术指标，设计了太阳集热元件，溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活热水换热器、循环水泵、冷却塔、风机盘管、辅助锅炉和自动控制方案。
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技术方案。
太阳能吸收式空调及供热系统的总体要求是夏季提供空调制冷、冬季提供采暖和春秋过渡季节提供生活用热水。本系统主要由热管式真空管集热器阵列、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活热水换热器、循环水泵、冷却塔、风机盘管、辅助锅炉和自动控制系统等几大部分组成；每个循环泵组均采取双泵配置，一备一用，以确保系统可靠运行。
　　太阳能采暖空调管系原理见图1。
集热蓄热循环系统。集热蓄热系统由太阳集热器、储热水箱、辅助电锅炉以及循环泵组B1、B2组成。
太阳集热器采用由北京市太阳能研究所研制的热管式真空管作为集热元件，具有热效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可靠、维修方便等诸多优点，是组成高性能太阳能综合热利用系统的重要部件。本系统的太阳集热器阵列由3000余支热管式真空管组成，总采光面积860m2，布置为5个子阵列并联安装在屋顶平台上，每个子阵列又由5排集热器并联而成，既减小了系统的流动阻力，又方便了集热器的日常维护。集热器安装支架与屋顶同时设计施工，确保了与建筑结构一体化以及牢固性和防水性。
为了保证系统运行的稳定性，减小负荷因为太阳辐照变化而产生变化的影响，设置了大吨位的储热水箱。当有太阳辐照时，启动循环泵组B1，用太阳能集热器对储热水箱的水进行循环加热；当循环泵组B1停止运行时，太阳集热器内的水自动流回储热水箱，从而可以避免管路冬季冻坏的危险。当太阳辐照不足或储热水箱的水温低于设定值时，启动辅助电锅炉和循环泵组B2对储热水箱的水进行加热。储热水箱储蓄的热水作为采暖、空调的热源。
储热水箱还设有换热器组，通过换热可提供生活、科研用热水。
采暖循环系统。采暖循环系统由储热水箱，循环泵组（B6），风机盘管组以及相关阀门组成。 　　
开启阀门V1、V2、V4和V5，关闭阀门V3、V6和V7；启动循环泵组B6，抽取储热水箱内的热水，泵往风机盘管组，供各个房间采暖后返回储热水箱，完成采暖循环。
制冷蓄冷空调循环系统。制冷、蓄冷及空调循环系统由储热水箱、溴化锂吸收式制冷机、冷却塔、循环泵组（B3、B4、B5、B6），储冷水箱、风机盘管组以及相关阀门组成。
开启阀门V1、V2、V3、V6和V7，关闭阀门V4和V5； 启动循环泵组B3，抽取储热水箱内的热水进入溴化锂吸收式制冷机作为其工作运行的热源，再被泵回储热水箱，完成向制冷机供热的循环；
启动循环泵组B4，完成溴化锂吸收式制冷机与冷却塔之间的散热循环；　　
启动循环泵组B5，抽取储冷水箱内的水进入溴化锂吸收式制冷机进行制冷，再被泵回储冷水箱，完成制冷蓄冷的循环；
启动循环泵组B6，抽取储冷水箱内的冷水，泵往风机盘管组，供各个房间空调后返回储冷水箱；完成空调循环。
维持溴化锂吸收式制冷机正常工作需提供不低于88℃的热水；制冷机可产生8℃左右的冷水蓄存在储冷水箱内以供空调之用。为保障空调系统能够稳定运行，设置了大吨位的储冷水箱。设夏季的环境温度为30℃，由于蓄冷的散热温差（约22℃）远远小于蓄热的散热温差（约58℃），因此夏季应该尽可能多地蓄冷以减少热损，来提高系统的效率。
控制系统。北苑太阳能采暖空调示范工程，采用了自动控制和手动控制两套控制系统。
平时以自动控制为主，用计算机自动采集各循环系统的温度、流量等数据，按输入的控制程序对相关的泵组、设备自动进行“启动”和“停止”控制，对各系统运行按需要进行自动切换，并将运行的详细情况在大型显示屏上进行实时动态显示。哪些系统在运行，运行参数为多少，等等，一目了然，极大地方便了对系统运行的管理。
手动控制是自动控制的必要补充，以确保系统运行的可靠、安全以及可控。
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结束语
北苑太阳能采暖空调示范工程于2004年9月安装完毕，并对各个系统的运行进行了调试，结果令人满意。太阳集热系统调试运行正常，2～3天即可将储热水箱内几十吨水从常温加热到96℃左右，满足了制冷、空调以及采暖调试的要求。溴化锂吸收式制冷机调试运行正常，数小时内即可将储冷水箱内几十吨水从常温降温至8℃左右，完全可以满足空调的需要。冷却塔、风机盘管等系统也均调试运行正常。自动控制系统正在调试中，2005年3月将完成实际采暖运行的检验。
北苑太阳能采暖空调示范工程的建成投入运行，为北京市太阳能研究所建成国际先进、国内一流的太阳能高新技术研究中心，建成国内最大规模的太阳能产业基地奠定坚实的基础。并将提高我国太阳能领域的技术创新及转化能力，带动全国太阳能事业的发展。