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到1970年,路易斯·j·莱夫科维茨在纽约和美国部分地区已经家喻户晓。当我从利哈伊大学(Lehigh University)毕业时,他已经在一个激进的纽约总检察长办公室工作了很多年,当时我刚刚获得了土木工程学位。我在路易在曼哈顿新成立的环境保护局谋得了一份环境科学家的工作。我的工作是发现污染,并帮助通过诉讼结束污染。
我在总检察长办公室做的第一件事就是组织一场关于太阳能未来的公开听证会,作为我们州和国家更智能能源未来的一部分。事情的发展很有趣。在那份工作干了三十年后,我确实成为了一名太阳能热能设计和安装人员,再加上现在的管道设计,从那以后我就一直专注于此。
五年前,当我面试一个新的NetZero全电动多户综合设施的太阳能热安装人员时,开发商问我的蓄热设计是否包括相变材料。我告诉他,我当然可以,也许我们可以负担得起安装羊脂!pcm还没有在那里找到一个家但我们确实安装了26个排水系统,今天继续非常有效地预热DHW,谢谢。我们正在一个新的更大的NetZero综合设施中重现这一成功,现在被称为Solara。
建筑电气化已经成为许多关注气候变化的国家的一项政策要求。他们正在实施旨在通过更多地依赖可再生能源来实现电力生产脱碳的政策。如果现场使用化石燃料而不是电力,那么限制人类生活方式对气候不利影响的机会就被浪费了。这就是为什么各州鼓励用电力替代供暖和制冷。
为什么是太阳能热能和光伏?
世界绿色建筑委员会(World Green Building Council)将净零碳建筑定义为高能效建筑,并完全由现场和/或场外可再生能源供电。没有太阳能收集,实现零净碳建筑基本上是不可能的。虽然太阳能发电(PV)本身可以实现这一目标,但适当规模的太阳能热系统每美元产生的能源性能更优越。混合热水热泵系统改善了这一结果。
我们在Solara(纽约斯克内克塔迪附近)实现NetZero的方法是创建一个非常紧密的高度绝缘的建筑外壳,以尽量减少冬季的热量损失,并限制夏季的热量增加。高效电器和热水装置减少了插头和热水负荷。太阳能热能和光伏阵列捕获的能量足以抵消夜间和阴天从电网获取的电力。
由于外壳和电器的高效率大大减少了电力负荷,加热人们使用的热水成为比传统建筑更大的能源消耗比例——这一事实增加了在NetZero多户建筑中使用太阳能热系统的理由。是的,光伏板可以产生能量来加热热水。但它们的每瓦热量成本更高,每平方英尺输出的瓦数也小得多。
Solara的混合热水生产系统
多户热水生产系统有五个主要组成部分:固定装置、分配管道、热水储存、水加热装置和冷水供应。在本文中,我们将重点关注水加热部分-预热(太阳能热和热泵),初级加热(电阻元件)和侧臂加热装置。
这里是剧透。下面的示意图是我们设计的,以经济有效地减少电力消耗,为Solara的10栋建筑提供热水。
让我们从这个设计的太阳能热能部分开始。简单地说,太阳能热系统由适当角度的平板或真空管阵列组成,它们从入射的阳光中捕获能量,加热传输流体(HTF),该流体通过泵送管线将能量传递到储热罐。
在夜间室外温度低于40度的地区,太阳能设计师选择防冻剂作为HTF或排水设计,使HTF返回到室内水箱中,这样它就不会结冰。一个控制器比较储罐和集热器中的传感器温度,只有当它们之间的“δ T”大于约4-6度时,才给泵通电。
许多安装人员选择的另一种循环设计是加压管线组合方法。这种设计需要一个膨胀罐、减压能力和防冻液,以防止在美国大部分地区冻结。加压系统可以减少HTF循环的寄生能量负荷,但会导致更多的泄漏和其他与压力相关的问题,如回蒸汽问题。排水系统会引起泵的空化问题,并且需要更多的功率来将HTF提升到顶部(然而,在环路虹吸建立后,功耗下降)。
在Solara,我们选择了一个开环排水系统,因为它很简单——水储存在一个大的高度绝缘的大气中,但有盖的水箱中,当太阳提供有利的热条件时,它被泵送到屋顶阵列。这些水既可以作为储热介质,也可以作为循环HTF。冷水流入浸在水中的波纹不锈钢管盘管,从而在进入DHW备用水箱之前使水变暖。
虽然压力罐是杂物间的标准设备,但更大的圆形或方形非加压“热拱顶”正受到青睐,因为它们可以更好地隔热,并能更长时间地储存更多的热量。
我们选择了1200加仑的方形水箱,因为它们提供R-30+的绝缘材料(标准压力水箱通常只提供R-14),并且可以有效地放入直线房间。这两种形状的水箱要么是折叠的,要么是从一个易于安装的工具包中预制的。只要加水,热交换器,不要搅拌(如果你想分层)!每单位热量(btu)储存的安装价格是非常有利的,甚至包括热交换器(不到一半的价格每加仑储存),他们需要最小的维护长期。
太阳能热拱顶和备用储罐的储罐尺寸需要仔细设计。对于太阳能水箱来说,通常越大越好,因为至少在东北地区,阳光不是一种可靠的商品,而水也很便宜。许多太阳能书籍建议每平方英尺集热器储存1加仑水。我们发现东北系的太阳能系统在比例加倍的情况下表现更好,我们称之为热飞轮。每平方英尺2加仑的比例,我们很少看到我们的太阳能电池板达到170度的最高水箱温度设置,即使在夏天。诚然,在阴冷多云的月份,预热温度相当低。但是,这就是热泵开始承担额外负荷的地方。
为了传递储存在拱顶水中的太阳能衍生热量,需要热交换器。我们选择了现场制造的波纹不锈钢线圈,将其悬挂在不锈钢杆框架上的水箱中。其他安装人员选择双泵焊平板或壳管式热交换器。
传统的太阳能热水备份系统
太阳能预热水(SHW)从热穹侧面的盘管歧管中出来后,进入一到两个传统的热水箱,每个热水箱都有一到两个电气元件,底部有一个螺旋盘管换热器(HX)。这些水箱有两个用途。首先,内部的热水为超过元件和HX供应的瞬时热容量的大型DHW提供热水储备。其次,水箱为电气元件提供了一个地方,以便将水提高到足够的温度,以供随后的灯具使用(如果热泵或太阳能贡献不足)。每个人都见过并可能改变过电阻元件。大多数坦克有一个或两个,其中一个通常一次发射,上面的一个先发射。
除非您的客户愿意为大型压力罐支付ASME溢价,否则大多数杂货铺都有多个并联或串联的119加仑罐。这些坦克“农场”是昂贵的购买和安装。更多的热水储存也需要更多的卫生工作。
为了减少备用储藏量,我们在一个储罐上安装了一个混合装置——一个按需电动侧臂加热器,增加了装置的瞬时加热能力。当设定值控制器感应到水箱底部附近的温度下降得太远时,它启动一个小型循环器,使“较冷”的水从水箱底部通过电加热器,电加热器将移动的水加热约30度,并将其储存在水箱的上部区域。这种“增压”加热器可以让我们为客户提供一个而不是两个水箱。
热泵混合热水系统
是的,在美国东北部,我们需要为我们的SHW系统提供备用电力。旧的可靠方法是电阻元件——那些在水下像灯泡一样工作的简单装置。他们的效率很高。大部分电在水中转化为热量单位。但现在我们可以做得更好,这要归功于效率超过400%的热泵(hp)的出现;性能系数(COP) 4.0。
正如大多数读者所知,目前市场上有空气对水(A-W)和水对水(W-W)热泵。一些A-W HPs是混合电热水器,在室内使用。一个小的HP处理大部分热水热负荷,但电阻作为备用源。虽然建筑物内部的热量为这种HP提供燃料,但有些设备也可以通过管道输送到室外。然而,由于废热很少可用,室内热电在NetZero建筑中不能很好地工作。
热泵依靠气/液相变化来实现高cop。可悲的是,大多数制冷剂气体会造成全球变暖潜能值(GWP),并会消耗臭氧层。A-W HPs依赖于CO2、R410A和R134。二氧化碳对气候和臭氧几乎没有影响。另外两个则多出数百倍。有几家公司提供基于二氧化碳的惠普,其中一家是这种规模建筑的候选产品。我们不得不拒绝这个设备,因为它与太阳能预热系统不兼容,因为它使用水作为HTF——我们不想冒结冰的风险。由于R410a具有最佳的寒冷天气和温度范围性能,因此我们将选择限制在该制冷剂上。
较大的A-W hp为拆分。泵送HTF将热量从室外风扇压缩机箱输送到建筑物内的HX,并依赖于R-410A和R-134制冷剂。山登品牌指定水作为HTF(很好地适应温带气候),大多数其他使用防冻剂,以防止冻伤。W-W HPs依靠流体提供热量。许多是“地质”型热泵,依靠深井或埋在地下或悬浮在湖中的细长HDPE管道。一般来说,W-W型热泵的安装成本更高,并且可能具有更大的泵功率负荷。
我们为Solara选择了寒冷气候的A-W分体式R-410A hp,因为它们的尺寸(2-3吨)符合我们在冬季估计的补充负荷,它们的成本是合理的,并且因为它们的安装很容易。是的,在寒冷的天气里,空调的性能可能会受到影响,但最近这些天非常寒冷的天气的小时数已经大幅减少。然而,我们购买的三个品牌中的一个在10华氏度的测试中表现非常好。我们将运行这些热泵大约40- 50%的时间。在一年中剩下的时间里,太阳系承担了大部分的负荷。今年冬天,我们评估了这些热泵的性能,并选择了两个指标(产生的英热单位/小时/安培和cop)和原始热量(英热单位/小时)来衡量性能。
混合热水系统的太阳能尺寸
让我们来考虑混合DHW生产设计的一个非常重要的因素——即热拱顶和面板阵列的尺寸。我们的设计过程包括对各种负载假设的太阳能/HP模拟(我们使用Polysun和TRNSYS软件)的依赖。通过改变太阳能电池阵列的面积、热拱的体积和热泵在许多敏感运行中的容量,我们能够找到一个最佳点,在有效满足估计负载的同时,将安装成本降至最低。结果是最大限度地减少了电力消耗!
对于这些NetZero的全电建筑来说,找到这个最佳点需要考虑热太阳能和光伏太阳能阵列之间的成本和性能权衡。太阳能热阵列越小,热泵和电阻元件所承载的负荷就越大——这些装置由光伏电池板(以及阴天的电网)发射。由于PV板的成本/kw(或btu)是热板的几倍,“合适尺寸”的热阵列可以最大限度地减少PV板的投资。然而,如果热阵列太大,它们每年生产的成本就会增加,因为它们在夏季产生的热量比储存或使用的要多。这种权衡分析并不是微不足道的。它需要一个迭代的方法,因为每个场景不仅需要能源生产模拟,还需要每个主要元素的成本估算。
最后,我们选择将热阵列缩小到更具成本效益的尺寸(23.3平方英尺/套公寓,而早期NetZero村庄综合体的每套公寓为46.7平方英尺)。那里没有安装A-W HPs。但是,我们将热拱顶的体积从每平方英尺1.03加仑增加到每平方英尺2.14加仑。对于阴天的热水生产,我们选择了两个并联的108加仑HX DHW水箱,5,500瓦(4700瓦,208 vac)的电气元件(每个水箱一个)和每24栋公寓楼一个A-W HP。到目前为止,在5月至9月期间,SHW系统几乎完全承担了大部分热水负荷,而热泵混合方式则弥补了今年剩余时间的日常热赤字。
下一篇文章
在下一篇文章中,我们将讨论我们如何评估夹具性能,并将正常的主干-分支-小枝DHW分配系统设计修改为小直径主干-无分支-全打3/8”油管小枝方法。目标很简单:尽量减少浪费的热量和水,并将建筑物内的淋浴和厨房水槽的输送时间缩短到15秒左右。