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多年来,在本系列文章中,我一直在阐述太阳能/水力循环设计和安装的关键要素可以分为“优秀设计的六个原则”。如果水力组合系统要成为其他传统热系统的真正替代品,那么它必须在各个方面都做得更好,因为它提供了一种比旧的或更传统的技术更可靠、更有效、更兼容、更优雅、更可维修和更高效的新技术。
我们最近的经验告诉我们,在我们最成功的combissystem安装中,“验证”问题已被证明是高效性能和用户满意度的关键。这就是所谓的“优秀设计的第七原则”。任何水力热系统的能源性能,旨在提供示范性的燃料节约和效率必须易于验证。也就是说,必须有一种方法来证明预期的节省已经实现,并且随着时间的推移是一致的。
在SolarLogic,我们开发了SolarLogic集成控制(SLIC)系统,专门为我们自己的项目提供这样的解决方案。万博手机版登录本官网这是一个集成的控制系统,包括可通过互联网访问的连续数据记录。它还通过Internet提供实时远程监控和远程控制。能源计量是内置的,有一个仪表板显示,以及所有的智能控制功能和能力需要控制一个组合系统在一个单一的控制盒,不需要编程。为了演示“验证”的好处,让我们回到洛斯阿拉莫斯生态站,在那里可以通过Internet随时监视实时和历史性能。现在可以获得2013年和2014年的完整数据。
生态站的可再生能源
洛斯阿拉莫斯生态站建于2008年,是新墨西哥州洛斯阿拉莫斯回收中心的总部。由于其屡获殊荣的可再生能源设计,我们在之前的几篇文章中对它进行了特别介绍。这是一座小型商业办公楼,面积约1800平方英尺,外观普通。但凭借LEED银级,太阳能水力加热,夜空辐射冷却,连续数据记录,远程监控和远程控制,它提供了一个具有成本效益的节能建筑性能的窗口,可能是世界上独一无二的。
该建筑使用了一个“新标准”的水力循环加热系统,将太阳能集热器与生活热水、辐射加热地板和备用锅炉连接在一起,所有这些都在中央控制下。管道概念图如图82-1所示。有一组单独的平板面板,在夏天提供冷却。由于SLIC控制系统,太阳能空间供暖,夜间制冷,太阳能DHW和备用锅炉都是相互连接的,功能齐全,无需任何大型储热水箱。该系统在智能控制下利用混凝土辐射加热地板本身的储热能力,从而消除了对大型储热罐的需求。由于SLIC控制系统(2012年升级)包含一个集成的数据记录器和能源计量,我们现在可以回顾过去两年的可再生能源系统的运行情况。
太阳能加热系统是如何工作的
太阳能集热器可以在图82-2的照片中看到,安装在朝南的垂直墙上。有10个平板板连接成一排,总共有251平方英尺的净集热器面积。这些都是菲斯曼的玻璃,隔热良好的Vitosol 100收集器。垂直倾斜允许集热器在仲冬最需要空间供暖的时候,在低太阳角度提供最大的热量输送。在夏季,高太阳角度在这个集热器倾斜处为建筑中的生活热水提供了足够的太阳能热量,这自然有助于防止夏季太阳能过热。
在冬季,主回路管道配置允许太阳能热量直接传递到混凝土辐射加热地板,绕过生活热水箱。它还可以绕过地板向水箱输送热量,或者可以同时进行两种加热工作。在这种类型的“新标准”配置中,热量的传递仅仅通过打开或关闭水力循环泵来控制。SLIC控制器根据可用温度和需要加热的加热作业的优先级设置做出加热决策。两级房间恒温器用于在不同的空间加热区域建立优先级。
室内恒温器:两级太阳能热控制
当室内恒温器发出“第一阶段”供暖信号时,控制器会一直等待,直到有太阳能可用。白天,当控制器感觉到集热器足够热时,太阳能循环器与相应的区域阀和地板循环器一起打开,用于需要热量的房间。太阳热量直接传递到混凝土辐射地板中,混凝土的蓄热能力开始吸收和储存太阳热量。随着时间的推移,地板的热质量变暖,大量的太阳能热量被直接储存在房间的混凝土中,温度相对较低。当地板表面开始为房间提供足够高的温度时,达到“第一阶段”设定点的上限,热量的传递停止,以防止房间超过人体舒适的范围。如果有更多的太阳热量可用,控制器将其发送到其他尚未达到最高极限温度的房间,或者将热量发送到热水箱。通过这种方式,控制器将太阳能热量分配到整个建筑中,直接将其存储在地板的热质量中,以及DHW水箱中。
如果室温低于第一阶段设置,则需要“第二阶段”加热。这告诉控制器,太阳能的热量跟不上房间里的热量损失,允许备用锅炉贡献热量。控制器允许锅炉循环泵打开,以及与房间恒温器相关的区域阀和循环泵,需要热量。控制器将允许太阳能热继续循环,只有当它足够热,为锅炉提供预热。控制器可以在部分阴天循环太阳能贡献的开启和关闭,以控制预热温度。室内恒温器可以由使用者调节,因此他们可以选择一个舒适的目标温度,甚至不需要意识到控制器中正在进行的两阶段控制逻辑。
2013年和2014年的太阳能采暖性能
图82-3所示的能量图显示了2013年(蓝色)和2014年(黑色)逐月交付给建筑物的太阳能热能。这种热量在主回路中测量,因为它被输送到辐射地板或DHW水箱。所以,它不仅是一个理论上的太阳能热可用性,而是实际的太阳能热量输送到建筑物。由于它在建筑物中被用于有用的目的,因此它代表了锅炉所需的实际燃料补偿。实际节省的燃料比这张图中看到的要高一些,因为这张图没有包括如果锅炉提供热量就会上升到烟道管的浪费燃料。对于这种冷凝锅炉,烟道损失很小,约为5%至10%。
使用这样的能量图,建筑物所有者或运营商可以快速验证太阳能加热设备是否以合理可靠的方式运行。例如,该图显示收集器在冬季放出大量热量,这与这些收集器的SRCC测试评级中看到的数量相比较。并且,它证明了有足够的太阳能热量来提供最小的夏季DHW热负荷,显示了垂直集热器在此安装中的有效性。
利用SLIC控制系统记录的其他数据,可以确定循环泵消耗的电能。当你比较输送到泵的热能-消耗的能量时,你可以计算等效的性能系数(COP),这是比较太阳能加热系统效率的一种有趣的方法。在这种情况下,在12月的一个典型的日子里,如果太阳能抽水系统每天运行5小时,每天输送16.7万btu, COP可以估计为刚刚超过47。换句话说,运行太阳能循环器所需的每一单位能量,就有47单位的有用热能被输送到建筑中。这确实是一个非常高性能的“热泵”。
NSRC冷却系统是如何工作的
在图82-4所示的照片中,可以看到夜空辐射冷却(NSRC)面板,垂直安装在几乎平坦的屋顶上。有12个平板面板连接成一个银行,总面积为576平方英尺。这些是来自Sun Ray Solar (4x12)的无釉铜翅片管面板。水平倾斜使面板能够清晰地“看到”夜空,这样热量就可以从这些金属板的表面以直接和畅通的直线辐射到寒冷的夜空。在一个晴朗的夏季夜晚,金属板将通过辐射到寒冷的天空而迅速失去热量,以至于面板表面的温度将远远低于周围的空气温度。这些冷面板被用作建筑物内循环流体的冷却源,冷却流体可以通过混凝土地板泵送-通常在夏天整夜-在下一个温暖的日子之前预冷却混凝土地板。
SLIC控制系统切换到夏季冷却模式,白天允许DHW太阳能热水加热,晚上允许NSRC地板辐射冷却。夏季夜间操作类似于太阳能集热器的控制方式,除了所有的热控制决策都是相反的。因此,当一个房间的恒温器设置为夜间冷却时,系统会等待,直到屋顶上的冷却板冷却到足以完成这项工作。循环泵打开,使乙二醇液体通过冷却板,冷却通过需要冷却的房间地板的液体。用于夜间制冷的同一个热交换器也用于白天的太阳能加热。当混凝土辐射地板在夜间进行预冷时,房间会比正常情况下保持凉爽,直到下一个温暖的日子,这减少了(或消除了)第二天建筑物中传统空调的运行时间。由于冷却地板是由区域阀门和室内恒温器控制的,当该区域达到舒适的冷却温度时,它们将关闭冷却。
2013年和2014年的NSRC(冷却)性能
图82-5所示的能量图显示了两年来每月向建筑物输送的NSRC(冷却)能量。这种冷却能量是在主回路中测量的,因为热量从辐射地板上被带走。这是NSRC系统用BTU测量的,从建筑中带走的实际热量。由于这种能量是从地板的热质量中去除的,在建筑的绝缘外壳内,它代表了建筑中舒适温度的实际变化,这将抵消传统空调的运行时间,传统空调在自己独立的恒温器和控制系统上运行。
如图82-5所示,2013年整个制冷季,制冷系统平均每晚输出5万~ 6万btu。当我们查找所需泵送能量的数据时,估计COP在7到18之间。在2013年期间,NSRC控制系统进行了多次修改和调整,因此冷却性能尚未真正优化。但有了这些数据,我们至少可以证实它在2013年夏天一直在工作,而且COP(效率)至少是普通空调的两倍。
2014年的制冷性能较前一年有明显改善。这很可能是由于控制系统管理人员在观察整个2013年的能源表现时,对房间恒温器管理和其他控制进行了调整。与2013年一样,空调在5月开启,10月关闭,但输送到建筑物的冷却能量平均约为2013年的两倍。它在9月和10月达到峰值,大约是前一年的四倍。因此,2014年,NSRC冷却系统每晚输出50,000至197,000 btu,仲夏的典型COP估计为20至40,10月的峰值COP约为60。这非常接近于“自由冷却”。
这里提供的信息只是基于能源数据的快速实际检查,使用SLIC仪表板风格的在线显示很容易按需查看。当然,数据存在于这个系统的日志文件中,以便在需要时更详细地检查和评估任何感兴趣的内容。这就是我们所说的能源性能必须是“可验证的”。
最后指出
这些文章针对的是小于10,000平方英尺的住宅和小型商业建筑。重点是加压乙二醇/水力系统,因为这些系统可以应用于各种建筑几何形状和方向,几乎没有限制。这些文章中提到的品牌名称、组织、供应商和制造商仅为说明和讨论提供示例,不构成任何推荐或认可。n
布里斯托尔Stickney从事太阳能水力加热系统的设计、制造、维修和安装已有30多年的经验。他拥有机械工程学士学位,是新墨西哥州的许可机械承包商。他是位于新墨西哥州圣达菲的SolarLogic LLC的首席技术官,在那里他参与开发太阳能加热控制系统和为太阳能加热专业人员设计工具。访问www.solarlogicllc.com了解更多信息。