基于太陽能真空集熱和有機朗肯循環技術的被動傳熱式太陽房設計*

李 龍，陸旻煒，周金龍，黃寬勝

（江蘇大學，江蘇 鎮江212013）

我國農村地區大多使用煤炭作為日常生活能源，不僅帶來了環境問題，而且引發了能源浪費現象。再加上我國農村住房的建設技術比較簡單，缺少材料使用方面的合理性、設計方面的科學性[1]，房屋保溫隔熱能力差，導致能耗過大，能源利用率低。雖然我國對建筑節能的研究相較于國外來說起步較晚，但是目前在太陽房節能方面已經取得了很大的成就。隨著科技的發展和時代的進步，節能理念貫徹到了全社會，太陽能集熱的相關技術和裝置逐漸出現。此外，有機朗肯循環、真空集熱等技術理念的提出為我國被動式太陽房的研究提供了一定的基礎。但是在增加穩定的傳熱效率和將有機朗肯循環和真空集熱等有機結合方面還存在問題。本文重點研究基于太陽能真空集熱和有機朗肯循環技術的被動傳熱式太陽房設計，在穩定傳熱效率的基礎上，將真空集熱技術和有機朗肯循環技術有機結合，實現了高效利用太陽能發電，極大地提高了能源利用效率。

1 系統的設計原理及組成

1.1 設計原理

基于太陽能真空集熱和有機朗肯循環技術的被動傳熱式太陽房系統的總體示意圖見圖1。該系統有3個子系統：一是被動太陽房系統；二是有機朗肯循環發電系統；三是儲電及調壓放電系統。

圖1 系統總體示意圖

整個系統的工作原理見第69頁圖2。被動太陽房系統吸收并轉化太陽能，通過太陽能吸熱板加熱空氣，加熱后的空氣通過真空管道輸入有機朗肯循環發電系統，低溫有機工質通過工質加壓泵進入蒸汽發生器輸出高溫有機工質，高溫有機工質經過有機朗肯循環進行熱量交換，同時做功將熱能轉化為電能，從而使得發電機中產生電量，產生的電量由儲電調壓系統儲存或釋放。

圖2 系統原理圖

1.2 系統組成

1.2.1 被動太陽房系統

被動太陽房系統包含太陽能吸熱板、內置空氣流道、隔熱材料、熱空氣傳輸管道。墻的表層及屋頂部分區域裝有吸熱材料，通過吸收太陽能加熱空氣流道中的空氣。與主動式太陽房相比，被動式太陽房不需要很多必要的部件，它主要是通過自身的結構（如墻體）、地理位置、周圍環境等因素實現儲存太陽能或者釋放熱量[2]。簡而言之，被動式太陽房基本不需要能源，而且結構簡單，成本較低，可以實現節能減排。

整個系統中被動太陽房子系統是用來收集太陽能為系統提供熱源。被動太陽房設計想要取得良好的節能效益，必須滿足下列4項基本原則[3]：第一，太陽房外部必須具有隔熱功能，從傳熱學的角度來看就是能夠保持太陽房熱量的恒定；第二，太陽房內部要有足夠多的集熱器；第三，當太陽房內外溫差過大時，需要配置一定的調節裝置，從傳熱學的角度來看就是提供內熱源；第四，盡量采用坐北朝南的太陽房，以利于提高集熱效率。

1.2.2 有機朗肯循環發電系統

在有機朗肯循環中，由于換熱器中能量損失占總體能量的比例較大，為了減少系統換熱器中的能量損失，提高熱能的利用率，系統采用梯形換熱[4]。

整個有機朗肯循環的過程見圖3。首先，將吸收熱量后的冷空氣轉化為熱空氣，熱空氣經過特定的管道進入有機工質蒸汽發生器，接著有機工質吸收能量，轉化成為較高溫度和較高壓力的蒸汽狀物質[5]，蒸汽物質通過管道進入有機工質透平；然后，進行膨脹做功，與此同時帶動發電機發電，做功后蒸汽物質從有機工質透平排出，由于排出的氣體仍然具有一定的溫度，需要經過有冷水循環的凝汽器進行熱量傳遞；最后，從凝汽器排出的氣體已經液化為有機工質，在有機工質泵的加壓作用下，有機工質重新輸送回蒸汽發生器中，一個循環周期結束，系統將會不斷地循環下去。

圖3 有機朗肯循環示意圖

1.2.3 儲電及調壓放電系統

該系統連接上一級發電系統，有兩個作用：一是調節電壓向電器供電，調配系統用電器的使用情況；二是儲存高輻射時期的過剩電量，達到高輻射與低輻射發電時期的相對平衡，等到轉化的電量相對不足時，儲存的電量可以充當臨時供電源。

2 數值計算及主要技術指標

2.1 真空導管內空氣平均溫度估計

1）被動式太陽房日平均熱傳遞平衡表達式為

To

2）太陽能集熱板面積的計算表達式為

式中：S為太陽能集熱器采光面積，m2；Qb為建筑物耗熱量，W；f為太陽能保證率，根據相關文獻此處選擇的太陽能保證率為40%；Qc為當地集熱器采光面上的平均日太陽輻照量，設計為14 000 000 J/m2；ηc為集熱器的年平均集熱效率，取值為45%；ηs為管道的熱損失率，取值為10%[3]。

2.2 有機朗肯循環計算模型

2.2.1 熱力學模型

有機朗肯循環系統模型假設：一是系統運行中所有過程為準靜態過程；二是有機工質的蒸發溫度恒定不變，不隨壓降的變化而變化；三是膨脹機和工質泵均為絕熱裝置，忽略設備與管道系統中的傳遞熱量損耗[7]；四是有機工質的物性參數不受溫度和壓力的影響。第70頁圖4為有機朗肯循環原理簡圖。

圖4 有機朗肯循環原理簡圖

2.2.2 工質泵

工質泵在實際壓縮過程中熵增大，所以計算中需要考慮泵的等熵效率。工質泵消耗的功為

式中：mwf為工質的質量流量；h4為工質泵的出口比焓；h3為冷凝器的出口比焓，此過程中損失為

式中：T0為環境的溫度；s4為工質泵的出口比熵；s3為冷凝器的出口比熵。

2.2.3 蒸發器

有機工質首先經過工質泵加壓后進入蒸發器，然后經過預熱、相變和過熱3個熱力學過程后變為高溫高壓的氣態物質。在蒸發器內從中低溫熱源單位時間吸收的熱量[8]為

式中：h1為蒸發器的出口比焓。此過程中損失為

式中：TH為廢熱熱源的溫度；s1為蒸發器的出口比熵。

2.2.4 膨脹機

高溫高壓的有機工質氣體進入膨脹機，驅動膨脹機做功并帶動發電機發電。理想狀態下，此過程為等熵過程，膨脹機對外輸出功為

式中：h2為膨脹機的出口比焓。此過程中損失為

式中：s2為膨脹機的出口比熵。

2.2.5 冷凝器

膨脹機做功產生的低溫低壓工質氣體進入到冷凝器后，與冷凝器內的冷卻水進行熱量交換。在理想狀態下此過程為等壓冷凝過程，因此單位時間內冷凝器的放熱量[8]可以表示為

式中：TL為低溫有機工質的溫度。

2.2.6 系統熱效率根據熱力學第一定律，可得系統熱效率為

它充分反映了有機朗肯循環系統的能量收益占總能量消耗的比例，即系統輸出的凈功占有機工質從熱源的吸熱量的比率[5]。

系統的凈輸出功為

它能夠反映出系統在余熱回收利用時能被有效利用的程度。

2.3 主要技術指標

2.3.1 太陽能評價指標單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%[9]。電池溫度每升高1℃，相對電效率下降0.5%[10]。

2.3.2 有機朗肯循環相關指標

透平效率：88%；工質泵等熵效率：90%；有機朗肯循環發電效率：10%；有機朗肯循環效率：15%；系統效率：65%；工質R245fa的物性參數由物性軟件REFPROP7獲得。

2.3.3 綜合指標

系統能源利用效率為85%。

3 系統可行性分析

本文重點研究基于太陽能真空集熱和有機朗肯循環發電技術的被動傳熱式太陽房系統。與傳統的化石能源發電系統相比，本系統具有以下優勢：一是能源利用率大大提高；二是對環境非常友好，可以在大多數環境中應用；三是結構簡單，便于維護，同時適用于大小型發電。

3.1 系統指標推導可行性

經過查閱資料可知，在采用被動式太陽房裝置后，太陽能提供的能量占總體能量的30%[11]。

以100 kW用電群體為例，此系統通過太陽能減少用電30 kW，每年最多可節約的電量為

按當地群體用電費用為0.6元/（kW·h）來計算，每年可以節約電費

按節約1 kW·h電可以減排0.997 kg CO2來計算，每年可減少碳排放

按節約1 kW·h電可以節約0.4 kg煤來計算，每年可以節約煤炭

3.2 理論分析推導可行性

3.2.1 系統特點

一是在蒸發過程中采用具有較低沸點的工質進行循環。二是系統中的介質均采用有機工質。三是相關硬件設施比較簡便，而且對設備的使用性能要求不高。四是從冷凝器中產生的工質的壓強p≥p0，其中p0為當地大氣壓強。

3.2.2 系統優勢

一是提高了低溫余熱回收熱效率，有利于提高項目的收益。二是比傳統的朗肯循環有更高的熱能吸收率和電能轉化率，能夠增加項目的穩定性。三是搭建成本較低，能夠實現長時間穩定收益，降低了投資的風險。四是由于壓差的原因，不容易產生工質的泄露，所以冷凝器不需要設置真空環境，進一步降低了制造成本。問題，對解決農村采暖能耗浪費問題有很大幫助。同時，可以降低房屋采暖耗能成本，推動建筑節能和綠色建筑的發展，在未來有著很好的發展前景和很大的市場價值。如果解決研發適合本地化的低成本被動式太陽房的相關困難，可以將被動式太陽房的市場價值進一步提升。

4 結束語

整個系統由被動太陽房、有機朗肯循環系統、儲電及調壓放電系統組成，系統將墻體結構作為熱空氣傳輸管道，利用太陽能加熱管道中的空氣，進而將熱量輸入低溫余熱有機朗肯循環系統中，產生的電能可以儲存到儲電及調壓放電系統中供房屋所需。這是基于原有被動式太陽房的一大創新。

總體來說，該系統結構簡單，維護便捷，建造成本低，與傳統被動式太陽房相比，采用沸點更低的有機工質，提高了余熱回收率及循環效率[12]，在回收利用低溫熱源等方面有顯著作用。系統能源利用效率達85%，節能減排效果明顯，適用性很廣泛，尤其在農村、工廠等集熱發電增益很高。

被動式太陽房充分利用了取之不盡、用之不竭的太陽能，充分實現了可持續發展，很大程度上減少了煤炭的燃燒，有效控制了資源浪費和環境污染