零碳运行的太阳能核酸采样亭研制

耿鑫帅,白 莉

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

核酸采样已成为疫情防控常态化的一项重要工作,随着《新型冠状病毒感染防控方案(第十版)》的颁布实施,室外核酸采样亭的建造要求和功能要求也随之提高.本文研制一种实现零碳运行的太阳能核酸采样亭,利用太阳能发电蓄电技术保持核酸采样亭全年温度恒定在18 ℃～20 ℃,并同时供应核酸采样亭内所有设备用电,使核酸采样亭实现零碳运行.此外,还增设了具有语音播报的自助扫码系统,在提高采样效率的同时最大限度地保护工作人员安全,避免交叉感染,营造良好的室外采样工作环境.

1 零碳运行核酸采样亭的设置

1.1 核酸采样亭简介

为使研究具有典型性,本文选取严寒地区长春市为设计计算地点.零碳运行恒温核酸采样亭如图1、图2所示,主要设备包括太阳能光伏板、蓄电池箱、光伏控制柜、自助扫码器、语音播报器、备用供电装置 、核酸采样窗口、电散热装置、照明设施、微正压风机.为了降低核酸采样亭的能量消耗,核酸采样亭主体的围护结构要求符合国家节能标准,采样亭尺寸为2 000×1 500×1 800 mm,屋顶上设置可调节的太阳能光伏发电板,并配有可调节架.

图1 核酸采样亭及室外配件示意图

图2 核酸采样亭及室内配件示意图

1.2 太阳能核酸采样亭的特点

1.2.1 利用太阳能实现零碳运行

通过设置于屋顶的太阳能光伏发电板实现光能高效率转化,将光伏板吸收的太阳能转化为电能并储存于蓄电池中,通过蓄电池供电为电暖气等电加热设备或者电制冷供电,根据《室内空气质量标准》(GB/T18883-2020)中规定,使室外核酸采样亭在冬季温度保持在18 ℃～20 ℃,同时供应核酸采样亭内其他设备用电.为安全起见还设置了备用供电装置,以备在极端天气或突发情况下太阳能光伏发电板无法工作时使用.

1.2.2 设置自助扫码功能和语音播报系统

在常规的核酸采样过程中往往需要至少2人以上进行,其中1人负责扫码、另1人负责采样.这种采样方式既是对采样人力资源的浪费,同时又容易发生采样工作人员与采样者之间的交叉感染.本研究针对此问题,在核酸采样亭中设置具有语音播报的自助扫码系统,核酸检测者自助扫码成功时语音播报系统发出“扫码成功”,否则发出“请您再次扫码”,使核酸采样工作人员和核酸检测者均能清晰地听到是否扫码成功,节约人力资源和保证采样准确率并提高采样效率.

1.2.3 设置微正压风机使室内保持微正压

为防止交叉感染,核酸采样亭内设置微正压风机,使室内保持微正压.

1.2.4 设置太阳追踪系统

太阳在一年中高度角和方位角不断变化,为保证太阳能光伏板的光-电转化效率,安装了太阳能方位检测传感器,利用光敏电阻在光照时随着光照强度的变化而变化的特性,间接确定太阳的位置进行太阳追踪.

2 太阳能核酸采样亭的计算

根据供热工程基本原理,首先计算核酸采样亭夏季制冷负荷和冬季热负荷,以确定电制冷和电散热设备的设备功率,为下一步选择太阳能光伏板、蓄电池等设备规格提供依据.为提高太阳能核酸采样亭的适用性,负荷确定分别按单人、双人核酸采样亭两种情况考虑.

2.1 冷、热负荷计算

夏季冷负荷计算采用公式:

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5;Q1=A1K1(tn-tw);Q2=A2K2(tn-tw);

Q3=X1X2X3A2;Q4=yn1n2;Q5=ns(N1+N2)

式中,Q1为墙、屋顶的冷负荷,W;Q2为外窗温差传热的冷负荷,W;Q3为外窗辐射传热的冷负荷,W;Q4人体散热的冷负荷,W;Q5为照明设备的冷负荷,W.

冬季热负荷计算采用公式:

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5;Q1=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15[1];Q2=0.278Vρwcp(tn-tw)w;Q3=NQ13

式中,Q1为墙体、窗户、门、地板、天棚的耗热量,W;Q2为冷风渗透耗热量,W;Q3为冷风侵入耗热,W;Q11为墙体的耗热量,W;Q12窗户的耗热量[3],W;Q13门的耗热量,W;Q14为地板的耗热量,W;Q15为天棚的耗热量,W;V为房间体积,m3;ρw为房间密度,kg/m3;cp为比热容J/(kg·℃).

单、双人核酸采样亭冷、热负荷计算结果祥见表1和表2.

表1 单、双人核酸采样亭冷负荷计算结果

表2 单、双人核酸采样亭热负荷计算结果

2.2 核酸采样亭总的耗电量计算

核酸采样亭所有设备电能消耗参数见表3和表4.

表3 核酸采样亭夏季设备功率、用电量

表4 核酸采样亭冬季设备功率、用电量

2.3 光伏组件的计算

由PYsyst软件提供的数据,可得长春气象月度数据,如图3所示.

图3 长春气象月度数据

光伏容量及倾角的计算[3]：

P=(p3×D×K×Es)/(Hf×η)=(0.397×8×1.2×1)/(2.791 4×0.85)=1.606kWp

式中,p3为计算负荷,kWp;D为每天用电小时数,h;Hf为太阳辐射能量最小月的平均水平面上总辐射量,在我国通常为1月的辐射量,kW/ m2;K为可靠系数,表征不间断阴雨天的裕量值,其范围可取1.2～2;η为效率系数,考虑整体系统效率,一般取0.85;Es为常数,表示特定情况下的太阳辐射能量,值为1 kW/m2.

计算光伏总量为1.65 kWp,由于设有预留负荷,故实际光伏总量应选2 kWp.

由PYsyst软件,可得长春地区离网光伏系统倾角应选为65°,如图4所示.

图4 长春太阳能组件倾角模拟

蓄电池容量的计算:长春市平均连续阴雨天数在2 d以下,本工程按2 d计算,总计需要16 h.

Ca=1 000D×Ft×P0/(U×Ka)/Vs=1 000×16×1.05×0.315/(0.7×0.75)/216=46 Ah

式中,Ca为蓄电池总容量,Ah;D为最长连续无日照用电小时数,h;Ft为蓄电池放电倍率转换系数,一般取1.05;P0为等效日均功率,kW;U为蓄电池放电深度,取值范围为0.5～0.8;Ka为蓄电池系数;Vs为电池组额定电压,V.

2.4 设备选型

由上述计算,可得设备选择结果(见表5、表6).

表5 单人核酸采样亭设备

表6 双人核酸采样亭设备

3 太阳能核酸采样亭运行一年节约的能量及减少碳排放计算

本文采用隆基光伏组件,其太阳能转化率可达15 %,求得的单、双人年太阳能发电量分别为:

EP=HA×PAZ×L×S=1 400×1.6×0.15×4.41=1 481.76 kW·h

EP=HA×PAX×L×S=1 400×1.6×0.15×6.63=2 227.68 kW·h

单、双人核酸采样亭每年可分别节约人力资源1人和2人,节约电能1 482 kW·h和2 228 kW·h,相当于节约标准煤593 kg和892 kg;减少二氧化碳排放1 467 kg和2 221 kg.

4 结论

本文应用综合利用太阳能及相关蓄能与控制技术,设计了零碳运行下的太阳能室外核酸采样亭,设计中分别按单人、双人核酸采样亭进行了负荷计算和设备选型,保证其全年维持适宜的工作环境温度.本文设计的太阳能核酸采样亭可节约人力资源,提高采样效率,节约高品位能源,基本实现零碳运行.