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太陽能供暖研究與分析


本文介紹了國內外太陽能供暖的發展現狀,分析了我國主要采暖地區所處的建筑熱工分區和太陽能資源分區,采用建筑能耗模擬分析軟件,對我國10個城市中常見的多層居住建筑進行了太陽能供暖的研究。
前言
太陽能供暖方式可分為主動式和被動式兩種。主動式太陽能供暖可以分為太陽能空氣加熱供暖系統和太陽能熱水供暖系統。太陽能熱水供暖系統又可分為太陽能季節蓄熱系統和太陽能短期蓄熱供暖系統。主動式采暖在我國起步較晚,目前國內外技術應用最為成熟,最適宜于市場化運作的為太陽能短期蓄熱的熱水供暖系統,本文僅對這種系統予以討論,若無特殊說明,下文中的太陽能供暖系統均指此系統。
1、國內外太陽能供暖的發展現狀
1.1國外
太陽能供暖在歐洲發達國家增長迅猛,如奧地利、丹麥、德國和瑞士等國的太陽能供暖系統已經占有很高的市場份額,為整個太陽能熱利用的20%~50%。
根據歐盟委員會發布的《能源的未來:可再生能源》白皮書,到2010年,歐盟將安裝1億m2的太陽能集熱器,其中太陽能供暖系統將占1900萬m2。
1.2國內
同國外情況相比,我們的技術比較落后,太陽能供暖系統的設計大多仍然停留在簡單估算的水平上,沒有成熟、成套的設計方法或軟件,而我國的能源形勢卻日趨嚴峻,且太陽能資源比歐洲國家豐富,因此我國的陽能供暖亟須得到進一步發展。
2、我國建筑熱工與太陽能資源分區
2.1建筑熱工設計分區
根據國家標準《民用建筑熱工設計規范》,我國建筑熱工設計分區分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。嚴寒、寒冷地區都有冬季供暖需求。隨著人們生活水平的提高,夏熱冬冷的部分地區也開始出現冬季供暖的需求。
2.2太陽能資源分區
我國太陽能資源分為4類地區,即Ⅰ類:太陽輻照量>6700MJ/(m2·a)的資源極富區;Ⅱ類:太陽輻照量在5400~6700MJ/(m2·a)的資源豐富區;Ⅲ類:太陽輻照量在4200~5400MJ/m2·aⅢ的資源較富區;Ⅳ類:太陽輻照量<4200MJ/(m2·a)的資源一般區。
2.3采暖區的太陽能資源狀況
我國同一熱工設計分區的太陽能資源有所不同,但2/3以上的采暖地區屬Ⅱ類以上地區,其余的采暖地區包括東北、河南、江蘇大部,內蒙古、河北、山東、山西、陜西的部分地區也都屬Ⅲ類地區,表1給出了我國部分采暖區的太陽能資源分布情況。
3、系統選擇與模擬
3.1系統選擇
從以上分析可知,太陽能的能流密度低,不同地點的太陽能資源相差很大,隨著季節和時間變化太陽能也有所不同,同時太陽能光熱轉化設備的性能除了受太陽輻照的影響外,還和其所處環境的溫度、風速、系統運行方式等有密切關系。因此,太陽能供暖系統的設計比常規采暖系統復雜。
采用哪種太陽能供暖系統與建筑物位置、形式、供暖能耗和建筑功能等多種因素有關,為了具有一定的代表性,我們選擇在我國采暖地區比較常見的多層居住建筑為參照建筑進行研究,住宅樓地上5層,每層建筑面積750m2,共計3750m2,朝向正南,屋頂為40o南北等坡屋頂,共分3個單元,每單元每層2戶,住宅按照其所處地區的節能設計標準設計。
根據這種情況,可選擇兩種最基本的系統形式,一種是單水箱間接式太陽能供暖系統,一種是雙水箱間接式太陽能供暖系統,集熱環路工質采用防凍液,輔助熱源采用天然氣。由于太陽能集熱器的集熱效率與其工質溫度與環境溫度的差值有關,溫度差越大,熱損失越大,效率降低,因此在選擇供暖系統末端時應該選擇供水溫度要求低的形式,為此可選擇低溫熱水地板輻射供暖系統。
3.2系統模擬
為了得到太陽能供暖系統的準確性能,需要利用軟件對其進行逐時模擬計算。氣象數據是系統模擬最重要的基礎數據。此次計算模擬我們采用的是在EnergyPlus官方網站上免費提供的我國數十個城市的氣象數據。很多軟件如TRNSYS都有調用EnergyPlus氣象數據的模型。
系統中各個部件的性能也是系統模擬的重要數據,與水泵的特性曲線、水加熱器的效率等數據相比,太陽能集熱器瞬時效率曲線和入射角修正系數對于太陽能供暖系統來講顯得更加重要。為了比較全面的了解太陽能供暖系統的性能,在計算機模擬時,我們建立了側重于不同角度的模型來研究:
1.不同地區太陽能供暖的保證率變化;
2.遮陽措施對太陽能供暖系統性能的影響;
3.不同系統形式對太陽能供暖系統性能的影響;
4.不同集熱器類型對太陽能供暖系統性能的影響。
4、不同區域太陽能供暖保證率的變化
太陽能保證率可以理解為在太陽能供暖系統中,供暖總能耗中由太陽能提供的百分數。在系統形式不變,太陽能集熱器參數不變的情況下,對我國主要采暖地區和夏熱冬冷部分區域十個代表城市計算結果見表2,表2中的計算數據均為采暖期統計數據。
從表2可以看出:
1.處于太陽能資源豐富區的北京、濟南等城市,其太陽能供暖保證率可以達35%以上;
2.拉薩的太陽能資源非常豐富,其采暖期的平均室外溫度也比較高,故其太陽能供暖保證率可達90%以上;
3.烏魯木齊與長春同為嚴寒地區,前者太陽能資源屬Ⅱ類資源豐富區,后者屬Ⅲ類資源較富區,但由于烏魯木齊冬季采暖期太陽輻照量低于長春市,故烏魯木齊太陽能供暖保證率低于長春市;
4.南京、上海冬季雖然溫度較高,但太陽能資源較差,故其太陽能供暖保證率并不高,但是采用太陽能供暖仍然可以解決供暖期總能量需求的30%左右。
5、遮陽措施對太陽能供暖保證率的影響
在夏季,遮陽措施對太陽能進入室內有所遮擋,可降低建筑的供暖制冷能耗,在冬季則不利于建筑物的被動式太陽能采暖。遮陽措施有很多種形式,效果各不相同,本文僅就水平外遮陽措施進行討論。表3給出了有無水平外遮陽對太陽能供暖的影響。
從表3可知:
1.增加水平外遮陽可使供暖總能耗增加約8%;
2.增加水平外遮陽后系統的太陽能供暖保證率基本不變甚至略有增加,這主要是太陽能集熱器面積不變,系統負荷加大,系統運行溫度降低,太陽能集熱器效率提高導致。
6、不同集熱器類型、不同采暖系統形式對太陽能供暖系統的影響
這一部分主要討論同一地區,在其他參數不變,只改變系統中太陽能集熱器的類型或者只改變系統貯熱水箱的形式對太陽能供暖系統的影響究竟如何。
由表4、表5可知:
1.使用平板型和熱管真空管型太陽能集熱器的系統太陽能保證率相差不大,這似乎與熱管真空管集熱器比平板型冬季熱性能要好的傳統的觀點不盡一致,但是這并不足以說明哪一種集熱器更好,同樣按照國家標準檢驗合格的太陽能集熱器熱性能可以相差很大,設計時一定要按照集熱器熱性能有關數據精心計算。
2.雙水箱系統比單水箱系統的太陽能保證率略微低一些,但是雙水箱的單臺水箱體積更小,更容易安裝,控制靈活。
7、太陽能供暖經濟性分析
房屋建設方對太陽能供暖系統的經濟性是非常關注的。從上面的分析可知,太陽能供暖系統的性能與很多因素有關,因此經濟性的評價必須與具體建筑相結合。此處我們針對本文的參照建筑,以北京市為例,對熱管真空管型、雙水箱太陽能供暖系統進行經濟性分析。
不考慮末端系統及輔助加熱設備,包括太陽能集熱系統等在內的系統增投資約為90萬元。
在非采暖季節,太陽能供暖系統可以用于生活熱水的制備,采用中國建筑科學研究院原空調所開發的太陽熱水系統設計軟件計算可得,在非采暖季太陽能可通過該系統為生活熱水提供加熱。
據首都之窗-北京市政府門戶網站信息顯示,“目前,北京市尚未實行熱計量收費辦法,這項工作是一件非常復雜的系統性工程,我市目前尚處于試點并搜集基礎資料階段,大量的論證工作正在進行當中。”參考天津、濟南、烏魯木齊等地供暖熱計量收費經驗,結合北京市的情況,參照建筑的熱價取0.06元/MJ。
經計算,該太陽供暖系統每年可節省常規能源1.27×106MJ/a,折合人民幣7.6萬元/a,系統投資的回收年限約為12a。根據國外經驗,太陽能供暖系統的壽命在15a左右。
該太陽供暖系統每年CO2減排量為60t左右。
雖然在太陽能壽命期內可以收回系統增加的投資,但是,僅從經濟性方面來看,太陽能供暖并不具很強吸引力,考慮到節能和環保效益,結合發達國家的經驗,在時機成熟時,政府應該出臺相應的政策來鼓勵太陽能供暖的發展。
8、結論
1.太陽能供暖是比較成熟可靠的技術,發達國家正在大力發展;
2.相對歐洲太陽能供暖發達地區,我國大部分采暖地區太陽能資源更為豐富,更加適合推廣太陽能供暖;
3.不同地區的太陽能供暖保證率相差比較大,設計系統要因地制宜;
4.設計太陽能供暖系統時,太陽能集熱器等主要設備的性能對系統影響很大,必須按照檢測數據對系統進行設計計算;
5.太陽能供暖有顯著的節能和環保效益,為使太陽能供暖更具經濟性,在時機成熟時,政府應該出臺相應的政策來鼓勵太陽能供暖的發展;
6.為推廣太陽能供暖技術,應開展試點示范工作,對具體工程進行系統測試分析,總結出適合我國的具體經驗;
7.太陽能供暖的實施應納入建筑工程體系,統一規劃,統一設計,統一施工,統一驗收,統一管理。

華南地區最大的平板太陽能 OEM 基地之一,太陽能熱水、采暖項目,合作咨詢:18188835196 王女士
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