严寒地区太阳能采暖应用与实例分析

啊　蟹囡豳幽　严寒地区太阳能采暖应用与实例分析　口哈尔滨工业大学邹斌姜益强　■臣圈　基于严寒地区采暖应用的目的，本文详细介绍了太阳能采暖系统的基本组成及其各部件在严寒地区的选取原则　及应用特点；然后，以大庆市与哈尔滨市的两个太阳能采暖实际工程为例，分别通过实测分析与模拟研究，对两个　太阳能系统的运行特性及其能耗与经济性能进行了探讨与评估，结果表明，两个太阳能采暖实际工程均具有不错的　节能性与经济效益。　Ｉ雹团　严寒地区；太阳能采暖；系统介绍；实例分析　１．１太阳能集热器　目前应用于太阳能供热采暖的太阳能集热器主要有平板型太　阳能集热器、真空管式太阳能集热器以及槽式太阳能集热器等。　平板型太阳集热器是最基本的类型，其结构简单，运行可　靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳　能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。但是平板集热器散热　损失大，在寒区冬季应用时难以防冻且容易堵塞，这极大地限制　了其在严寒地区的采暖应用。　真空管式太阳能集热器是另一种常用集热器，具有启动快、　不结垢、保温好　耐热冲击性好等优点．并且随着技术创新，成　本大幅度降低．是国内应用最广泛的太阳能集热器。但真空管太　阳能集热器在严寒地区应用时也难以防冻，同时容易出现爆管现　象．系统可靠性较低，这也是制约其应用的主要因素。　槽式太阳能集热器是一种聚光型集热器，其基本原理是槽式　近年来．由于常规能源的急剧消耗引起的能源资源匮乏以及　态环境恶化问题已经严重影响到我国经济社会的健康发展和人　反射镜将太阳光汇聚反射到位于焦线处的太阳能集热管上，集热　管吸收热量从而加热导热介质。同时，追日系统控制集热器的逐　时追日过程，以最大限度地吸收太阳能。由于具有聚焦和追日的　的正常生活。而在北方严寒地区．冬季采暖是建筑能耗大户，　燃煤为主的采暖方式不仅加剧了能源紧张的严峻形势．而且引　了严重的空气污染．成为雾霾频发的重要原因。太阳能作为～　取之不尽用之不竭的清洁能源，正越来越广泛地应用于生产和　特性．集热管表面的能流密度高．能够将导热介质加热到较高温　度，能很好地适应较高水温要求的采暖末端（如散热器等）或驱　动需要较高温度的热源（如吸收式热泵等）：槽式太阳能集热器　活领域。在北方严寒地区．利用太阳能采暖对减少常规能源消　和缓解空气污染具有重要作用。　本文首先对太阳能采暖系统各组件的基本构成及其在严寒地　的应用特点与注意事项进行全面的介绍，然后详细介绍了在严　的集热管由金属吸热管和玻璃套管组成，两管之间抽成真空，保　温性能非常好，并且金属吸热管也不会出现爆管的现象，可靠性　高：槽式集热系统的传热介质可采用低凝点（一４０。ｃ）的导热油，　冬季运行时可不考虑系统防冻。正因为能够克服传统平板型太阳　地区得到应用的两个太阳能采暖系统的实例，并对这两个系统　别进行了实测分析与模拟研究。　能集热器和真空管式太阳能集热器的缺点，槽式太阳能集热器得　到了越来越广泛的应用。不过　由于槽式集热器必须逐时追日，　其对追目系统以及控制系统的精度要求很高，受风载的影响较　太阳能采暖系统基本构成与特点　太阳能采暖系统主要分为被动式太阳房与主动式太阳能采　大　且系统比较复杂．初投资高。因此．提高聚光集热性能和降　低成本是槽式集热器进一步推广应用需解决的两大难题。　系统，本文所讨论的采暖系统仅限于主动式太阳能采暖系统．　并不涉及被动式太阳房。主动式太阳能采暖系统主要由太阳能　热器、蓄热装置　辅助热源、管网系统以及末端设备等部件组　．１．２蓄热装置　太阳能的供应与系统需求在时间上不匹配是太阳能利用永久　存在的问题。为解决这一问题．蓄热装置成为太阳能供热采暖系　统不可或缺的重要组成部分。在太阳能富余或不用太阳能时，利　其各自具有不同的类型及特点。　研究篇■　用蓄热装置将未利用的太阳能储存起来．在需要用能时再释放出　来，实现太阳能时间上的转移，从而及时满足建筑用能需求。太　阳能蓄热系统分为短期蓄热和季节性蓄热两种。　１）短期蓄热　供暖．必须为太阳能供热采暖系统配备辅助热源。目前应用于实　际的辅助热源有燃油锅炉、燃气锅炉、电加热设备、热泵等几种　形式。燃油、燃气锅炉控制方便．便于调节．可方便实现白控运　行．适合于大型的供热采暖系统，但设备间需满足消防要求，同　短期蓄热是太阳能蓄热中最常见的形式．它的蓄放热循环周　期较短，一般在几个小时到一周不等。短期蓄热一般采用水或相　变材料进行蓄热　应用最广泛的是水箱蓄热　由于蓄存的热量相　时．当地应具备较为充足的燃油（气）供应；电加热设备易安装　控制方便　是太阳能热水系统最常用的辅助热源．但运行费用较　高，有时因需电力增容大大提高系统投资；热泵使用费用低　控　制方便．且能提升低品位热能．节能环保性能好．但设备初投资　对较少，水箱容积一般不大。短期蓄热的太阳能系统较简单，控　制管理也很方便，成本也相对较低。目前，太阳能供热采暖系统　绝大多数采用短期蓄热的方式。　２）季节性蓄热　季节性蓄热的基本含义是指将非采暖季集热系统收集的热量　绝大部分通过换热器送入蓄热装置中储存起来．冬季再将蓄热装　置中的热量提取出来　通过供热管网输送到用户末端。季节性蓄　热的时间跨度较长．一般为３—４个月．有时候能达５个月以上．因　此．其蓄存的热量很大，需要特殊的蓄热材料和装置。目前，主　要的季节性蓄热方式有热水蓄热、地下埋管蓄热、砾石一水蓄热、　含（蓄）水层蓄热四种。由于水的密度及比热大　单位容积的蓄热　量大，同时蓄，取热的速度也快，因此．热水蓄热是应用最佳的一　种季节蓄热方式。其最关键的问题是水箱围护结构必须具有优异　的保温隔热性能。地下埋管蓄热是通过地下埋管将热量直接存储　至埋管周围的土壤中。埋管蓄热方式比较适合有岩石和饱和水土　壤的地质结构．在实际应用中，一般采用垂直钻孔埋管换热器，　有单Ｕ型和双Ｕ型两种形式。埋管蓄热方式的最大优点在于能实现　模块化设计．根据负荷的增加可以添加埋管进行适应性调节。但　与热水蓄热方式相比，其容积要大３－５倍。砾石一水蓄热是在内壁　敷设有不透水塑料材料的蓄热槽中，填充一定密度的砾石一水混合　物．作为主要蓄热材料。这种方式的特点是不需要特别的承重框　架．因为作用力被砾石分解至蓄热槽的四周及底部区域。但是，　由于砾石－水混合物比热较小．在相同蓄热量的情况下．其装置容　积要比热水蓄热高出５０％左右。含（蓄）水层蓄热系统主要由冷井　和热井组成。蓄热时　地下水从冷井中抽出，经太阳能系统加热　后．重新注回热井　释热时，地下水的流程则与蓄热时相反。含　（蓄）水层蓄热方式对于技术性的要求较高．需要矿产学、地质化　学甚至微生物学方面的知识　以保证整个系统的安全可靠性。此　外．在系统运行过程中　还需特别注意防止出现塞井、腐蚀、以　及霉菌等现象。　总之．在实际工程中，具体采用哪种蓄热方式必须考虑当地　的地理位置、气候特点、地质水文等条件．还要进行必要的技术　经济分析。此外，对于地下埋管蓄热和含（蓄）水层蓄热．要进行　先期的地质勘探工作，并获得有关管理部门的施工许可。　１．３辅助热源　由于太阳辐射随昼夜季节变化很大，且易受雨雪云雾天气　的影响．因此具有间歇性和不稳定性的特点，为保证建筑物稳定　高．此外北方严寒地区冬季气温太低　空气源热泵运行能效比　差，难以应用，而土壤源热泵的使用则必须考虑冷热平衡问题，　因而其与季节性蓄热相结合的方式相对广泛。因此，在选择辅助　热源时．要综合考虑建筑状况、气候条件、能源供应、经济政策　等各方面因素。　１．４散热末端　目前．在太阳能采暖领域使用最为广泛．效果最好的末端形　式是低温热水地板辐射采暖。低温热水地板辐射采暖要求进水温　度较低（低于６０。ｃ），能与常规的平板型和真空管式太阳能集热器　很好地匹配。这种采暖形式是从地面向上散热．使脚部先受热．　符合人对舒适度的要求；同时，该采暖形式的管路隐蔽　无任何　障碍物，不影响室内美观，且管道寿命长。同样适用于低温的还　有风机盘管，风机盘管相对于地暖而言没有耗时繁琐的地面施　工．比较容易实现　但其供热效果及舒适度不如地板采暖　同时　还要消耗一定电能。　需注意的是，近年来．随着建筑节能要求的不断提高　新　建建筑的保温能力不断加强以及既有建筑节能改造工作的不断深　入，建筑物的负荷正不断减小　传统散热器的供回水温度也逐渐　降低，有许多节能建筑的散热器采暖设计温度甚至已经在６０　ｃ　以下。因此．散热器采暖也越来多地应用到了太阳能供热采暖当　中。特别是对于某些节能改造后的既有建筑．若建筑保温能力足　够好．可显著降低散热器设计供回水温度，在应用太阳能供热采　暖系统时　可沿用原始散热器作为其采暖末端．这样一方面省去　了末端改造，节省了大量资金和材料：另一方面避免了室内施　工．不会对用户正常生活造成大的影响。当然．若建筑保温还不　足以将散热器设计供回水降低到很低的水平　为保证供暖的稳定　性，可采用槽式太阳能集热器等适应较高温度的太阳能集热器。　２、严寒地区太阳能供暖系统实例分析　２．１大庆市某商业建筑的太阳能热泵系统测试分析　２．１．１系统原理与建筑概况　大庆市某一单层商业建筑采用了太阳能热泵系统．其主要设　备有真空管式太阳能集热器、水源热泵、蓄热水箱、辅助热源、　换热器．采暖末端等．原理图如图１所示。系统具有太阳能直接供　热与蓄热，蓄热水箱直接供热或通过热泵供热以及利用蓄热或辅　…）ａＦ‘岷垂鞋　幽　助热源对太阳能集热器进行防冻多种功能。　图１太阳能热泵系统原理图　本建筑总的供热面积为４０００ｍ　．采暖总负荷１６０ｋＷ．集热器　面积８１４ｍ　．蓄热水箱４０ｍ。．热泵制热量５０ｋＷ．辅助热源采用　了改造前原有的燃气锅炉，散热终端采用风机盘管。　２．１．２测试结果分析　１）集热器性能分析　童Ｉ｝　壤　∞∞柏∞∞∞∞帕∞０　图２表示采暖季典型日集热器瞬时进、出口水温的变化情况。　由图可以看出，在上午８：００以后集热器进出口水温以及两者的温　差随时间呈现增大后减小的变化规律．出口水温在１３：００点达到最　大值５６Ⅲｃ，最大温差达到２４。Ｃ。典型日太阳能集热器瞬时集热量　的变化如图３所示。由图可以看出　集热器集热量变化较大，７：００　时集热量最小．约为１２．３ｋＷ，在１３：００点达到最大值１３４ｋＷ．全　天总集热量为１７４８ＭＪ　与当天集热器上的太阳辐射总量３４２４ＭＪ　相比，集热器日平均集热效率为５１％．集热效果较好。　Ｉ．Ｏ　，”　１∞　主∞　是　一　¨　图２集热器进出口温度　图３集热器集热量　２）太阳能保证率　对于本商业建筑而言．有两种供热方式：Ａ）全天保持４０。Ｃ的　供水温度．Ｂ）在白天营业时间保持４０。Ｃ的供水温度，而在夜晚依　靠太阳能蓄热保持室内值班采暖温度。图４给出了两种供热方式下　用户热负荷与太阳能供热能力的变化关系。　由图４ａ可看出，在１２：００～１　５：００点太阳能集热器能够提供　热用户所需全部热量．而在凌晨２：００太阳能供热能力最小为　１３．３ｋＷ．同时太阳能保证率也达到最低１１％。系统全天平均太　阳能供热能力为２７．９ｋＷ，太阳能全天供热量为２４０６ＭＪ。热用户　在５：００～８：００之间热负荷最大，均超过１４０ｋＷ　而在１４：００时热负　荷最小为２２ｋＷ，全天总耗热量７５８３ＭＪ　太阳能日保证率约为　３２％。　由图４ｂ可看出．由于夜晚室内温度较低．在早上为了尽快提　高室内温度．热负荷迅速增大，达到一天中最大值１６９ｋＷ，而　在１　２：００－１　５：００热负荷最小．仅为２０ｋＷ左右，全天总耗热量　４６４８ＭＪ。与图４ａ相似，在１２：００—１５：００太阳能集热器能够提供　热用户所需的全部热量。而在热负荷最大时，太阳能供热能力　为４８ｋＷ，保证率为２８％。系统全天太阳能供热量为３５２７ＭＪ．　太阳能日平均保证率约为７０％。　嚣　１２０　嚣　《４０　２ｏａ）Ａ供热模式　ｂ）Ｂ供热模式　图４热用户总负荷与太阳能供热能力变化　３）能耗及运行费用分析　从该太阳能热泵系统７４天的运行参数记录来看　由太阳能　参与供热（包括蓄热）的时长为３７４．８ｈ．热泵供热时长５０６．８ｈ．　合计８８１．６ｈ．约占总供暖时间的４９．６％，共节约燃气锅炉运行　时间约６２８．２ｈ。锅炉运行一小时需要消耗２０ｍ。天然气，因此　实际节省天然气量为１２５６４ｍ。，约合人民币３５１７９．２元。热泵　运行期间共耗电５５７４．８ｋＷｈ，约合人民币６９６８．５元，因此实际　节省２８２１０．７元．二氧化碳减排量为１４９１６ｋｇ。　通过合理推广可以得到整个采暖季的能耗及运行费用，如　表１所示：　表１系统能耗及运行费用　设备　运行时间／ｈ　总消耗量　运行　总运行　单位采暖面积　名称　费用／元　费用／元　运行费用／元／ｉｎ　燃气　７３５　锅炉　１４７００ｍ３　４ｌ１６０　热泵　１２３２．８　１３５６０．８ｋＷｈ　ｌ６９５ｌ　７８２ｌｌ　ｌ９．６　循环　１６０８０ｋＷｈ　２Ｏ１０Ｏ　水泵　由表１可看出．采暖季的总运行费用为７２３３１元，折合单　位采暖面积采暖费约为１９．６元，与大庆市商业和工业集中供热　采暖费每平方４５元相比　每平方米采暖面积可以节省采暖费　２５．４元．节省５６．４％，４０００平方米采暖面积每年可节约采暖费　约１０．１６万元。　２．２哈尔滨市某住宅楼基于槽式集热器的　太阳能采暖系统模拟研究　２．２．１系统原理与建筑概况　哈尔滨河柏小区某栋经过节能改造的住宅建筑采用槽式太　阳能集热器与燃气锅炉相结合的采暖系统．该系统由槽式太阳　能集热器、蓄热水箱、油一水换热器、燃气锅炉以及采暖末端　（散热器）等设备组成，其工作原理如图５所示．　该建筑面积为６０００ｍ　．共７层．屋顶面积为８５７ｍ　．采暖设　计热负荷１６６．４ｋＷ，集热器面积３６Ｏｍ　．蓄热水箱体￣Ｒ４０ｍ。．辅　助热源采用规格为１５万大卡（约１７５ｋＷ）的燃气锅炉．散热终端　采用原有散热器，集热器采用适应性更加优越的槽式太阳能集热　器。　图５采暖系统原理图　２．２．２模拟结果分析　本工程已于２０１４年８月开始施工　预计９月底竣工。哈尔滨　实际供暖日期是１０月２０日至次年４月２０日　共１８３天。本文采用　ＭＡＴＬＡＢ软件编制程序对系统在整个采暖季的运行特性进行模拟　研究，通过统计分析．得出部分模拟结果如下　１）太阳能保证率　＝薯　羹　《　饕　强　肇　瑶　臣　Ｏ　１　Ｏ　１１　１　２　１　２　３　４　月份　图６各月太阳能保证率及总热量　采暖季建筑月总耗热量、有效集热量以及相应的太阳能保证　率如图６所示。从图中可以看出．建筑物月总耗热量在整个采暖　季先增大后减小，而有效集热量则是先减小后增大（由于１　０月和　４月供暖不足一个月，因此月总集热量偏小）。正是由于耗热量　与集热量的这种变化规律，使得太阳能保证率呈现先减小后增大　的趋势。从图可以看出，１Ｏ月、３月、４月太阳能保证率在７０％以　上，４月更是高达８８％；１２月、１月　２月太阳能保证率很低，整　体在２Ｏ％以下，１月达到最低值１４．５％。通过计算，采暖季系统总　的太阳能保证率为３１％。　２）蓄热水箱温度　图７和图８分别表示蓄热水箱在整个采暖季的日平均温度和一　天各时刻的月平均温度。从图７可以明显看出．在采暖季前一个　ｈ　一壤　研究篇一　半月和后一个半月．由于太阳能辐射充足．并且室外温度较高．　建筑热负荷小　蓄热水箱日平均温度基本保持在５５。Ｃ以上．此段　时间内　太阳能供热及蓄热模式运行时间较长。供暖第５０天到第　１００天，处在负荷最大而辐射最小的１月，因此水箱温度持续降　低：第１００天到第１３０天．随着负荷减小以及辐射量增大．水箱温　度逐渐升高，但由于太阳辐射余量有限．水温整体较低。从图８可　以看出．１Ｏ月、１１月、３月、４月水箱温度在各时刻基本都在５５。Ｃ　以上．这是因为太阳辐射量大．水箱蓄热多；同时．由于一天中　水箱蓄热和取热量都比较大，因此温度波动较大；一天中蓄热主　要发生在９：００～１　５：００之间。在１２月、１月　２月，水箱水温一直处　在一个较低的水平．１月达到最低的２７。Ｃ左右，这是因为这几个　月建筑负荷大而太阳辐射量少．每天很少有时间能够蓄热，即使　蓄存了少量热量也通过水箱表面散热而损失．因而水温一直较低　且波动很小。从上述两个图还可以看出　整个采暖季水箱温度一　直保持在２Ｏ℃以上，不需要进行任何防冻。　∞鲫加∞∞柏∞∞伸０　卜　，｜｜■　天ｔ，ｄ　Ｈｍ　图７蓄热水箱日平均温度　图８蓄热水箱各时刻月平均温度　３）能耗及运行费用分析　对系统在采暖季的能耗及运行费进行计算。　采用该新型太阳能采暖系统后，单位采暖面积费用为２４．０４元　／ｍ　，与哈尔滨一般居住建筑热费４０．３５￣／ｍ　相比，单位采暖面积　费用可减少１６．３１元．节省４０．４２％．整栋建筑在采暖季可节省采　暖费约７．３４万元，经济效益显著。　３　结论　１）太阳能采暖系统形式多样，各组成部件的选择众多，其　选型与设计必须充分考虑经济条件、建筑概况、地理位置、气　候特点以及设备本身的使用性能等各方面的因素．综合权重．　合理选取。　２）从两个实例的分析结果可以看出　太阳能热泵系统能够很　充分地利用所收集的能量，低品位热能的利用能力很强．系统的　节能环保性能优异。槽式集热器与燃气锅炉联合供暖系统则具有　很好的适应性．能提供更高的供水温度，对末端要求不高．且节　能性能显著。两个系统，都具有适应不同工况的运行模式．以最　大程度利用太阳能。　３）通过分析可知，两个太阳能采暖实际工程的运行费用都　很低．相比于原始热费都有非常明显的减少．系统的经济效益　显著。固