太阳能供暖研究与分析

摘 要 本文介绍了国内外太阳能供暖的发展现状，分析了我国主要采暖地区所处的建筑热工分区和太阳能资源分区，采用建筑能耗模拟分析软件，对我国10个城市中常见的多层居住建筑进行了太阳能供暖的研究。   　　0前言  　　太阳能供暖方式可分为主动式和被动式两种。主动式太阳能供暖可以分为太阳能空气加热供暖系统和太阳能热水供暖系统。太阳能热水供暖系统又可分为太阳能季节蓄热系统和太阳能短期蓄热供暖系统。主动式采暖在我国起步较晚，目前国内外技术应用最为成熟，最适宜于市场化运作的为太阳能短期蓄热的热水供暖系统，本文仅对这种系统予以讨论，若无特殊说明，下文中的太阳能供暖系统均指此系统。 　　 1国内外太阳能供暖的发展现状 　　 1.1国外  　　太阳能供暖在欧洲发达国家增长迅猛，如奥地利、丹麦、德国和瑞士等国的太阳能供暖系统已经占有很高的市场份额，为整个太阳能热利用的20%~50%。　　　　　　　　　　　　 　　根据欧盟委员会发布的《能源的未来：可再生能源》白皮书，到2010年，欧盟将安装1亿m2的太阳能集热器，其中太阳能供暖系统将占1900万m2。  　　1.2国内  　　同国外情况相比，我们的技术比较落后，太阳能供暖系统的设计大多仍然停留在简单估算的水平上，没有成熟、成套的设计方法或软件，而我国的能源形势却日趋严峻，且太阳能资源比欧洲国家丰富，因此我国的阳能供暖亟须得到进一步发展。 　　 2我国建筑热工与太阳能资源分区 　　 2.1建筑热工设计分区  　　根据国家标准《民用建筑热工设计规范》，我国建筑热工设计分区分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。严寒、寒冷地区都有冬季供暖需求。随着人们生活水平的提高，夏热冬冷的部分地区也开始出现冬季供暖的需求。  　　2.2太阳能资源分区  　　我国太阳能资源分为4类地区，即Ⅰ类：太阳辐照量＞6700MJ/（m2·a）的资源极富区；Ⅱ类：太阳辐照量在5400～6700MJ/（m2·a）的资源丰富区；Ⅲ类：太阳辐照量在4200～5400MJ/m2·aⅢ的资源较富区；Ⅳ类：太阳辐照量＜4200MJ/（m2·a）的资源一般区。  　　2.3采暖区的太阳能资源状况  　　我国同一热工设计分区的太阳能资源有所不同，但2/3以上的采暖地区属Ⅱ类以上地区，其余的采暖地区包括东北、河南、江苏大部，内蒙古、河北、山东、山西、陕西的部分地区也都属Ⅲ类地区，表1给出了我国部分采暖区的太阳能资源分布情况。 　　3系统选择与模拟 　　3.1系统选择 　　从以上分析可知，太阳能的能流密度低，不同地点的太阳能资源相差很大，随着季节和时间变化太阳能也有所不同，同时太阳能光热转化设备的性能除了受太阳辐照的影响外，还和其所处环境的温度、风速、系统运行方式等有密切关系。因此，太阳能供暖系统的设计比常规采暖系统复杂。 　　采用哪种太阳能供暖系统与建筑物位置、形式、供暖能耗和建筑功能等多种因素有关，为了具有一定的代表性，我们选择在我国采暖地区比较常见的多层居住建筑为参照建筑进行研究，住宅楼地上5层，每层建筑面积750m2，共计3750 m2，朝向正南，屋顶为40º南北等坡屋顶，共分3个单元，每单元每层2户，住宅按照其所处地区的节能设计标准设计。 　　根据这种情况，可选择两种最基本的系统形式，一种是单水箱间接式太阳能供暖系统，一种是双水箱间接式太阳能供暖系统，集热环路工质采用防冻液，辅助热源采用天然气。由于太阳能集热器的集热效率与其工质温度与环境温度的差值有关，温度差越大，热损失越大，效率降低，因此在选择供暖系统末端时应该选择供水温度要求低的形式，为此可选择低温热水地板辐射供暖系统。两种系统的原理见图1、图2。 　　3.2系统模拟 　　为了得到太阳能供暖系统的准确性能，需要利用软件对其进行逐时模拟计算。气象数据是系统模拟最重要的基础数据。此次计算模拟我们采用的是在EnergyPlus官方网站上免费提供的我国数十个城市的气象数据。很多软件如TRNSYS都有调用EnergyPlus气象数据的模型。 　　系统中各个部件的性能也是系统模拟的重要数据，与水泵的特性曲线、水加热器的效率等数据相比，太阳能集热器瞬时效率曲线和入射角修正系数对于太阳能供暖系统来讲显得更加重要。为了比较全面的了解太阳能供暖系统的性能，在计算机模拟时，我们建立了侧重于不同角度的模型来研究： 　　1.不同地区太阳能供暖的保证率变化； 　　2.遮阳措施对太阳能供暖系统性能的影响； 　　3.不同系统形式对太阳能供暖系统性能的影响； 　　4.不同集热器类型对太阳能供暖系统性能的影响。 　　4不同区域太阳能供暖保证率的变化 　　太阳能保证率可以理解为在太阳能供暖系统中，供暖总能耗中由太阳能提供的百分数。在系统形式不变，太阳集热器参数不变的情况下，对我国主要采暖地区和夏热冬冷部分区域十个代表城市计算结果见表2，表2中的计算数据均为采暖期统计数据。 　　从表2可以看出： 　　1.处于太阳能资源丰富区的北京、济南等城市，其太阳能供暖保证率可以达35%以上； 　　2.拉萨的太阳能资源非常丰富，其采暖期的平均室外温度也比较高，故其太阳能供暖保证率可达90%以上； 　　3.乌鲁木齐与长春同为严寒地区，前者太阳能资源属Ⅱ类资源丰富区，后者属Ⅲ类资源较富区，但由于乌鲁木齐冬季采暖期太阳辐照量低于长春市，故乌鲁木齐太阳能供暖保证率低于长春市； 　　4.南京、上海冬季虽然温度较高，但太阳能资源较差，故其太阳能供暖保证率并不高，但是采用太阳能供暖仍然可以解决供暖期总能量需求的30%左右。 　　5遮阳措施对太阳能供暖保证率的影响 　　在夏季，遮阳措施对太阳能进入室内有所遮挡，可降低建筑的供暖制冷能耗，在冬季则不利于建筑物的被动式太阳能采暖。遮阳措施有很多种形式，效果各不相同，本文仅就水平外遮阳措施进行讨论。表3给出了有无水平外遮阳对太阳能供暖的影响。 　　从表3可知： 　　1.增加水平外遮阳可使供暖总能耗增加约8%； 　　2.增加水平外遮阳后系统的太阳能供暖保证率基本不变甚至略有增加，这主要是太阳能集热器面积不变，系统负荷加大，系统运行温度降低，太阳能集热器效率提高导致。 　　6不同集热器类型、不同采暖系统形式对太阳能供暖系统的影响 　　这一部分主要讨论同一地区，在其他参数不变，只改变系统中太阳能集热器的类型或者只改变系统贮热水箱的形式对太阳能供暖系统的影响究竟如何。 　　由表4、表5可知： 　　1.使用平板型和热管真空管型太阳能集热器的系统太阳能保证率相差不大，这似乎与热管真空管集热器比平板型冬季热性能要好的传统的观点不尽一致，但是这并不足以说明哪一种集热器更好，同样按照国家标准检验合格的太阳能集热器热性能可以相差很大，设计时一定要按照集热器热性能有关数据精心计算。 　　2.双水箱系统比单水箱系统的太阳能保证率略微低一些，但是双水箱的单台水箱体积更小，更容易安装，控制灵活。 　　7太阳能供暖经济性分析 　　房屋建设方对太阳能供暖系统的经济性是非常关注的。从上面的分析可知，太阳能供暖系统的性能与很多因素有关，因此经济性的评价必须与具体建筑相结合。此处我们针对本文的参照建筑，以北京市为例，对热管真空管型、双水箱太阳能供暖系统进行经济性分析。 　　不考虑末端系统及辅助加热设备，包括太阳能集热系统等在内的系统增投资约为90万元。 　　在非采暖季节，太阳能供暖系统可以用于生活热水的制备，采用中国建筑科学研究院原空调所开发的太阳热水系统设计软件计算可得，在非采暖季太阳能可通过该系统为生活热水提供加热。 　　据首都之窗-北京市政府门户网站信息显示，“目前，北京市尚未实行热计量收费办法，这项工作是一件非常复杂的系统性工程，我市目前尚处于试点并搜集基础资料阶段，大量的论证工作正在进行当中。”参考天津、济南、乌鲁木齐等地供暖热计量收费经验，结合北京市的情况，参照建筑的热价取0.06元/MJ。 　　经计算，该太阳供暖系统每年可节省常规能源1.27×106MJ/a，折合人民币7.6万元/a，系统投资的回收年限约为12a。根据国外经验，太阳能供暖系统的寿命在15a左右。 　　该太阳供暖系统每年CO2减排量为60t左右。 　　虽然在太阳能寿命期内可以收回系统增加的投资，但是，仅从经济性方面来看，太阳能供暖并不具很强吸引力，考虑到节能和环保效益，结合发达国家的经验，在时机成熟时，政府应该出台相应的政策来鼓励太阳能供暖的发展。 　　8结论 　　1.太阳能供暖是比较成熟可靠的技术，发达国家正在大力发展； 　　2.相对欧洲太阳能供暖发达地区，我国大部分采暖地区太阳能资源更为丰富，更加适合推广太阳能供暖； 　　3.不同地区的太阳能供暖保证率相差比较大，设计系统要因地制宜； 　　4.设计太阳能供暖系统时，太阳能集热器等主要设备的性能对系统影响很大，必须按照检测数据对系统进行设计计算； 　　5.太阳能供暖有显著的节能和环保效益，为使太阳能供暖更具经济性，在时机成熟时，政府应该出台相应的政策来鼓励太阳能供暖的发展； 　　6.为推广太阳能供暖技术，应开展试点示范工作，对具体工程进行系统测试分析，总结出适合我国的具体经验； 　　7.太阳能供暖的实施应纳入建筑工程体系，统一规划，统一设计，统一施工，统一验收，统一管理。（中国建筑科学研究院 何涛☆ 郑瑞澄 路宾）