太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計計算

1太陽能供熱采暖系統(tǒng)綜述 　　太陽能供熱采暖系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，供應(yīng)冬季采暖和全年生活熱水。系統(tǒng)主要由集熱系統(tǒng)、換熱儲熱系統(tǒng)、輔助能源和控制系統(tǒng)等4大部分組成。 　　1.1集熱系統(tǒng) 　　根據(jù)使用區(qū)域和用戶投資規(guī)模不同，使用相應(yīng)的太陽能集熱器組成集熱系統(tǒng)。包括全玻璃真空管集熱器、平板集熱器、玻璃金屬集熱器（玻璃金屬U 型管集熱器、玻璃金屬熱管集熱器）等，集熱系統(tǒng)可以采用直接系統(tǒng)間接系統(tǒng)。長期運行過程中既要考慮太陽能集熱系統(tǒng)的越冬保護問題，又要考慮集熱器夏天過熱問題。直接式系統(tǒng)既可以采用回流式排空防凍措施也可以采用電伴熱或熱循環(huán)防凍措施；由于間接式系統(tǒng)一般采用低冰點高沸點介質(zhì)做導(dǎo)熱液，因此不存在冬季越冬保護問題，但其夏季過熱是主要問題。 　　1.2換熱儲熱系統(tǒng) 　　目前常用的太陽能采暖系統(tǒng)中多以熱水顯熱的形式來完成供熱和儲熱，隨著技術(shù)的進步逐漸有以相變潛熱供熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)面世。集熱系統(tǒng)種類不同，換熱設(shè)備和儲熱系統(tǒng)都不同，直接式系統(tǒng)把水作為集熱的熱媒和采暖供熱的熱媒；間接式系統(tǒng)一般用換能液（低冰點高沸點介質(zhì)）通過換熱器把集熱器產(chǎn)生的熱量儲存到儲熱系統(tǒng)中；換熱器可以是內(nèi)置式也可以是外置式。儲熱水箱的容積和太陽能采暖保證率有關(guān)，所以同樣集熱面積的太陽能采暖系統(tǒng)，儲熱水箱容積可能不同，太陽能保證率越大，儲熱水箱的容積越大。 　　1.3用熱系統(tǒng) 　　太陽能采暖系統(tǒng)用熱包括兩部分：采暖用熱、生活熱水用熱。生活熱水要求水質(zhì)新鮮、富含氧氣、溫度合適、帶有一定壓力、清潔、無病菌、無異味，因此不能和采暖系統(tǒng)共用一套水源，采用雙水箱系統(tǒng)、單水箱加換熱器系統(tǒng)。 　　對采暖系統(tǒng)來講，末端散熱器主要用熱設(shè)備，通過熱傳導(dǎo)、輻射、對流把熱量散發(fā)出來，讓居室的氣溫得到提升。太陽能輔助采暖系統(tǒng)可以在地板底下敷設(shè)加熱管、普通金屬散熱器、風(fēng)機盤管散熱器等多種形式末端散熱器。目前市場上銷售的采暖散熱器從材質(zhì)上分為銅管鋁翅對流散熱器、鋼制散熱器、鋁制散熱器、銅制散熱器、不銹鋼散熱器、銅鋁復(fù)合散熱器以及老式鑄鐵散熱器等。 　　1.4輔助能源和控制系統(tǒng) 　　輔助能源和控制系統(tǒng)是保證太陽能采暖系統(tǒng)全天24h安全可靠運行的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)控制策略的優(yōu)劣決定系統(tǒng)運行過程是否節(jié)能，降低耗電輸熱比的關(guān)鍵措施。 　　2常見太陽能采暖系統(tǒng)組成方式 　　2.1常見4種太陽能采暖和生活熱水系統(tǒng) 　　由于集熱器種類和運行方式有多種形式，儲熱水箱有開口式、封閉式及有無內(nèi)置換熱器式等種類，輔助能源安裝在水箱內(nèi)部的電加熱器、通過內(nèi)置或外置換熱器進行加熱的外部加熱裝置，如電鍋爐、燃?xì)鉅t、燃油爐、燃煤爐；外置輔助加熱裝置還可以直接給水箱中的水加熱。因此太陽能供熱采暖有多種組合方式，直接式太陽能集熱系統(tǒng)間接采暖如圖1所示。 　　圖1所示系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備是直接安裝在水箱中的電加熱器，水箱中的熱水既作為采暖供熱的熱源又作為洗浴和生活用水的水源，通過外置板式換熱器采暖來隔離生活用水和采暖用熱，這是直接式太陽能集熱系統(tǒng)。 　　圖2所示系統(tǒng)是直接式太陽能集熱系統(tǒng)直接采暖，其輔助加熱裝置直接給水箱加熱的外置式裝置（燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、電鍋爐、燃煤鍋爐、空氣源熱泵、水源熱泵等），通過水箱內(nèi)的換熱器提供新鮮生活熱水來隔離生活用水和采暖用熱。圖3所示系統(tǒng)是間接式太陽能集熱系統(tǒng)間接采暖，其與圖1所示系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)加熱方式不同、輔助加熱裝置加熱方式不同。 　　圖4所示間接式太陽能集熱系統(tǒng)直接采暖，外置輔助加熱裝置直接給水箱內(nèi)的水加熱，通過水箱內(nèi)的換熱器提供新鮮生活熱水來隔離生活用水和采暖用熱。承壓間接式太陽能集熱系統(tǒng)間接采暖，外置輔助加熱裝置直接給水箱內(nèi)水加熱，水箱內(nèi)熱水直接供生活用水，采暖部分熱量通過外置的換熱器提供。供暖方式是水箱中的熱水直接通過散熱器來給房間供熱的直接供暖方式，也有儲熱水箱中的水通過換熱器后再經(jīng)過末端散熱器給房間供暖的間接供暖方式。 　　2.2不同集熱和供熱方式的的優(yōu)缺點對比 　　四種太陽能集熱、供熱采暖系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比見表1。從表1看到無論是直接集熱系統(tǒng)還是間接集熱系統(tǒng)都可以采用開口式水箱，無論直接供熱水間接采暖系統(tǒng)還是直接采暖間接供熱水系統(tǒng)都可以采用開口式水箱，因此太陽能供熱水采暖系統(tǒng)中優(yōu)先選用開口式水箱。 　　表1 直接供熱與間接供熱優(yōu)缺點對比 　　3系統(tǒng)設(shè)計 　　對太陽能供熱采暖系統(tǒng)來講，其熱負(fù)荷包括兩部分，一部分是建筑物的采暖熱負(fù)荷，另一部分是生活熱水熱負(fù)荷，由于冬季太陽輻照量減少，太陽能采暖系統(tǒng)很難保證供暖熱負(fù)荷，因此應(yīng)該首先考慮生活熱水熱負(fù)荷，在保證生活熱水供應(yīng)后再考慮采暖需求。 　　3.1熱負(fù)荷計算 　　目前《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、《北京市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》以及《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》都規(guī)定建筑物耗熱量應(yīng)該按各種圍護結(jié)構(gòu)單位面積耗熱量累計值來計算，只有通過計算才能得到相對準(zhǔn)確的建筑物耗熱量。但由于這種計算方法工作量大，在實際設(shè)計中可以根據(jù)經(jīng)驗采用估算法，常用的方法有體積熱指標(biāo)估算法和面積熱指標(biāo)估算法。 　　3.1.1 按維護結(jié)構(gòu)計算建筑物的耗熱量指標(biāo)（熱負(fù)荷） 　　3.2太陽能集熱面積的計算 　　3.2.1太陽能保證率f合理選取 　　計算太陽能集熱器的面積首先確定太陽能系統(tǒng)提供的熱量是多少，雖然根據(jù)前面的計算我們已經(jīng)得出建筑物的采暖熱負(fù)荷，但這些能量有多少由太陽能集熱系統(tǒng)提供的決定于太陽能保證率。為準(zhǔn)確計算太陽能集熱系統(tǒng)需要提供能量，需要合理選取太陽能采暖系統(tǒng)的保證率。這里強調(diào)說明太陽能保證率是指晴好天氣的保證率而不是采暖季的平均保證率。這一數(shù)值要根據(jù)投資規(guī)模和建筑物實際情況綜合考慮，并征求用戶意見，一般選取f=50%。 　　2.采暖系統(tǒng)集熱面積計算 　　因為太陽能采暖系統(tǒng)一般情況下都無法滿足采暖熱負(fù)荷，因此甲方不是特別要求冬天采暖季提供生活熱水，一般都不必考慮生活熱水系統(tǒng)的集熱面積。如果冬季要提供生活熱水必須專門設(shè)計生活熱水系統(tǒng)，該部分集熱面積只能用于生活熱水而不能用于采暖系統(tǒng)，可以按照生活熱水系統(tǒng)設(shè)計計算方法。 　　3.3水箱的設(shè)計計算 　　為了節(jié)約投資推薦采用內(nèi)置換熱式單水箱太陽能采暖供熱水系統(tǒng)，通過換熱器在采暖的同時為用戶提供生活熱水。設(shè)計原則：太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量扣除白天采暖需要后剩余能量以顯熱形式儲存在儲熱水箱中，水箱上限溫度比當(dāng)?shù)責(zé)崴悬c溫度低15℃左右，下限溫度不宜＜5℃；如有排回防凍措施，還要考慮晚上防凍排回液體的容量。 　　1.水箱的容積 　　當(dāng)太陽能采暖系統(tǒng)在晴好天氣的保證率＞30%時，太陽能集熱器在白天得到的能量轉(zhuǎn)換為熱能后能被建筑物完全消耗，剩余部分的熱量以熱水的形式儲存在水箱中供夜間采暖使用，這些熱水的容積按公式8、公式9、公式10計算。 　　2.防凍回流排回液體的容量 　　為了解決全玻璃真空管集熱器組成的直接式集熱系統(tǒng)的防凍問題，為了提高采暖系統(tǒng)的效率，最有效的辦法是把集熱器中的水排回水箱。不同規(guī)格型號的集熱器由于聯(lián)箱的體積、管道長度和直徑不一樣，其集熱系統(tǒng)的容水量是不同的，但可以進行粗略計算。以58×1500型集熱器為例，單只真空管容水量按3.0L計算。 　　3.4輔助能源設(shè)計 　　陰雨雪天沒有太陽能，所有采暖負(fù)荷都要有輔助加熱設(shè)備提供，因此輔助加熱設(shè)備提供的熱能＞采暖總負(fù)荷，故輔助能源功率必須＞建筑物供暖熱負(fù)荷。為延長輔助能源的壽命，一般情況下按1.5倍~2倍選擇輔助能源功率。（北京海林太陽能設(shè)備有限公司副總經(jīng)理竇建清）