太陽能供暖研究與分析

摘 要 本文介紹了國內(nèi)外太陽能供暖的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了我國主要采暖地區(qū)所處的建筑熱工分區(qū)和太陽能資源分區(qū)，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(jìn)行了太陽能供暖的研究。   　　0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(tǒng)和太陽能熱水供暖系統(tǒng)。太陽能熱水供暖系統(tǒng)又可分為太陽能季節(jié)蓄熱系統(tǒng)和太陽能短期蓄熱供暖系統(tǒng)。主動式采暖在我國起步較晚，目前國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)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(tǒng)，本文僅對這種系統(tǒng)予以討論，若無特殊說明，下文中的太陽能供暖系統(tǒng)均指此系統(tǒng)。 　　 1國內(nèi)外太陽能供暖的發(fā)展現(xiàn)狀 　　 1.1國外  　　太陽能供暖在歐洲發(fā)達(dá)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(tǒng)已經(jīng)占有很高的市場份額，為整個太陽能熱利用的20%~50%。　　　　　　　　　　　　 　　根據(jù)歐盟委員會發(fā)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(tǒng)將占1900萬m2。  　　1.2國內(nèi)  　　同國外情況相比，我們的技術(shù)比較落后，太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計大多仍然停留在簡單估算的水平上，沒有成熟、成套的設(shè)計方法或軟件，而我國的能源形勢卻日趨嚴(yán)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(jìn)一步發(fā)展。 　　 2我國建筑熱工與太陽能資源分區(qū) 　　 2.1建筑熱工設(shè)計分區(qū)  　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，我國建筑熱工設(shè)計分區(qū)分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)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(qū)也開始出現(xiàn)冬季供暖的需求。  　　2.2太陽能資源分區(qū)  　　我國太陽能資源分為4類地區(qū)，即Ⅰ類：太陽輻照量＞6700MJ/（m2·a）的資源極富區(qū)；Ⅱ類：太陽輻照量在5400～6700MJ/（m2·a）的資源豐富區(qū)；Ⅲ類：太陽輻照量在4200～5400MJ/m2·aⅢ的資源較富區(qū)；Ⅳ類：太陽輻照量＜4200MJ/（m2·a）的資源一般區(qū)。  　　2.3采暖區(qū)的太陽能資源狀況  　　我國同一熱工設(shè)計分區(qū)的太陽能資源有所不同，但2/3以上的采暖地區(qū)屬Ⅱ類以上地區(qū)，其余的采暖地區(qū)包括東北、河南、江蘇大部，內(nèi)蒙古、河北、山東、山西、陜西的部分地區(qū)也都屬Ⅲ類地區(qū)，表1給出了我國部分采暖區(qū)的太陽能資源分布情況。 　　3系統(tǒng)選擇與模擬 　　3.1系統(tǒng)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(jié)和時間變化太陽能也有所不同，同時太陽能光熱轉(zhuǎn)化設(shè)備的性能除了受太陽輻照的影響外，還和其所處環(huán)境的溫度、風(fēng)速、系統(tǒng)運行方式等有密切關(guān)系。因此，太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計比常規(guī)采暖系統(tǒng)復(fù)雜。 　　采用哪種太陽能供暖系統(tǒng)與建筑物位置、形式、供暖能耗和建筑功能等多種因素有關(guān)，為了具有一定的代表性，我們選擇在我國采暖地區(qū)比較常見的多層居住建筑為參照建筑進(jìn)行研究，住宅樓地上5層，每層建筑面積750m2，共計3750 m2，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(qū)的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。 　　根據(jù)這種情況，可選擇兩種最基本的系統(tǒng)形式，一種是單水箱間接式太陽能供暖系統(tǒng)，一種是雙水箱間接式太陽能供暖系統(tǒng)，集熱環(huán)路工質(zhì)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(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值有關(guān)，溫度差越大，熱損失越大，效率降低，因此在選擇供暖系統(tǒng)末端時應(yīng)該選擇供水溫度要求低的形式，為此可選擇低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)。兩種系統(tǒng)的原理見圖1、圖2。 　　3.2系統(tǒng)模擬 　　為了得到太陽能供暖系統(tǒng)的準(zhǔn)確性能，需要利用軟件對其進(jìn)行逐時模擬計算。氣象數(shù)據(jù)是系統(tǒng)模擬最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此次計算模擬我們采用的是在EnergyPlus官方網(wǎng)站上免費提供的我國數(shù)十個城市的氣象數(shù)據(jù)。很多軟件如TRNSYS都有調(diào)用EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)的模型。 　　系統(tǒng)中各個部件的性能也是系統(tǒng)模擬的重要數(shù)據(jù)，與水泵的特性曲線、水加熱器的效率等數(shù)據(jù)相比，太陽能集熱器瞬時效率曲線和入射角修正系數(shù)對于太陽能供暖系統(tǒng)來講顯得更加重要。為了比較全面的了解太陽能供暖系統(tǒng)的性能，在計算機模擬時，我們建立了側(cè)重于不同角度的模型來研究： 　　1.不同地區(qū)太陽能供暖的保證率變化； 　　2.遮陽措施對太陽能供暖系統(tǒng)性能的影響； 　　3.不同系統(tǒng)形式對太陽能供暖系統(tǒng)性能的影響； 　　4.不同集熱器類型對太陽能供暖系統(tǒng)性能的影響。 　　4不同區(qū)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(tǒng)中，供暖總能耗中由太陽能提供的百分?jǐn)?shù)。在系統(tǒng)形式不變，太陽集熱器參數(shù)不變的情況下，對我國主要采暖地區(qū)和夏熱冬冷部分區(qū)域十個代表城市計算結(jié)果見表2，表2中的計算數(shù)據(jù)均為采暖期統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 　　從表2可以看出： 　　1.處于太陽能資源豐富區(qū)的北京、濟(jì)南等城市，其太陽能供暖保證率可以達(dá)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(dá)90%以上； 　　3.烏魯木齊與長春同為嚴(yán)寒地區(qū)，前者太陽能資源屬Ⅱ類資源豐富區(qū)，后者屬Ⅲ類資源較富區(qū)，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(jìn)入室內(nèi)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(jìn)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(tǒng)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(tǒng)負(fù)荷加大，系統(tǒng)運行溫度降低，太陽能集熱器效率提高導(dǎo)致。 　　6不同集熱器類型、不同采暖系統(tǒng)形式對太陽能供暖系統(tǒng)的影響 　　這一部分主要討論同一地區(qū)，在其他參數(shù)不變，只改變系統(tǒng)中太陽能集熱器的類型或者只改變系統(tǒng)貯熱水箱的形式對太陽能供暖系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)檢驗合格的太陽能集熱器熱性能可以相差很大，設(shè)計時一定要按照集熱器熱性能有關(guān)數(shù)據(jù)精心計算。 　　2.雙水箱系統(tǒng)比單水箱系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性分析 　　房屋建設(shè)方對太陽能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是非常關(guān)注的。從上面的分析可知，太陽能供暖系統(tǒng)的性能與很多因素有關(guān)，因此經(jīng)濟(jì)性的評價必須與具體建筑相結(jié)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(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。 　　不考慮末端系統(tǒng)及輔助加熱設(shè)備，包括太陽能集熱系統(tǒng)等在內(nèi)的系統(tǒng)增投資約為90萬元。 　　在非采暖季節(jié)，太陽能供暖系統(tǒng)可以用于生活熱水的制備，采用中國建筑科學(xué)研究院原空調(diào)所開發(fā)的太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計軟件計算可得，在非采暖季太陽能可通過該系統(tǒng)為生活熱水提供加熱。 　　據(jù)首都之窗-北京市政府門戶網(wǎng)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(fù)雜的系統(tǒng)性工程，我市目前尚處于試點并搜集基礎(chǔ)資料階段，大量的論證工作正在進(jìn)行當(dāng)中。”參考天津、濟(jì)南、烏魯木齊等地供暖熱計量收費經(jīng)驗，結(jié)合北京市的情況，參照建筑的熱價取0.06元/MJ。 　　經(jīng)計算，該太陽供暖系統(tǒng)每年可節(jié)省常規(guī)能源1.27×106MJ/a，折合人民幣7.6萬元/a，系統(tǒng)投資的回收年限約為12a。根據(jù)國外經(jīng)驗，太陽能供暖系統(tǒng)的壽命在15a左右。 　　該太陽供暖系統(tǒng)每年CO2減排量為60t左右。 　　雖然在太陽能壽命期內(nèi)可以收回系統(tǒng)增加的投資，但是，僅從經(jīng)濟(jì)性方面來看，太陽能供暖并不具很強吸引力，考慮到節(jié)能和環(huán)保效益，結(jié)合發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，在時機成熟時，政府應(yīng)該出臺相應(yīng)的政策來鼓勵太陽能供暖的發(fā)展。 　　8結(jié)論 　　1.太陽能供暖是比較成熟可靠的技術(shù)，發(fā)達(dá)國家正在大力發(fā)展； 　　2.相對歐洲太陽能供暖發(fā)達(dá)地區(qū)，我國大部分采暖地區(qū)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(qū)的太陽能供暖保證率相差比較大，設(shè)計系統(tǒng)要因地制宜； 　　4.設(shè)計太陽能供暖系統(tǒng)時，太陽能集熱器等主要設(shè)備的性能對系統(tǒng)影響很大，必須按照檢測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算； 　　5.太陽能供暖有顯著的節(jié)能和環(huán)保效益，為使太陽能供暖更具經(jīng)濟(jì)性，在時機成熟時，政府應(yīng)該出臺相應(yīng)的政策來鼓勵太陽能供暖的發(fā)展； 　　6.為推廣太陽能供暖技術(shù)，應(yīng)開展試點示范工作，對具體工程進(jìn)行系統(tǒng)測試分析，總結(jié)出適合我國的具體經(jīng)驗； 　　7.太陽能供暖的實施應(yīng)納入建筑工程體系，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計，統(tǒng)一施工，統(tǒng)一驗收，統(tǒng)一管理。（中國建筑科學(xué)研究院 何濤☆ 鄭瑞澄 路賓）