太陽(yáng)能供暖研究與分析

摘 要 本文介紹了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能供暖的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了我國(guó)主要采暖地區(qū)所處的建筑熱工分區(qū)和太陽(yáng)能資源分區(qū)，采用建筑能耗模擬分析軟件，對(duì)我國(guó)10個(gè)城市中常見(jiàn)的多層居住建筑進(jìn)行了太陽(yáng)能供暖的研究。   　　0前言  　　太陽(yáng)能供暖方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖可以分為太陽(yáng)能空氣加熱供暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)又可分為太陽(yáng)能季節(jié)蓄熱系統(tǒng)和太陽(yáng)能短期蓄熱供暖系統(tǒng)。主動(dòng)式采暖在我國(guó)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用最為成熟，最適宜于市場(chǎng)化運(yùn)作的為太陽(yáng)能短期蓄熱的熱水供暖系統(tǒng)，本文僅對(duì)這種系統(tǒng)予以討論，若無(wú)特殊說(shuō)明，下文中的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)均指此系統(tǒng)。 　　 1國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能供暖的發(fā)展現(xiàn)狀 　　 1.1國(guó)外  　　太陽(yáng)能供暖在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家增長(zhǎng)迅猛，如奧地利、丹麥、德國(guó)和瑞士等國(guó)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)已經(jīng)占有很高的市場(chǎng)份額，為整個(gè)太陽(yáng)能熱利用的20%~50%?！　　　　　　　　　　　? 　　根據(jù)歐盟委員會(huì)發(fā)布的《能源的未來(lái)：可再生能源》白皮書(shū)，到2010年，歐盟將安裝1億m2的太陽(yáng)能集熱器，其中太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)將占1900萬(wàn)m2。  　　1.2國(guó)內(nèi)  　　同國(guó)外情況相比，我們的技術(shù)比較落后，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多仍然停留在簡(jiǎn)單估算的水平上，沒(méi)有成熟、成套的設(shè)計(jì)方法或軟件，而我國(guó)的能源形勢(shì)卻日趨嚴(yán)峻，且太陽(yáng)能資源比歐洲國(guó)家豐富，因此我國(guó)的陽(yáng)能供暖亟須得到進(jìn)一步發(fā)展。 　　 2我國(guó)建筑熱工與太陽(yáng)能資源分區(qū) 　　 2.1建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)  　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，我國(guó)建筑熱工設(shè)計(jì)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(kāi)始出現(xiàn)冬季供暖的需求。  　　2.2太陽(yáng)能資源分區(qū)  　　我國(guó)太陽(yáng)能資源分為4類(lèi)地區(qū)，即Ⅰ類(lèi)：太陽(yáng)輻照量＞6700MJ/（m2·a）的資源極富區(qū)；Ⅱ類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在5400～6700MJ/（m2·a）的資源豐富區(qū)；Ⅲ類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在4200～5400MJ/m2·aⅢ的資源較富區(qū)；Ⅳ類(lèi)：太陽(yáng)輻照量＜4200MJ/（m2·a）的資源一般區(qū)。  　　2.3采暖區(qū)的太陽(yáng)能資源狀況  　　我國(guó)同一熱工設(shè)計(jì)分區(qū)的太陽(yáng)能資源有所不同，但2/3以上的采暖地區(qū)屬Ⅱ類(lèi)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(lèi)地區(qū)，表1給出了我國(guó)部分采暖區(qū)的太陽(yáng)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(yáng)能的能流密度低，不同地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源相差很大，隨著季節(jié)和時(shí)間變化太陽(yáng)能也有所不同，同時(shí)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化設(shè)備的性能除了受太陽(yáng)輻照的影響外，還和其所處環(huán)境的溫度、風(fēng)速、系統(tǒng)運(yùn)行方式等有密切關(guān)系。因此，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比常規(guī)采暖系統(tǒng)復(fù)雜。 　　采用哪種太陽(yáng)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(guó)采暖地區(qū)比較常見(jiàn)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(jì)3750 m2，朝向正南，屋頂為40º南北等坡屋頂，共分3個(gè)單元，每單元每層2戶(hù)，住宅按照其所處地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 　　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(yáng)能供暖系統(tǒng)，一種是雙水箱間接式太陽(yáng)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(yáng)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(shí)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(jiàn)圖1、圖2。 　　3.2系統(tǒng)模擬 　　為了得到太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的準(zhǔn)確性能，需要利用軟件對(duì)其進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)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(jì)算模擬我們采用的是在EnergyPlus官方網(wǎng)站上免費(fèi)提供的我國(guó)數(shù)十個(gè)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(gè)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(xiàn)、水加熱器的效率等數(shù)據(jù)相比，太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率曲線(xiàn)和入射角修正系數(shù)對(duì)于太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)來(lái)講顯得更加重要。為了比較全面的了解太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的性能，在計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，我們建立了側(cè)重于不同角度的模型來(lái)研究： 　　1.不同地區(qū)太陽(yáng)能供暖的保證率變化； 　　2.遮陽(yáng)措施對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)性能的影響； 　　3.不同系統(tǒng)形式對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)性能的影響； 　　4.不同集熱器類(lèi)型對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)性能的影響。 　　4不同區(qū)域太陽(yáng)能供暖保證率的變化 　　太陽(yáng)能保證率可以理解為在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，供暖總能耗中由太陽(yáng)能提供的百分?jǐn)?shù)。在系統(tǒng)形式不變，太陽(yáng)集熱器參數(shù)不變的情況下，對(duì)我國(guó)主要采暖地區(qū)和夏熱冬冷部分區(qū)域十個(gè)代表城市計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，表2中的計(jì)算數(shù)據(jù)均為采暖期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 　　從表2可以看出： 　　1.處于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)的北京、濟(jì)南等城市，其太陽(yáng)能供暖保證率可以達(dá)35%以上； 　　2.拉薩的太陽(yáng)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(yáng)能供暖保證率可達(dá)90%以上； 　　3.烏魯木齊與長(zhǎng)春同為嚴(yán)寒地區(qū)，前者太陽(yáng)能資源屬Ⅱ類(lèi)資源豐富區(qū)，后者屬Ⅲ類(lèi)資源較富區(qū)，但由于烏魯木齊冬季采暖期太陽(yáng)輻照量低于長(zhǎng)春市，故烏魯木齊太陽(yáng)能供暖保證率低于長(zhǎng)春市； 　　4.南京、上海冬季雖然溫度較高，但太陽(yáng)能資源較差，故其太陽(yáng)能供暖保證率并不高，但是采用太陽(yáng)能供暖仍然可以解決供暖期總能量需求的30%左右。 　　5遮陽(yáng)措施對(duì)太陽(yáng)能供暖保證率的影響 　　在夏季，遮陽(yáng)措施對(duì)太陽(yáng)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(dòng)式太陽(yáng)能采暖。遮陽(yáng)措施有很多種形式，效果各不相同，本文僅就水平外遮陽(yáng)措施進(jìn)行討論。表3給出了有無(wú)水平外遮陽(yáng)對(duì)太陽(yáng)能供暖的影響。 　　從表3可知： 　　1.增加水平外遮陽(yáng)可使供暖總能耗增加約8%； 　　2.增加水平外遮陽(yáng)后系統(tǒng)的太陽(yáng)能供暖保證率基本不變甚至略有增加，這主要是太陽(yáng)能集熱器面積不變，系統(tǒng)負(fù)荷加大，系統(tǒng)運(yùn)行溫度降低，太陽(yáng)能集熱器效率提高導(dǎo)致。 　　6不同集熱器類(lèi)型、不同采暖系統(tǒng)形式對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能集熱器的類(lèi)型或者只改變系統(tǒng)貯熱水箱的形式對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能集熱器的系統(tǒng)太陽(yáng)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(diǎn)不盡一致，但是這并不足以說(shuō)明哪一種集熱器更好，同樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格的太陽(yáng)能集熱器熱性能可以相差很大，設(shè)計(jì)時(shí)一定要按照集熱器熱性能有關(guān)數(shù)據(jù)精心計(jì)算。 　　2.雙水箱系統(tǒng)比單水箱系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率略微低一些，但是雙水箱的單臺(tái)水箱體積更小，更容易安裝，控制靈活。 　　7太陽(yáng)能供暖經(jīng)濟(jì)性分析 　　房屋建設(shè)方對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(píng)價(jià)必須與具體建筑相結(jié)合。此處我們針對(duì)本文的參照建筑，以北京市為例，對(duì)熱管真空管型、雙水箱太陽(yáng)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(yáng)能集熱系統(tǒng)等在內(nèi)的系統(tǒng)增投資約為90萬(wàn)元。 　　在非采暖季節(jié)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)可以用于生活熱水的制備，采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院原空調(diào)所開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算可得，在非采暖季太陽(yáng)能可通過(guò)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(mén)戶(hù)網(wǎng)站信息顯示，“目前，北京市尚未實(shí)行熱計(jì)量收費(fèi)辦法，這項(xiàng)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(diǎn)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(jì)量收費(fèi)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合北京市的情況，參照建筑的熱價(jià)取0.06元/MJ。 　　經(jīng)計(jì)算，該太陽(yáng)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(wàn)元/a，系統(tǒng)投資的回收年限約為12a。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的壽命在15a左右。 　　該太陽(yáng)供暖系統(tǒng)每年CO2減排量為60t左右。 　　雖然在太陽(yáng)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(lái)看，太陽(yáng)能供暖并不具很強(qiáng)吸引力，考慮到節(jié)能和環(huán)保效益，結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在時(shí)機(jī)成熟時(shí)，政府應(yīng)該出臺(tái)相應(yīng)的政策來(lái)鼓勵(lì)太陽(yáng)能供暖的發(fā)展。 　　8結(jié)論 　　1.太陽(yáng)能供暖是比較成熟可靠的技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力發(fā)展； 　　2.相對(duì)歐洲太陽(yáng)能供暖發(fā)達(dá)地區(qū)，我國(guó)大部分采暖地區(qū)太陽(yáng)能資源更為豐富，更加適合推廣太陽(yáng)能供暖； 　　3.不同地區(qū)的太陽(yáng)能供暖保證率相差比較大，設(shè)計(jì)系統(tǒng)要因地制宜； 　　4.設(shè)計(jì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)時(shí)，太陽(yáng)能集熱器等主要設(shè)備的性能對(duì)系統(tǒng)影響很大，必須按照檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算； 　　5.太陽(yáng)能供暖有顯著的節(jié)能和環(huán)保效益，為使太陽(yáng)能供暖更具經(jīng)濟(jì)性，在時(shí)機(jī)成熟時(shí)，政府應(yīng)該出臺(tái)相應(yīng)的政策來(lái)鼓勵(lì)太陽(yáng)能供暖的發(fā)展； 　　6.為推廣太陽(yáng)能供暖技術(shù)，應(yīng)開(kāi)展試點(diǎn)示范工作，對(duì)具體工程進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試分析，總結(jié)出適合我國(guó)的具體經(jīng)驗(yàn)； 　　7.太陽(yáng)能供暖的實(shí)施應(yīng)納入建筑工程體系，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計(jì)，統(tǒng)一施工，統(tǒng)一驗(yàn)收，統(tǒng)一管理。（中國(guó)建筑科學(xué)研究院 何濤☆ 鄭瑞澄 路賓）