市政管網(wǎng)與太陽能聯(lián)合供暖匹配技術的分析

孔維新

摘要：目的 研究太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合供暖的運行方案，為實際供暖運行提供理論基礎和參考依據(jù).方法 分別以沈陽、呼和浩特、哈爾濱、北京、蘭州地區(qū)100m2房間采暖期的一月份為例，再以各個地區(qū)的熱指標和低溫地板供、回水溫度分別為50°C、40°C為標準，通過數(shù)學模型的計算、VB模擬相結(jié)合的方法比較太陽能集熱器提供熱量與房間的熱負荷，確定外網(wǎng)動態(tài)運行時間及供熱量.結(jié)果 以沈陽市為例，白天 11點、12點、13點，集熱器的得熱量分別為5775w、6127w、5775w均大于房間需熱量5000 w，外網(wǎng)可以運行也可以不運行。不運行3小時；行提供房間所需熱量. 結(jié)論 在沈陽市，太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運行每天能節(jié)省30%能量，減少褐煤的燃燒量約為10 kg，減少CO2的排放量約為6.5Nm3；SO2的排放量約為0.022Nm3。

關鍵詞：太陽能；市政外網(wǎng)；聯(lián)合供暖；數(shù)學模型；熱量平衡

1 簡介

張明昭，根據(jù)唐山地區(qū)的某小區(qū)的太陽能-空氣源熱泵-鍋爐聯(lián)合供熱的工程的典型案例，分析了三者聯(lián)合運行的可行性，強調(diào)了可再生能源的綜合應用的必要性[1]。長春工程學院的張自國，吉林建工學院的劉曄，經(jīng)過實驗的研究后，證實了太陽能低溫地板輻射供暖在嚴寒地區(qū)是可行的，并且能夠節(jié)省能量，運行四年后能夠收回成本[2]。2003年，上海理工大學的于國清以一個100m2的房間為研究對象，對太陽能采暖系統(tǒng)進行模擬，分析太陽能采暖系統(tǒng)的初投資，總運行費用和綜合熱價，并與常規(guī)能源進行比較 [3]。2010年，曲世琳等對不同運行工況下的太陽能水源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)進行了理論建模，時分析了太陽能集熱器的進出口水溫、地板采暖系統(tǒng)的進出口水溫、水箱溫度及蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)制熱性能的影響，并在此基礎上提出了該系統(tǒng)的控制方案和運行策略[4]。2010年，天津大學的趙振華在以河北承德是某幼兒園的太陽能供暖示范工程為研究對象，設計了一套太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)，介紹了太陽能采暖系統(tǒng)的設計流程和設計計算方法，并對其進行理論和實驗研究[5]。

目前，由于對外網(wǎng)與太陽能聯(lián)合運行的方案研究很少，基于此筆者通過比較太陽能集熱器提供的動態(tài)熱量與房間相對應的時間段所需熱量，研究當集熱器的得熱量大于房間的熱負荷時，外網(wǎng)可以停運時間或運行時從太陽能吸收的熱量；當集熱器的得熱量小于房間的熱負荷時，運行外網(wǎng)需提供的熱量，同時對聯(lián)合運行方案的能量匹配進行了分析.

2 建立太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運行的數(shù)學模型

2.1 建立數(shù)學模型

建立太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運行的熱量平衡數(shù)學模型：

公式中：Q是當?shù)氐臒嶂笜耍瑆/ m2；S是房間的面積，m2；A是集熱器的面積，m2；J（T）是集熱器表面接收的日均輻照量，w/ m2；η（cd）是集熱器表面的熱效率，0.40；η（L）是管路及水箱的熱損失率，無量綱，0.15；Q（W）是管網(wǎng)輸出的熱量，w/m2。

建立市政外網(wǎng)需要運行的流量的數(shù)學模型：

公式中：Q是當?shù)氐臒嶂笜?，w/ m2；S是房間的面積，m2；A是集熱器的面積，m2；J（T）是集熱器表面接收的日均輻照量，w/ m2；η（cd）是集熱器表面的熱效率，0.40；η（L）是管路及水箱的熱損失率，無量綱，0.15；G 是管網(wǎng)運行的流量，kg。

3結(jié)果與分析

3.1 太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運行曲線的的建立

以沈陽為例，前提條件：房間的建筑面積是100m2；根據(jù)各個地區(qū)的設計院提供的經(jīng)驗值，沈陽的熱指標50w/m2，；外網(wǎng)供、回水溫度分別是50°C和溫度40 °C；太陽能保證率取0.3，集熱器的面積北京20.88m2、沈陽32.35m2，各個時間段太陽能輻射照度由《民用建筑熱工設計規(guī)程》提供。根據(jù)以上條件及建立的數(shù)學模型用VB建立供熱運行曲線。

由以圖為例，觀察到太陽能的輻射強度在一天之中波動很大。太陽能在一天中只能提供的9個小時的光照時間，照射強度最大的時刻是12點種，最小的時刻是8點和16點中。以沈陽的典型房間為例，12點鐘太陽能供熱量最多可達6127W，8點鐘供熱量最少為1265W。太陽能可以承擔房間的少部分熱負荷。正常情況下這套組合系統(tǒng)是能夠節(jié)省能量，減少煤的用量的，相應的二氧化碳，二氧化硫及粉塵的排放都會減少，所以這套系統(tǒng)能夠帶來環(huán)境效益。但是從安裝角度來看，不同地區(qū)典型房間的需要集熱器的面積并不相同，經(jīng)計算沈陽需要集熱器的面積為32.35m2 ，比只采用集中供熱系統(tǒng)采暖要多占用一定量的空間面積。

3.2 建立太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運行工況表

根據(jù)上面的供暖運行曲線以及提供的相關技術參數(shù)和建立的數(shù)學模型，來分別建立五個城市典型房間采暖期的一月份供暖運行工況表。

根據(jù)上面的圖表，觀察到太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運行的時間段在8點到16點，其余時間段由外網(wǎng)運行來承擔房間的熱負荷。正常情況下，無論太陽能供熱量大于或小于房間的熱負荷，可以一直運行市政管網(wǎng)。以沈陽典型房間的任意一天的供暖為例，在9點鐘，太陽能提供的能量是3157w，管網(wǎng)輸出的熱量1843 w 且相應的運行流量是158kg；在12點鐘，太陽能提供的能量是6127w，管網(wǎng)輸出的熱量是-1127 w且相應的運行流量是97kg，意味著管網(wǎng)吸收了1127w的熱量；在11點到13點可以選擇停運外網(wǎng)3個小時，該段時間可以用水箱吸收多余的熱量.在這一天中，太陽能可以提供36025 w 的能量，占了房間需要熱負荷的30%，如果以流化床鍋爐（熱效率為0.88）為熱源計算耗煤量，一天耗掉的褐煤（低位發(fā)熱量為12907kJ/kg）約為10 kg，相應的減少CO2的排放量約為6.5Nm3；減少SO2的排放量約為0.022Nm3。根據(jù)對表格中數(shù)據(jù)的分析，可以推斷出整月的運行工況。

4結(jié)論

（1）太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運行方案的技術難度比較高，并且對自動控制系統(tǒng)的功能和員工技術水平的要求同樣很高，因為系統(tǒng)中的流量只有匹配合理的條件下，才能滿足室內(nèi)的舒適性和穩(wěn)定性。當然，如果上面的條件都能滿足的情況下，本組合方案是能夠節(jié)省能量的，以沈陽為例，一月份每天能節(jié)省30%的能量。

（2）隨著對太陽能利用量的增加煤的用量也相應的減少了，同時使我們周圍的空氣和環(huán)境能得到很大的改善和提高，這意味著這套組合系統(tǒng)能給我們帶來很大的環(huán)境效益：沈陽地區(qū)一天耗掉的褐煤（低位發(fā)熱量為12907kJ/kg）約為10 kg，相應的減少CO2的排放量約為6.5Nm3；SO2的排放量約為0.022Nm3。

（3）聯(lián)合運行工況表的建立能夠提供合理的運行參考方案，對我們的運行工作給以明確的指導，使系統(tǒng)的運行更加科學、節(jié)能。

參考文獻

[1]張明昭 . 太陽能、空氣源熱泵系統(tǒng)、鍋爐供暖聯(lián)合供熱方式的探討 [A].1671-3974（2008）04-0061-03

[2]劉曄，張自國. 嚴寒地區(qū)太陽能地板輻射供暖研究[J]. 《全國暖通空調(diào)制冷學術年會學術論文集》，2008

[3]于國清.建筑物太陽能供暖與空調(diào)的技術經(jīng)濟分析[D].長沙：湖南大學，2003.

[4]曲世琳，馬飛，吉玉寶等. 非直膨式太陽能水源熱泵地板輻射采暖實驗系統(tǒng)研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2010，34（1）：14—145

[5]趙振華. 太陽能采暖系統(tǒng)的應用研究[D].天津：天津大學.2010