市政管網(wǎng)與太陽能聯(lián)合供暖匹配技術(shù)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(yùn)行方案，為實(shí)際供暖運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)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(gè)地區(qū)的熱指標(biāo)和低溫地板供、回水溫度分別為50°C、40°C為標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)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(fù)荷，確定外網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)間及供熱量.結(jié)果 以沈陽市為例，白天 11點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)，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(yùn)行也可以不運(yùn)行。不運(yùn)行3小時(shí)；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(yùn)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(guān)鍵詞：太陽能；市政外網(wǎng)；聯(lián)合供暖；數(shù)學(xué)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(yùn)行的可行性，強(qiáng)調(diào)了可再生能源的綜合應(yīng)用的必要性[1]。長春工程學(xué)院的張自國，吉林建工學(xué)院的劉曄，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的研究后，證實(shí)了太陽能低溫地板輻射供暖在嚴(yán)寒地區(qū)是可行的，并且能夠節(jié)省能量，運(yùn)行四年后能夠收回成本[2]。2003年，上海理工大學(xué)的于國清以一個(gè)100m2的房間為研究對象，對太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析太陽能采暖系統(tǒng)的初投資，總運(yùn)行費(fèi)用和綜合熱價(jià)，并與常規(guī)能源進(jìn)行比較 [3]。2010年，曲世琳等對不同運(yùn)行工況下的太陽能水源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行了理論建模，時(shí)分析了太陽能集熱器的進(jìn)出口水溫、地板采暖系統(tǒng)的進(jìn)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(chǔ)上提出了該系統(tǒng)的控制方案和運(yùn)行策略[4]。2010年，天津大學(xué)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(shè)計(jì)了一套太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，介紹了太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并對其進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究[5]。

目前，由于對外網(wǎng)與太陽能聯(lián)合運(yùn)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(dòng)態(tài)熱量與房間相對應(yīng)的時(shí)間段所需熱量，研究當(dāng)集熱器的得熱量大于房間的熱負(fù)荷時(shí)，外網(wǎng)可以停運(yùn)時(shí)間或運(yùn)行時(shí)從太陽能吸收的熱量；當(dāng)集熱器的得熱量小于房間的熱負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行外網(wǎng)需提供的熱量，同時(shí)對聯(lián)合運(yùn)行方案的能量匹配進(jìn)行了分析.

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

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

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

公式中：Q是當(dāng)?shù)氐臒嶂笜?biāo)，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；Q（W）是管網(wǎng)輸出的熱量，w/m2。

建立市政外網(wǎng)需要運(yùn)行的流量的數(shù)學(xué)模型：

公式中：Q是當(dāng)?shù)氐臒嶂笜?biāo)，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(yùn)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(yùn)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(gè)地區(qū)的設(shè)計(jì)院提供的經(jīng)驗(yàn)值，沈陽的熱指標(biāo)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(gè)時(shí)間段太陽能輻射照度由《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程》提供。根據(jù)以上條件及建立的數(shù)學(xué)模型用VB建立供熱運(yùn)行曲線。

由以圖為例，觀察到太陽能的輻射強(qiáng)度在一天之中波動(dòng)很大。太陽能在一天中只能提供的9個(gè)小時(shí)的光照時(shí)間，照射強(qiáng)度最大的時(shí)刻是12點(diǎn)種，最小的時(shí)刻是8點(diǎn)和16點(diǎn)中。以沈陽的典型房間為例，12點(diǎn)鐘太陽能供熱量最多可達(dá)6127W，8點(diǎn)鐘供熱量最少為1265W。太陽能可以承擔(dān)房間的少部分熱負(fù)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(yīng)的二氧化碳，二氧化硫及粉塵的排放都會(huì)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(jì)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(yùn)行工況表

根據(jù)上面的供暖運(yùn)行曲線以及提供的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和建立的數(shù)學(xué)模型，來分別建立五個(gè)城市典型房間采暖期的一月份供暖運(yùn)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(yùn)行的時(shí)間段在8點(diǎn)到16點(diǎn)，其余時(shí)間段由外網(wǎng)運(yùn)行來承擔(dān)房間的熱負(fù)荷。正常情況下，無論太陽能供熱量大于或小于房間的熱負(fù)荷，可以一直運(yùn)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(diǎn)鐘，太陽能提供的能量是3157w，管網(wǎng)輸出的熱量1843 w 且相應(yīng)的運(yùn)行流量是158kg；在12點(diǎn)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(yīng)的運(yùn)行流量是97kg，意味著管網(wǎng)吸收了1127w的熱量；在11點(diǎn)到13點(diǎn)可以選擇停運(yùn)外網(wǎng)3個(gè)小時(shí)，該段時(shí)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(fù)荷的30%，如果以流化床鍋爐（熱效率為0.88）為熱源計(jì)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(yīng)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(yùn)行工況。

4結(jié)論

（1）太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行方案的技術(shù)難度比較高，并且對自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和員工技術(shù)水平的要求同樣很高，因?yàn)橄到y(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(dāng)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(yīng)的減少了，同時(shí)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(yīng)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(yùn)行工況表的建立能夠提供合理的運(yùn)行參考方案，對我們的運(yùn)行工作給以明確的指導(dǎo)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加科學(xué)、節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[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(yán)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(xué)術(shù)年會(huì)學(xué)術(shù)論文集》，2008

[3]于國清.建筑物太陽能供暖與空調(diào)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D].長沙：湖南大學(xué)，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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（1）：14—145

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