太陽能季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)的應(yīng)用研究①

韓宇

摘要：針對嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)戶、別墅獨棟建筑，探索太陽能跨季節(jié)儲熱技術(shù)，在冬季供暖中的應(yīng)用。設(shè)計方案從太陽能的年輻射量入手，分析了太陽能夏季可以提供的熱量、以及建筑物冬季消耗的熱量。提出太陽能存儲、直接內(nèi)供暖的方案，考慮到節(jié)省初投資的因素，為了減少造價，提出了太陽能結(jié)合水源熱泵系統(tǒng)的供暖方案，以及太陽能結(jié)合空氣能熱泵的供暖方案?？紤]了節(jié)能效率與運行費用的影響因素，該研究對采用太陽能復(fù)合熱泵采暖具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：太陽能采暖 ?跨季儲熱 ?熱泵

中圖分類號：TE0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0020-02

Application of Solar Seasonal Heat Storage System Research

Han Yu

（xinjiang New Energy Research Institute，Xinjiang Wulumuqi，830011，China）

Abstract：Farmers in cold areas， single-family villa construction， explore the solar cross seasonal thermal storage technology， the application of the heating in winter. Design scheme from solar radiation， this paper analyzes the solar energy can provide heat in summer and winter building heat consumption. Solar energy storage， directly within the heating scheme is put forward， considering the factors， saves the initial investment in order to reduce the cost， heating scheme of solar energy in combination with water source heat pump system was put forward， combined with air can heat pump and solar energy heating scheme. Considering the energy saving efficiency and the factors that influence the operation cost of the study of using solar composite heat pump heating has a certain guiding significance.

Key words：Solar heating ?During thermal storage ?Heat pump

我國幅員遼闊，有一半以上面積屬于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，這些地區(qū)農(nóng)村供暖多以直接燃燒秸稈等生物質(zhì)能、煤等化石能源為主，能源利用效率低，每年消耗大量能源，據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告2011》調(diào)查表明，2008年農(nóng)村住宅能耗占建筑總能耗的34%，約2.26億tce，其中，秸稈等生物質(zhì)能約占總能耗的40%～50%。夏季空調(diào)多以自然通風(fēng)為主，熱舒適性保障差。

為了實現(xiàn)改善農(nóng)村人居生活環(huán)境的同時降低嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村建筑能耗，充分利用太陽能等可再生能源是有效的解決方法。本設(shè)計旨在探索適用于新疆氣候條件下可再生能源供暖空調(diào)方法，包括系統(tǒng)形式、關(guān)鍵設(shè)備、施工技術(shù)等。村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造技術(shù)，開發(fā)專用蓄熱庫保溫模塊，研究村鎮(zhèn)建筑采用太陽能供暖的經(jīng)濟性。

1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

該項主要是利用太陽能滿足新疆地區(qū)農(nóng)村住宅的供暖需求，通過前面對當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和建筑負(fù)荷特性分析可知，利用太陽能季節(jié)性蓄熱是主要的技術(shù)途徑。此外，為了實現(xiàn)系統(tǒng)夏季空調(diào)功能，同時利用空調(diào)排熱實現(xiàn)供暖，還可以將熱泵技術(shù)與太陽能季節(jié)性蓄熱技術(shù)聯(lián)合運行，該方式還可以提高集熱器集熱效率，減少蓄熱裝置容積。為了進一步降低太陽能集熱器面積及蓄熱裝置容積，可進一步利用空氣源熱泵聯(lián)合太陽能供暖系統(tǒng)運行。根據(jù)蓄熱方式的不同，蓄熱裝置內(nèi)蓄熱介質(zhì)可以水進行顯熱蓄熱，也可在水中增加相變材料，增加單位體積蓄熱能力?；谏鲜隹紤]，下面提出一種系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 太陽能季節(jié)性蓄熱復(fù)合空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

圖1為太陽能季節(jié)性蓄熱直接供暖系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、蓄熱水池、蓄熱換熱器（置于水池下層）、取熱換熱器（置于水池上層）、水水熱泵機組、空氣源熱泵機組、循環(huán)水泵及供暖末端等組成。對建筑負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果分析可知，有約一半建筑熱負(fù)荷分布在高于-10℃的溫度段內(nèi)，因此，為了降低太陽能集熱、蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)太陽能與水水熱泵與空氣源熱泵的互補利用。該系統(tǒng)在不同的時期和室外環(huán)境條件下可運行以下四種運行模式：

模式1：太陽能蓄熱同時利用蓄熱水池直接供暖模式。當(dāng)供暖期晴天集熱器有效集熱時，可同時利用蓄熱換熱器進行太陽能蓄熱和水池直接供暖。

模式2：太陽能蓄熱同時利用水/水熱泵機組從蓄熱水池中取熱供暖模式。在供暖期晴天集熱器有效集熱時，但水池內(nèi)水溫相對較低，運行水/水熱泵進行供暖。

模式3：太陽能蓄熱同時利用蓄熱水池作為水/水熱泵熱匯進行供冷模式。該模式運行與供冷期，通過該模式將供冷期的太陽能和空調(diào)排熱都蓄存至蓄熱水池中。

模式4：太陽能蓄熱模式：在非供暖期或供暖期系統(tǒng)停止供暖時，當(dāng)太陽能輻射較強，可將太陽能蓄存至水池中。

當(dāng)太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環(huán)泵停止運行，若此時建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動對應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對該方案系統(tǒng)主要部件進行設(shè)計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結(jié)果，同時對系統(tǒng)中其它部件進行設(shè)計，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計參數(shù)與運行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟性及初投資進行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析

根據(jù)前面運行能耗計算結(jié)果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計計算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細(xì)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對方案的運行節(jié)能性、經(jīng)濟性進行了初步的比較分析，此設(shè)計方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項目當(dāng)中，可以實現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。

當(dāng)太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環(huán)泵停止運行，若此時建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動對應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對該方案系統(tǒng)主要部件進行設(shè)計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結(jié)果，同時對系統(tǒng)中其它部件進行設(shè)計，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計參數(shù)與運行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟性及初投資進行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析

根據(jù)前面運行能耗計算結(jié)果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計計算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細(xì)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對方案的運行節(jié)能性、經(jīng)濟性進行了初步的比較分析，此設(shè)計方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項目當(dāng)中，可以實現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。

當(dāng)太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環(huán)泵停止運行，若此時建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動對應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對該方案系統(tǒng)主要部件進行設(shè)計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結(jié)果，同時對系統(tǒng)中其它部件進行設(shè)計，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計參數(shù)與運行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟性及初投資進行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析

根據(jù)前面運行能耗計算結(jié)果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計計算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細(xì)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對方案的運行節(jié)能性、經(jīng)濟性進行了初步的比較分析，此設(shè)計方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項目當(dāng)中，可以實現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。