太陽能—蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)節(jié)能效益分析

高越　高麗娜　孫清

摘要：針對呼倫貝爾地區(qū)某工業(yè)區(qū)民用建筑熱水供暖、電熱水器為洗浴供熱工程存在的缺點，提出太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)，對改造后的工程進行實際測試，用DeST模擬探討室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能效益。結(jié)果表明，使用太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境得到明顯改善，節(jié)能率可達到66.46%。

關鍵詞：供暖系統(tǒng)；太陽能-蒸汽源；鍋爐；節(jié)能效益

中圖分類號：TU833.+1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）05-0054-04

在當今世界，能源短缺及利用不合理引發(fā)了一系列環(huán)境問題，使得節(jié)能減排成為全球共同關心的熱點。我國能源總量比較豐富，但人口眾多，人均能源資源擁有量在世界上處于較低水平。尤其在寒冷的地區(qū)，冬季供熱的能源使用量大，使能源不足及大氣環(huán)境問題凸顯。供熱工程發(fā)展必須提高效率，節(jié)約資源，發(fā)展綠色、清潔能源，以替代傳統(tǒng)的化石能源。

我國正處于經(jīng)濟和建筑業(yè)快速發(fā)展的時期，能源消耗巨大。隨著城市化進程的加快和人民生活質(zhì)量的提高，建筑能耗占總能耗的比重也越來越大，既有建筑面積或新建建筑面積都名列世界之首。這些建筑通過采暖、空調(diào)、熱水供應等，每天都消耗大量的能源。建筑能耗約占全社會總能耗的30%。做好建筑節(jié)能工作已迫在眉睫、刻不容緩。

通過分析以往傳統(tǒng)采暖的不足，提出太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)，并根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)的氣候特點，對工程進行節(jié)能改造，探討改造后的太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)的節(jié)能效果，旨在為嚴寒工業(yè)地區(qū)帶有洗浴的民用建筑供暖提供參考。

1 太陽能-蒸汽與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)

該工程位于呼倫貝爾地區(qū)（東經(jīng)119.45 °、北緯49.22 °），屬于嚴寒地區(qū)，室外采暖溫度為-31 ℃，年日照時長超過2 900 h，冬季可利用陽光百分比為68%。

1.1 太陽能系統(tǒng)

太陽能作為本系統(tǒng)的主要熱能來源，相對于傳統(tǒng)鍋爐來說具有節(jié)能、環(huán)保、安全、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。根據(jù)工程實際以及當?shù)氐牡乩須庀髼l件，選用真空-玻璃型太陽能太陽能集熱器，安裝角為42.8 °，真空管規(guī)格為Ф58×1 800 mm，單組真空管1 600支，每組集熱器采光面積260 m2。系統(tǒng)的總配置集熱器為2組，使用真空管3 200支，實際集熱器采光面積為520 m2。輔助設備中，水箱容量為100 m3；內(nèi)膽采用進口SUS304食品級不銹鋼1.5 mm板材，亞弧焊接而成，外皮為0.4 mm彩鋼板裝飾，中間為60.0 mm聚氨酯發(fā)泡保溫填料；水泵為WILO品牌，型號為STAR-RS 15/6。

1.2 蒸汽源系統(tǒng)

蒸汽源系統(tǒng)選用長沙旺特公司生產(chǎn)的汽源熱水器。在蒸汽加熱水系統(tǒng)中，蒸汽與水直接混合是最高效、最經(jīng)濟的加熱方法。傳統(tǒng)方法是將蒸汽管直接通過簡單的裝置進入水中，加熱效果不理想，噪聲大。WTM型氣源熱水器是新一代產(chǎn)品，采用全新的設計理念和制作工藝，從根本上解決了上述問題，適用于生活熱水、工藝加熱等系統(tǒng)。汽源熱水器工作原理見圖1。

由于汽源熱水器具有WTT微電腦恒溫裝置，可以根據(jù)水箱內(nèi)水溫自動啟動、停止，所以能很好的完成輔助熱源的任務。在本設計中，將4臺WTM-40型汽源熱水器置于水箱中。

1.3 鍋爐系統(tǒng)

鍋爐采暖部分的熱媒為95/70 ℃熱水，由工業(yè)場地新建鍋爐房供給。散熱設備選用鋼制節(jié)能對流散熱器。其中改造部分的散熱器組數(shù)由16組30片改為4組30片、4組25片和8組28片。

1.4 系統(tǒng)連接安裝

安裝時，浴池及更衣室散熱器改為由太陽能提供熱源。汽源熱水器插入水箱中后，在晚間、陰天出現(xiàn)陽光不足時，其自動溫控系統(tǒng)啟動汽源熱水器，保證熱源充足。當太陽能充足時，太陽能和鍋爐聯(lián)合為供暖提供能源。具體安裝方法如圖2和圖3所示。

2 測試方法

測試時間為2014年1到4月，用自動記錄儀器連續(xù)記錄。測點地點分別位于更衣室及浴池幾何中心1.1 m高處。室外測點位于建筑西側(cè)，測試點在建筑的位置如圖4所示。

2.1 天氣晴朗時室內(nèi)溫度的變化

天氣晴朗時，隨室外氣溫及太陽輻射的熱作用，室內(nèi)氣溫波動如圖5所示。

由圖5可知，太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供熱系統(tǒng)的室內(nèi)溫度明顯高于傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)，最大差值為1.7 ℃，最小差值為0.7 ℃，全天平均差值1.13 ℃。其中，被測系統(tǒng)的室內(nèi)最高氣溫均出現(xiàn)在午后14時，溫差達1.6 ℃；最低氣溫出現(xiàn)在上午5—8時，平均溫差0.8 ℃。

與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比，該太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供熱系統(tǒng)采取汽源熱水器作為輔助能源，在有效吸收太陽輻射熱并將其貯存，確保室內(nèi)溫度穩(wěn)定。同時，輔助能源有效降低夜間的室內(nèi)熱量散失，維持較高的室內(nèi)溫度，確保采暖的有效性。

2.2 天氣多云時室內(nèi)溫度的變化

室外天氣多云時，隨室外氣溫及太陽輻射的熱作用，室內(nèi)氣溫波動如圖6所示。

由圖6可知，在晝夜多云的天氣條件下，室內(nèi)氣溫波動較天氣晴朗狀態(tài)下平穩(wěn)，但仍呈現(xiàn)出正弦曲線波的變化趨勢。

無論天氣晴朗還是多云，在汽源熱水器輔助下的太陽能系統(tǒng)的供暖效果均好于傳統(tǒng)鍋爐。與普通傳統(tǒng)采暖相比，新系統(tǒng)利用太陽能，并且在水箱中加入汽源熱水器，可保證供暖效果。

與傳統(tǒng)的鍋爐采暖相比，太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助采暖系統(tǒng)的供暖能力更強、熱穩(wěn)定性更好，可在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時，達到節(jié)能效果。

3 節(jié)能效果分析

3.1 模型的建立

利用DeST能耗模擬軟件建模，分析改造前后室內(nèi)的熱環(huán)境。理論模型東西寬9.3 m、南北寬42.0 m，房間朝向為正南正北，總建筑面積為390.6 m2，二戶型基本相同。

3.2 室內(nèi)計算參數(shù)及內(nèi)擾設定

室外氣象參數(shù)選擇呼倫貝爾地區(qū)，設定最小換氣次數(shù)為0.5次/h，最大換氣次數(shù)為5.0次/h。內(nèi)擾是指室內(nèi)的設備、燈光、人員等可直接影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素。設定人均發(fā)熱量為53 W；燈光選總量指標最大功率360 W，作息取系統(tǒng)默認值；設備選平米指標，作息取系統(tǒng)默認值；窗簾作息設置分別為19∶00—6∶00和7∶00—18∶00。模擬結(jié)果如圖7所示。

在寒冷的情況下，由于室外氣溫下降，建筑的熱負荷增大，傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的采暖溫度明顯下降，而太陽能和汽源熱水器聯(lián)合供暖的新系統(tǒng)由于汽源熱水器的存在，依然具有良好的供暖效果，確保室內(nèi)采暖溫度達到要求。

4 節(jié)能計算

本工程以太陽能為主要節(jié)能裝置，供熱系統(tǒng)用水泵使熱媒水在蓄熱水箱和太陽能集熱器之間循環(huán)加熱。故太陽能系統(tǒng)的年節(jié)能量為：

Qsave=Ac×JT×ηcd （1）

式中： Qsave為年節(jié)能量，MJ；Ac為太陽能集熱器面積，m2；JT為集熱器采光面上年總太陽能輻射量，MJ/m2；ηcd為集熱器全日集熱效率，%。

根據(jù)工程數(shù)據(jù)可知，Ac為520m2，JT為53 080 MJ/m2，ηcd為53.85%，得太陽能系統(tǒng)的年節(jié)能量為

14 863 461.6 MJ。

節(jié)能率計算公式為：

ζ=ΔEg/Egj×100% （2）

式中：ζ為節(jié)能率，%；ΔEg為節(jié)能改造前后的節(jié)能總量，（kW·h）/m2；Egj為節(jié)能改造前能耗總量，（kW·h）/m2。

工程改造前后的節(jié)能部分為太陽能產(chǎn)生的能量。改造部分洗浴供熱和采暖負荷總量為40.1 kW·h。采暖期的總負荷為35.1×177×3 600 000=22 365 720（MJ）。由式2可得出系統(tǒng)的節(jié)能率ζ=66.46%。

5 結(jié)論

通過測試分析太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)改造前后的室內(nèi)熱環(huán)境，研究室內(nèi)溫度變化趨勢，利用DeST建模并通過計算得到改造節(jié)能率。

在冬季采暖期，對系統(tǒng)中改裝前（下轉(zhuǎn)第59頁）（上接第56頁）后的兩個房間更衣室及浴池進行實測，結(jié)果表明，新系統(tǒng)可明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境，采暖溫度顯著上升。雖然忽略了浴池和淋浴對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，但其對室內(nèi)環(huán)境的熱影響是正面的，室內(nèi)氣溫平均上升6.58 ℃。

利用建筑能耗模擬軟件DeST建模，得到兩類建筑改裝前后的建筑能耗情況，對其進行分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，改裝后的太陽能-蒸汽源與鍋爐輔助供暖系統(tǒng)升溫效果顯著，尤其是在天氣寒冷室內(nèi)熱負荷增加時。在汽源熱水器的輔助下，改裝后的系統(tǒng)能夠很好地完成采暖任務，且節(jié)能效果明顯，節(jié)能率可達66.46%。

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