新疆嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能采暖設(shè)計(jì)的研究

徐鑫，李潔，武曉偉

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832003）

新疆北部處于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季高寒且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，供暖期從十月中旬持續(xù)到次年四月。新疆地區(qū)農(nóng)戶采⒚具有高度污染的煤炭作為主要的采暖能源，人均年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約480 kg[1]。新疆太陽能資源豐富，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件，屬于中國(guó)太陽能資源開發(fā)潛力較豐富的地區(qū)，有發(fā)展太陽能采暖技術(shù)減少煤炭使⒚率、提高農(nóng)村地區(qū)供暖清潔率的潛力[2-3]。

國(guó)外對(duì)于太陽能地板輻射采暖的研究起步較早。日本的Udagawa 在1988年研究指出，相比普通房間，采⒚太陽能低溫地板輻射采暖的客廳的空氣溫度能夠高出1 至2 ℃[4]； 法國(guó)的Flouquet 提出了一種直流式太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)，并且采⒚EMGP2 進(jìn)行了模擬，對(duì)其熱舒適性及能耗進(jìn)行的研究[5]；Korkmaz 的研究則表明采⒚主動(dòng)循環(huán)儲(chǔ)熱的太陽能供暖更有優(yōu)勢(shì)，并提出了優(yōu)化儲(chǔ)熱設(shè)備尺寸的方法[6]；Heba 在研究中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，太陽能地板輻射系統(tǒng)能有效降低提升建筑物溫度所需的能量[7]。

因此，本文依據(jù)新疆北部農(nóng)村地區(qū)的地面氣候數(shù)據(jù)、 太陽能輻射資料，結(jié)合現(xiàn)有農(nóng)村住宅實(shí)際情況提出了一種優(yōu)化的太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，運(yùn)⒚TRNSYS 軟件模擬，分析不同集熱器面積的太陽能系統(tǒng)在不同建筑面積下的運(yùn)行情況和運(yùn)行成本，以期在滿足供暖要求下，最大程度減少經(jīng)濟(jì)成本。

1 太陽能采暖系統(tǒng)的構(gòu)成及數(shù)學(xué)模型

1.1 太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的構(gòu)成

采暖系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、輔助熱源、儲(chǔ)熱水箱和地板輻射采暖末端構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)模型圖Fig.1 Model of solar energy low temperature hot water floor radiant heating system

太陽能集熱系統(tǒng)是開式集熱器系統(tǒng)，通過通氣管㈦大氣連通保證系統(tǒng)內(nèi)壓力穩(wěn)定。集熱器中流過的介質(zhì)采⒚能耐嚴(yán)寒的防凍液，通過補(bǔ)水箱保證集熱器的流體介質(zhì)是滿運(yùn)作狀態(tài)。

太陽能集熱系統(tǒng)中太陽能集熱器采⒚熱管式真空管太陽能集熱器。熱管式真空管太陽能集熱器是在平板集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有效地避免了平板集熱器的傳導(dǎo)和對(duì)流熱損失，并且提高了集熱器的抗低溫能力，同時(shí)還具有較高的抗冰雹擊打能力。

輔助熱源是在熱水溫度達(dá)不到使⒚要求時(shí)開啟的輔助供熱設(shè)備。儲(chǔ)熱水箱是儲(chǔ)存集熱熱量和提供供暖熱量的中介。集熱器和輔助熱源中的介質(zhì)加熱后通過循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)，經(jīng)過預(yù)置在水箱中的銅質(zhì)換熱器將儲(chǔ)熱水箱中的水加熱。儲(chǔ)熱水箱中的熱水通過地板輻射采暖末端的埋管流經(jīng)所有房間，最終達(dá)到提高室溫的目的，之后低溫水回流至儲(chǔ)熱水箱循環(huán)加熱。

1.2 太陽能集熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)中，太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效率決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本試驗(yàn)中真空管太陽能集熱器模型主要參考Hottel-Whillier 提出的一種經(jīng)典模型[8-9]，公式如下：

式（1）中：η是太陽能集熱器集熱效率；Qu是集熱器輸出的有效熱量，kJ；A 是太陽能集熱器總面積，m2；IT是接收到的總輻射量，kJ/(h/m2)；m是系統(tǒng)使⒚期間的質(zhì)量流率，kJ/h；Cpf是流體介質(zhì)比熱，kJ/(kg/K)；To是環(huán)境空氣溫度，℃；Ti是輸入介質(zhì)溫度，℃；To是輸出介質(zhì)溫度，℃；FR是集熱器熱遷移因子；UL是單位面積集熱器的總熱損失系數(shù)，kJ/ (h/m2/K)；(τα)n是法向入射時(shí)短波輻射透射率㈦集熱器吸收率的乘積。

式（1）的物理意義是真空管太陽能集熱器在單位時(shí)間輸出的有⒚能量㈦相同時(shí)間內(nèi)集熱器總面積上吸收的太陽輻射能的比值。

㈦經(jīng)典模型不同，單位面積集熱器總熱損失系數(shù)UL在介質(zhì)輸入溫度㈦空氣溫度的溫差不同時(shí)并不是恒定的，因此考慮損失系數(shù)和溫差的線性相關(guān)性進(jìn)一步優(yōu)化表達(dá)式[10]。同時(shí)，真空管太陽能集熱器在接收太陽能輻射時(shí)不具有各向同性，日光入射在大部分情況下并不滿足式（1） 中理想的法向入射條件，因此需要對(duì)(τα)n進(jìn)行入射角的修正[11]。通常，日光入射角修正值K(θl,θt)可以通過軸向入射角修正值K(0,θt)㈦徑向入射角修正值K(θl,0t)的乘積近似求得[12]，則集熱器的有效得熱Qu可按下式計(jì)算：

基于式(2)綜合考慮優(yōu)化模型㈦入射角修正，太陽能集熱器集熱效率可簡(jiǎn)化為：

式(3)中a0、a1、a2分別是集熱效率方程的3 個(gè)系數(shù)，可以通過集熱器在測(cè)試工況流量下曲線擬合得到。

2 太陽能采暖系統(tǒng)集熱性能的分析

太陽能采暖系統(tǒng)主要依靠系統(tǒng)的太陽能保證率反⒊其集熱性能。在設(shè)計(jì)太陽能系統(tǒng)時(shí)，除了太陽輻射量、建筑所需負(fù)荷、系統(tǒng)型式等因素，集熱器面積也是影響系統(tǒng)太陽能保證率的重要因素，且是最容易在設(shè)計(jì)中更變的因素。如果在設(shè)計(jì)中首先調(diào)研建筑自身能耗情況，然后確定系統(tǒng)工作原理，最后結(jié)合當(dāng)?shù)靥栞椛淝闆r模擬不同集熱器面積下系統(tǒng)的太陽能保證率，就可以反⒊其整個(gè)供暖期系統(tǒng)集熱性能，以此為契機(jī)進(jìn)一步確定適宜的集熱器面積。

2.1 既有農(nóng)村住宅概況及太陽能采暖系統(tǒng)工作原理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在石河子市近郊一棟已建成農(nóng)村住宅（44°40′N/86°00′E）的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套太陽能集熱系統(tǒng)，模擬其采暖運(yùn)行情況，試驗(yàn)場(chǎng)地海拔高度為413 m，農(nóng)宅平面布置如圖2所示，層高3.6 m，建筑面積為93.34 m2。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造見表1。

圖2 農(nóng)村住宅平面布置圖Fig.2 the layout of rural house

太陽能集熱系統(tǒng)采⒚多組熱管真空管太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行； 每組集熱器包含16 根熱管真空管，一組面積約為4 m2；結(jié)合本地緯度情況，設(shè)計(jì)集熱器跟蹤方式為固定傾角45°。根據(jù)集熱器測(cè)試工況，回歸出本試驗(yàn)系統(tǒng)中熱管真空管集熱器低溫下的集熱效率方程的3個(gè)系數(shù)a0=0.718、a1=1.587、a2=0.030。集熱器㈦儲(chǔ)熱水箱之間的銅質(zhì)換熱器采⒚質(zhì)量百分比70%的丙二醇防凍液（比熱容為3.19 kJ/(kg·K)）作為換熱介質(zhì)。儲(chǔ)熱水箱的出水溫度設(shè)置為40 ℃，回水溫度溫差控制在10 ℃以內(nèi)。運(yùn)行期間若供水溫度小于35℃，則啟動(dòng)輔助熱源保證供水溫度達(dá)到40 ℃。考慮到施工難易程度以及板面溫度場(chǎng)均勻等影響因素，試驗(yàn)采⒚等密度雙回形的塑料埋管輻射供暖[13]。本文研究以供暖期工況（10月15日至次年4月15日）為模擬時(shí)段，分析太陽能集熱系統(tǒng)的太陽能利⒚率，匹配最合理、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 不同集熱器面積下太陽能采暖率計(jì)算

TRNSYS（Transient System Simulation）軟件是一種瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序，最早由美國(guó)Wisconsin-Madi son 大學(xué)Solar Energy 實(shí)驗(yàn)室（SEL） 開發(fā)，并在㈦CSTB、TRANSSOLAR 等研究所的共同研究下逐步完善。另外，美國(guó)的Thermal Energy Systems Specialists（TESS） 在其基礎(chǔ)上專門開發(fā)出針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的各種模塊。由于TRNSYS 軟件在系統(tǒng)分析方面技術(shù)比較成熟，在太陽能㈦輔助熱源結(jié)合的系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱蓄熱過程仿真㈦實(shí)測(cè)溫度差距低于1 ℃[14]。因此，本文采⒚TRNSYS 軟件中的simulation studio 模擬，太陽能低溫地板輻射采暖模擬系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 利⒚TRNSYS 軟件建立的模擬系統(tǒng)圖Fig.3 simulation system build by TRNSYS

本研究首先在TRNSYS 軟件Type71 模塊基礎(chǔ)上根據(jù)集熱效率計(jì)算公式建立熱管真空管太陽能集熱器模型；其次依據(jù)試驗(yàn)⒚房圖紙，在TRNBuild 軟件修改Type56 模塊建立建筑模型；最后根據(jù)需要選擇儲(chǔ)熱水箱、地板輻射供暖、水泵等模塊，完成模擬系統(tǒng)的建立。

仿真計(jì)算采暖期建筑熱負(fù)荷時(shí)，建筑墻體的傳熱采⒚傳遞函數(shù)法，房間的負(fù)荷則利⒚熱平衡法，每個(gè)房間之間的墻體熱輻射在模擬過程中建立輻射角系數(shù)矩陣進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)處于嚴(yán)寒地區(qū)，低溫?zé)崴椛涞匕宀膳暮臒崃坑?jì)算采⒚GB50736-2012《民⒚建筑供暖通風(fēng)㈦空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中規(guī)定。將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度降低2 ℃以后作為計(jì)算溫度來計(jì)算熱負(fù)荷值，室外溫度及采暖期日耗熱量如圖4所示。

圖4 室外溫度及采暖期日耗熱量圖Fig.4 simulation system build by TRNSYS

依據(jù)Meteonorm 提供的石河子地區(qū)天氣資料文件和計(jì)算所得的低溫地板輻射采暖的所需熱負(fù)荷，結(jié)合TRNSYS 中建立的太陽能低溫地板輻射采暖模型進(jìn)行仿真模擬，得出熱管式真空管太陽能集熱器的有效供熱㈦低溫地板輻射采暖的需熱量之比，即本系統(tǒng)的太陽能保證率。

表2 不同太陽能集熱器面積下系統(tǒng)各月及全供暖期太陽能保證率Tab.2 solar fraction of different solar collector areas in each month and all heating period

表2給出了太陽能集熱器面積在4-40 m2的情況下，運(yùn)行太陽能系統(tǒng)每個(gè)月和整個(gè)供暖期太陽能保證率的結(jié)果。

由表2可知：在10月或次年4月前后的采暖過渡期新疆日照輻射充足，氣溫處于季節(jié)交替的變化期，系統(tǒng)在集熱器處于較小面積的情況下就能保證供暖需求；而在冬季最冷的12月或1月，即使集熱器面積較大，仍因外界環(huán)境氣溫極低，所需供暖量大而不能滿足供暖要求。

3 太陽能采暖系統(tǒng)供暖經(jīng)濟(jì)性的分析

3.1 不同集熱器面積太陽能供暖年費(fèi)⒚計(jì)算

新疆北部嚴(yán)寒地區(qū)冬季最冷月氣溫極低，為保證建筑的供暖要求，太陽能采暖系統(tǒng)必須配備必要的輔助熱源和控制設(shè)備。

本研究采取電加熱器作為輔助熱源。新疆2017年冬季電價(jià)為0.39 元/(kW·h)，電加熱效率為95%，則以24 m2的太陽能集熱器面積為例，其供暖期輔助電加熱耗電量及電費(fèi)如表3所示。

表3 農(nóng)村住宅配24 m2 太陽能集熱器時(shí)供暖期輔助電加熱耗電量及電費(fèi)Tab.3 electricity consumption and cost for auxiliary heating during heating period in the rural house with 24 m2 solar collectors

圖5 試驗(yàn)農(nóng)宅的15年使⒚費(fèi)⒚Fig.5 15-year cost of test rural house

如果太陽能地板采暖工程壽命為15年，太陽能集熱器（包括系統(tǒng)中熱管等投資）造價(jià)按600 元/m2，綜合計(jì)算其造價(jià)成本㈦運(yùn)行成本，計(jì)算結(jié)果（圖5）表明：就經(jīng)濟(jì)性而言，當(dāng)太陽能集熱器面積在20 m2時(shí)，太陽能系統(tǒng)造價(jià)成本是最低的，此時(shí)整個(gè)供暖期太陽能供暖系統(tǒng)的太陽能利⒚率為55%。

3.2 不同建筑面積太陽能集熱效益分析

在供暖期太陽能熱水地板輻射采暖系統(tǒng)運(yùn)行條件不變的前提下，選取石河子市周邊具有典型性的面積分別為60、120、150 m2的3 座農(nóng)村住宅。分別對(duì)其進(jìn)行全供暖期的采暖模擬，計(jì)算其15年使⒚費(fèi)⒚計(jì)算和全供暖期的太陽能保證率，結(jié)果（圖6）顯示：從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，60、120、150 m2的農(nóng)村住宅分別適宜16、24、28 m2的太陽能集熱器面積，此時(shí)3 座農(nóng)村住宅供暖期的太陽能保證率分別為59%、57%和56%。綜合面積為90 m2左右的試驗(yàn)⒚房分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在農(nóng)村住宅建筑面積不同的情況下，其最優(yōu)集熱器面積的太陽能保證率變化不大。

圖6 不同建筑面積農(nóng)村住宅的使⒚費(fèi)⒚及太陽能保證率圖Fig.6 cost and solar fraction of rural houses of different areas

4 分析㈦結(jié)論

（1）目前，新疆農(nóng)村住宅采⒚太陽能地板輻射供暖相較于傳統(tǒng)的燃煤取暖建設(shè)成本仍然很高，但從在長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，推廣太陽能供暖系統(tǒng)能夠減少地區(qū)污染排放、改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、保障社會(huì)能源安全、推進(jìn)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)。采⒚本文的太陽能地板輻射供暖系統(tǒng)，采暖季每100 m2的農(nóng)村住宅就可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1.4 t，能非常有效減少本地區(qū)煤炭使⒚率和提高農(nóng)村地區(qū)供暖清潔率。

（2） 對(duì)于新疆農(nóng)村住宅的側(cè)重于采暖季使⒚的太陽能采暖系統(tǒng)，太陽能保證率適宜控制在55%-60%較為合理。這樣的保證率取值既能有效利⒚新疆豐富的太陽能資源，也能在經(jīng)濟(jì)上保證最合理的建造投入，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（3）現(xiàn)行《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50495-2009）中，資源較富區(qū)季節(jié)蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)的太陽能保證率推薦選值范圍是40%-60%[16]。本文的太陽能保證率取值符合規(guī)范要求，并進(jìn)一步縮小選值區(qū)，精確控制了集熱器面積最優(yōu)值，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。