西北地區(qū)太陽能采暖系統(tǒng)儲熱水箱熱損失試驗研究

李金平, 劉 潤, 崔維棟, 黃娟娟, 王春龍，2，3

(1. 蘭州理工大學 西部能源與環(huán)境研究中心, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術協(xié)同創(chuàng)新中心, 甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050)

隨著科學技術的日新月異,能源短缺已不容忽視,節(jié)約能源已受到世界性的普遍關注,目前全世界能源大約有30%消耗在建筑上[1].西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展比較落后,西北新農(nóng)村建筑多以“土暖氣”分散采暖,需要消耗大量的煤炭資源,造成嚴重的環(huán)境污染.西北地區(qū)擁有豐富的太陽能資源,太陽能是一種取之不竭的可再生資源[2-4]，太陽能熱水與低溫地板輻射采暖結合是最佳的選擇,具有良好的經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保效益及良好的市場推廣應用價值[5-8].國內(nèi)外有很多學者對全玻璃真空管太陽能性能進行研究[9-13],但是對儲熱水箱熱損失研究特別少.Lundh等[14]研究了50戶建筑供暖的太陽能供熱系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)由于儲熱水箱太小,儲熱水箱的熱損達到了儲熱量的40%.廖承菌等[15]對新型貯熱水箱的熱性能進行研究,結果表明：采用新型貯熱水箱的太陽能熱水系統(tǒng)平均熱損系數(shù)下降1.35～3.42 W/(m2·K).由于西北地區(qū)環(huán)境溫度較低,儲熱水箱中熱水與外界空氣傳熱過程中的熱量不可忽略,有必要分析儲熱水箱總熱損系數(shù)和總熱損失各影響因素,如何造成儲熱水箱熱量損失的原因,如何提高儲熱水箱的儲熱能力,國內(nèi)外很少有人研究.

鑒于以上分析,通過試驗數(shù)據(jù)對儲熱水箱總熱損系數(shù)和總熱損失各影響因素進行擬合,針對儲熱水箱熱損失分析及室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀,提出將儲熱水箱置于室內(nèi)的建議,以增強儲熱水箱儲熱能力和改善建筑室內(nèi)舒適度,對以后的全真空玻璃管太陽能主動采暖系統(tǒng)在實際生活中的設計和安裝起到一定的指導作用.

1 西北單體建筑太陽能供暖系統(tǒng)

1.1 西北單體建筑介紹

西北單體建筑地點位于民勤縣張麻村,年平均氣溫8.3 ℃,海拔1 385 m,太陽能資源豐富,建筑南北朝向,外墻材料依次是15 mm水泥砂漿+370 mm燒結黏土多孔磚+15 mm水泥砂漿,磚混結構,外部長、寬、高為12.02 m×9.74 m×3.30 m；建筑內(nèi)部分為三間臥室、一間客廳、一間廚房、一間衛(wèi)生間；東北角臥室尺寸為3.00 m×3.36 m,面積為10.08 m2；西北角臥室尺寸為3.00 m×3.30 m,面積為9.90 m2；西南角臥室尺寸為3.00 m×3.60 m,面積為10.80 m2；東南角廚房尺寸為3.00 m×3.60 m,面積為10.80 m2；客廳尺寸為4.80 m×3.60 m,面積為17.28 m2；衛(wèi)生間尺寸為1.56 m×2.11 m,面積為3.29 m2；三間臥室和廚房的門為木門,衛(wèi)生間的門為玻璃門,客廳的門為鋁合金門,該建筑面積為117.07 m2,建筑物平面布置及尺寸如圖1所示.

1.2 太陽能供暖系統(tǒng)

太陽能供暖系統(tǒng)主要包括太陽能集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和輔助熱源.本系統(tǒng)選用的單組太陽能集熱器是全真空玻璃管40支φ58 mm×1 800 mm,布置在正南朝向,與水平面傾角45°安裝.儲熱箱容積為400 L,太陽能供暖系統(tǒng)如圖2所示.

當白天全真空玻璃真空管陣列將太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱能加熱儲熱水箱中的熱水,晚上當儲熱水箱中熱水溫度滿足供暖需求時,啟動循環(huán)水泵驅(qū)動儲熱水箱中熱水至室內(nèi)地暖供暖；其中儲熱水箱置于室外,水箱保溫層將其與室外溫度環(huán)境隔離.當太陽能充足時和儲熱水箱達到一定溫度時,太陽能熱水單獨供暖系統(tǒng)運行,啟動循環(huán)水泵驅(qū)動儲熱水箱中熱水至室內(nèi)地暖供暖,系統(tǒng)全部來自太陽輻射；當遭受陰雨(雪)天氣,太陽輻射有限,小型燃煤鍋爐充當輔助熱源保證供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運行.供暖時間是下午16:00啟動供暖循環(huán)水泵向室內(nèi)供暖,至晚上24:00結束.在本文中選取的試驗數(shù)據(jù)都是采用太陽能熱水單獨供暖,無燃煤鍋爐輔助.

1.3 實驗儀器及技術參數(shù)

1) 環(huán)境溫度、供暖水箱中部溫度、供暖水箱進出口溫度均采用PT100溫度傳感器,四線制,量程為-50～100 ℃,精度為A級,±0.15 ℃.

2) 太陽輻射強度采用錦州陽光生產(chǎn)TBQ-2太陽能總輻射表,量程為0～2 000 W/m2,儀器靈敏度為8.963 μV/(W/m2),工作環(huán)境為5～45 ℃,相對濕度小于90%.太陽能總輻射表固定在屋頂傾角是45°的支架上,支架底部與水平一致,用指南針調(diào)整到正南方向,周圍沒有遮擋物.

3) 供暖水箱流量采用上海華脈LWGY-20渦輪流量計,量程為0.7～7.0 m3/h,精度為±0.44%.

4) 供暖循環(huán)水泵均為浙江省臺州滬發(fā)機電有限公司生產(chǎn)的LRS/15-9 屏蔽循環(huán)泵,功率120 W,揚程9 m,最大流量50 L/min.

以上參數(shù)采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀自動采集和記錄,設置掃描間隔為10 s.

2 計算公式

儲熱水箱的總熱損系數(shù)：

(1)

式中：Us為儲熱水箱的總熱損系數(shù),W/℃；m為儲熱水箱水的質(zhì)量,kg；Cp為水的比熱容,4 200 J/(kg·℃)；Δτ為時間間隔,s；ti為試驗中儲熱水箱內(nèi)的初始水溫,℃；tf為試驗中儲熱水箱內(nèi)的最終水溫,℃；tav為環(huán)境平均溫度,℃.

采暖系統(tǒng)的熱量方程[16]：

Qu=Qloss+Qg

(2)

式中：Qu為太陽能采暖系統(tǒng)供熱量,MJ；Qloss為儲熱水箱熱損失,MJ；Qg為太陽能采暖向室內(nèi)供熱量,MJ.Qloss和Qg分別為

式中：ts為用溫度傳感器測試得到的,每隔10 s測試儲熱水箱內(nèi)熱水的溫度,℃；ta為環(huán)境溫度,℃；t為時間,h;qm為供暖循環(huán)水流量,kg/s；tin為供暖供水溫度,℃；tout為供暖回水溫度,℃.

3 實驗結果分析

3.1 太陽能集熱器集熱效率分析

圖3為2015年12月15日上午09:01至下午17:03太陽輻射量、水箱溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的曲線.日照時間為8.2 h,太陽輻射強度從09:01開始緩慢出現(xiàn),此時太陽輻射量比較低.主要原因是在太陽輻射初期,環(huán)境溫度很低,在下午14:02達到全天最大輻射量971 W/m2.儲熱水箱溫度是先上升后緩慢下降的變化趨勢,水箱溫度在16:00時溫度達到最大,而后逐漸減少.主要原因是此階段儲熱水箱開始向室內(nèi)供暖,隨著儲熱水箱熱量的減少,溫度也隨之下降.環(huán)境溫度為-7.73～0.88 ℃.

表1 集熱效率實驗結果

(5)

多元判定系數(shù)R2為0.685,標準誤差為0.712,分析變量對太陽能集熱器集熱效率的影響.在儲熱水箱和環(huán)境日平均溫差不變的情況下,單位面積太陽輻射量每增加1 MJ,集熱效率增加2.135 MJ,在集熱面積日累計太陽輻射量不變的情況下,儲熱水箱平均溫度與環(huán)境溫度溫差每增加1 ℃,集熱效率降低0.318 MJ.

3.2 儲熱水箱熱損失分析

圖4為儲熱水箱熱損失、水箱溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的曲線,在00:00～08:00儲熱水箱溫度處于一直下降的趨勢,09:01～11:00儲熱水箱溫度處于緩慢上升的趨勢.主要原因是在集熱初期,太陽輻射量較弱且環(huán)境溫度較低,太陽能集熱器吸收的熱量只有一部分被有效利用,另一部分散失于環(huán)境,無法提供更多的熱量用于提高儲熱水箱溫度.在12:00之后儲熱水箱溫度快速上升,其后16:00時儲熱水箱溫度達到最大值而后逐漸下降.在運行期間,環(huán)境溫度在-8.04～0.88 ℃內(nèi)波動,儲熱水箱熱損失總共為12.72 MJ,向室內(nèi)供暖為21.18 MJ.該控制系統(tǒng)設置供暖循環(huán)水泵運行15 min后停止5 min,便于系統(tǒng)排汽,之后繼續(xù)運行,如此往復循環(huán).供暖時間是下午16:00啟動供暖循環(huán)水泵向室內(nèi)供暖,至晚上24:00結束,供暖階段儲熱水箱熱損失總共為3.23 MJ,供暖階段儲熱水箱熱損失占儲熱水箱總熱損失的25.40%,自然冷卻階段儲熱水箱熱損失為9.49 MJ,自然冷卻階段儲熱水箱熱損失占儲熱水箱總熱損失的74.60%.表明儲熱水箱置于室外,儲熱水箱熱損失主要發(fā)生在自然冷卻階段,造成儲熱水箱熱損失的主要原因是儲熱水箱所處的環(huán)境溫度比較低,儲熱水箱溫差比較大,同時難免受到風速的影響.

儲熱水箱的熱水溫度通常高于環(huán)境溫度,當供暖結束時,儲熱水箱中的熱水在00:00～08:00時間段處于自然冷卻階段,由于熱水在供暖時不斷循環(huán),可認為供暖結束之后水箱水溫分布均勻.由于西北地區(qū)冬季室外環(huán)境溫度特別低,儲熱水箱中的熱水與外界傳熱過程中存在熱損失.太陽能集熱器吸收的熱量只有一部分被有效利用,另一部通過儲熱水箱和室外管道散失到了環(huán)境中.由于管道的保溫措施良好且管道的外表面積與儲熱水箱的外表面積相比很小,因此本文研究時忽略了管道熱損失,只考慮外界因素環(huán)境溫度、室外風速等對儲熱水箱的影響.分析儲熱水箱熱損失,首先要確定儲熱水箱熱損失系數(shù)[17].

選取2015年12月15日夜間00:00～08:00這個時間段試驗數(shù)據(jù)進行分析,這個時間段處于自然冷卻階段.圖5為儲熱水箱溫度和環(huán)境溫度隨時間變化的曲線,儲熱水箱溫度和環(huán)境溫度一直處于緩慢下降趨勢,儲熱水箱內(nèi)的初始溫度為49.02 ℃,儲熱水箱內(nèi)的最終溫度為43.89 ℃,供暖時間是下午16:00啟動供暖循環(huán)水泵向室內(nèi)供暖,至晚上24:00結束.供暖結束后,在夜間隨著環(huán)境溫度的降低,儲熱水箱溫度也在逐漸下降.環(huán)境溫度在-7.8～-4.8 ℃內(nèi)變化,環(huán)境平均溫度為-6.23 ℃.

根據(jù)式(1～4)分析計算可得當日儲熱水箱的總熱損系數(shù)為5.68 W/℃,當日總熱量損失為9.49 MJ.如果將儲熱水箱置于室內(nèi),儲熱水箱熱損失會轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫哪芰肯蚴覂?nèi)供暖,同時可以相對延長太陽能熱水供暖時間,室內(nèi)溫度會進一步提高.

3.3 儲熱水箱總熱損系數(shù)各影響因素擬合

表2 儲熱水箱總熱損失與總熱損失系數(shù)實驗結果

為分析00:00～08:00平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱溫度變化幅度對儲熱水箱總熱損系數(shù)的影響,采用多元線性變量回歸方程對試驗數(shù)據(jù)進行處理,以獲得儲熱水箱總熱損系數(shù)與平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱溫度變化幅度的關系.多元變量線性回歸方程為

y=β0+β1X1+β2X2+β3X3

(6)

式中：β0為截距；βi為偏回歸系數(shù)；X1為平均環(huán)境溫度,℃；X2為室外風速,m/s；X3為儲熱水箱溫度變化幅度,℃.

如果其他自變量保持不變,Xi中的單位變化引起因變量y的變化,數(shù)據(jù)分析結果見表3.

表3 儲熱水箱總熱損系數(shù)擬合關系式(6)系數(shù)

由表3得到儲熱水箱總熱系數(shù)與平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱溫度變化幅度的關系如下：

y=2.385-0.008X1+0.007X2+0.679X3

(7)

R2為0.914,說明在儲熱水箱總熱損失的總變差中,有91.4%可由平均環(huán)境溫度、室外風速和儲熱水箱溫度變化幅度來解釋,回歸方程的擬合優(yōu)度優(yōu).F小于顯著性水平0.05,認為能用線性模型描述自變量與因變量間的相關關系.標準誤差為0.895,說明用平均環(huán)境溫度、室外風速和儲熱水箱溫度變化幅度來預測儲熱水箱總熱損系數(shù)時,平均的預測誤差為0.895 MJ.結果顯示,在其他條件不變的情況下,分析單一因素對儲熱水箱總熱損失的影響.平均環(huán)境溫度每降低1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加0.008 MJ;室外風速每增加1 m/s,儲熱水箱總熱損失增加0.007 MJ;儲熱水箱溫度變化幅度每增加1 ℃,儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.679 MJ.儲熱水箱總熱損系數(shù)受到環(huán)境溫度、室外風速和水箱內(nèi)部水溫變化的影響,在白天有太陽光時,熱損系數(shù)還會受到太陽輻射的影響,但考慮到水箱外殼的保溫措施良好且水箱接受太陽輻射的外表面積較小,在計算過程中并不考慮太陽輻射的影響,因此忽略太陽輻射對熱損系數(shù)的影響.

3.4 儲熱水箱總熱損失各影響因素擬合

儲熱水箱總熱損失與各方面因素有關,為分析00:00～08:00平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度對儲熱水箱總熱損失的影響,采用多元線性變量回歸方程對實驗數(shù)據(jù)進行處理,以獲得儲熱水箱總熱損失與平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度的關系.多元變量線性回歸方程為

y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4

(8)

式中：X4為儲熱水箱溫度變化幅度,℃.

如果其他自變量保持不變,Xi中的單位變化引起因變量y的變化；數(shù)據(jù)分析結果見表4.

由表4得到儲熱水箱總熱損失與平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度的關系如下：

y=3.564-0.067X1+0.042X2-0.068X3+

1.641X4

(9)

表4 儲熱水箱總熱損系數(shù)擬合關系式(8)系數(shù)

R2為0.975,說明在儲熱水箱總熱損失的總變差中,有97.5%可由平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度來解釋,回歸方程的擬合優(yōu)度優(yōu).F小于顯著性水平0.05,認為能用線性模型描述自變量與因變間的相關關系.標準誤差為1.222 MJ,說明用平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度來預測儲熱水箱總熱損失時,平均的預測誤差為1.222 MJ.結果顯示,在其他條件不變的情況下,分析單一因素對儲熱水箱總熱損失的影響.平均環(huán)境溫度每降低1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加0.067 MJ;室外風速每增加1 m/s,儲熱水箱總熱損失增加0.042 MJ;儲熱水箱平均溫度每降低1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加0.068 MJ;儲熱水箱溫度變化幅度每增加1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加1.641 MJ.儲熱水箱熱損失主要是受平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度的影響,儲熱水箱所處的環(huán)境溫度低,導致儲熱水箱內(nèi)水溫波動范圍比較大.

基于對儲熱水箱熱損失的分析,發(fā)現(xiàn)儲熱水箱熱損失與平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度有關.為了提高儲熱水箱儲熱能力及改善室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀,也可以考慮把儲熱水箱置于室內(nèi).儲熱水箱周圍環(huán)境溫度提高的同時,儲熱水箱的熱損失即變?yōu)橛杏玫哪芰考訜岱块g,室內(nèi)溫度可進一步提高,并改善建筑室內(nèi)舒適度.

4 結論

1) 儲熱水箱熱損失受平均環(huán)境溫度、室外風速、儲熱水箱平均溫度和儲熱水箱溫度變化幅度對儲熱水箱總熱損失的影響,擬合得出在其他條件不變的情況下,分析單一因素對儲熱水箱總熱損失的影響.平均環(huán)境溫度每降低1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加0.067 MJ;室外風速每增加1 m/s,儲熱水箱總熱損失增加0.042 MJ;儲熱水箱平均溫度每降低1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加0.068 MJ;儲熱水箱溫度變化幅度每增加1 ℃,儲熱水箱總熱損失增加1.641 MJ.

2) 針對儲熱水箱熱損失分析及室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀,提出可考慮將儲熱水箱置于室內(nèi)的建議.儲熱水箱熱損失會轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫哪芰肯蚴覂?nèi)供暖,同時可以相對延長太陽能熱水供暖時間,室內(nèi)溫度會進一步提高，極大地增強了儲熱水箱的儲熱能力，改善了建筑室內(nèi)的舒適度.