太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式研究

張保國(guó) 元明霞 謝丹丹

青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 2665103

1 嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素

1.1 建筑自身因素

①建筑物的朝向。良好的建筑朝向在提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提高、采暖能耗降低等方面有著十分顯著的作用。②建筑自身的體型系數(shù)。這里所指的體型系數(shù)實(shí)際上就是建筑工程和室外大氣接觸表面積與大氣包圍建筑工程體積的比值，并且這一數(shù)值是影響建筑工程熱量指標(biāo)的主要因素之一。③建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要包括建筑工程的外墻、外窗、外門(mén)及屋頂四個(gè)部分，作為建筑工程的最表層結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著保溫隔熱等諸多功能[1]。

1.2 可再生能源因素

在設(shè)計(jì)低能耗建筑供熱方式時(shí)，單純依賴(lài)被動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑供暖及能耗控制目標(biāo)具有較大的難度，并且前期的成本投入十分巨大。出于低能耗建筑供熱方式的普及和成本投入降低的考慮，除了需要借助被動(dòng)技術(shù)選用合適的建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)，還需要使用可再生能源代替不可再生能源。

1.3 能源和設(shè)備系統(tǒng)因素

建筑內(nèi)部的采暖能耗就是為了維持室內(nèi)單位恒定溫度需要消耗的能量，并且這個(gè)指標(biāo)主要是指供暖終端設(shè)施散發(fā)的熱量數(shù)值，但這一熱量數(shù)值是經(jīng)由設(shè)施轉(zhuǎn)換來(lái)的，能源及設(shè)施系統(tǒng)的效率對(duì)建筑工程的能源需求數(shù)量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為此，在設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)時(shí)，需要選擇性?xún)r(jià)比較高的能源類(lèi)型及采暖設(shè)施，以便在有效提高轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，達(dá)到建筑供暖的目的。

2 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2.1 低能耗建筑復(fù)合供熱系統(tǒng)組成

從當(dāng)前的技術(shù)情況來(lái)看，可以在全面結(jié)合太陽(yáng)能系統(tǒng)、空氣源熱泵以及電供熱輔助三部分系統(tǒng)的前提下形成一個(gè)嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑復(fù)合供熱系統(tǒng)。通過(guò)這三者的聯(lián)合使用，可以極大地彌補(bǔ)太陽(yáng)能利用不穩(wěn)定和存在間歇性的缺點(diǎn)，同時(shí)也使得獨(dú)立使用太陽(yáng)能供熱所需的集熱面積有所縮小，且空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行的費(fèi)用得到了有效的控制。在太陽(yáng)能和空氣熱泵聯(lián)合供熱的前提下，可以在維持二者獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)，互相作為彼此的補(bǔ)充；在有效達(dá)成供熱目標(biāo)的同時(shí)，降低能源的消耗。在較為寒冷的氣候下，空氣熱泵自身的COP數(shù)值會(huì)有所下降，但是在這種情況下，建筑需熱負(fù)荷量也會(huì)出現(xiàn)顯著的提高，但這部分時(shí)間占據(jù)總體的供暖時(shí)長(zhǎng)的比例相對(duì)較低，如果按照最大的負(fù)荷數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的熱泵選型和設(shè)計(jì)工作，則會(huì)帶來(lái)初期投資過(guò)大的問(wèn)題。在這種條件下，使用電輔助方式進(jìn)行輔助工作，可以在有效彌補(bǔ)太陽(yáng)能和空氣源熱泵供熱不足的同時(shí)，滿(mǎn)足建筑的供熱要求[2]。

2.2 太陽(yáng)能供熱方式

太陽(yáng)能作為一種最容易獲取的可再生能源，在開(kāi)發(fā)利用上具備不產(chǎn)生有害氣體以及廢渣等產(chǎn)物的巨大優(yōu)勢(shì)，不過(guò)太陽(yáng)能利用的一個(gè)最大的缺陷就在于能量利用不穩(wěn)定，并且晝夜交替和氣候變化對(duì)于太陽(yáng)能的利用影響較大。太陽(yáng)能自身的輻射強(qiáng)度，會(huì)跟隨緯度發(fā)生相應(yīng)的變化，以太陽(yáng)自身的輻射能力作為基礎(chǔ)，可以將我國(guó)劃分為五類(lèi)地區(qū)，而嚴(yán)寒地區(qū)則剛好屬于第三類(lèi)地區(qū)，有著較為充足的太陽(yáng)能資源及利用條件，太陽(yáng)能供熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中主要包括了太陽(yáng)能及熱器蓄熱水箱、水泵、控制系統(tǒng)、供回水管路等，在嚴(yán)寒地區(qū)的低能耗建筑中，使用該種供熱方式更加適合使用集熱效率較高的真空管型的集熱器。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行工況

該次研究所提出的嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑復(fù)合供熱系統(tǒng)，PLC智能控制方式可以作為主控方式。具體而言，就是在全面利用熱電偶溫度傳感器和光敏傳感器的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，并有效利用編程控制器和性能水平較高的單片機(jī)集成芯片采集太陽(yáng)能的系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程操控各類(lèi)參數(shù)的目標(biāo)。該系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)如下的幾種狀況：①太陽(yáng)能系統(tǒng)直接用于供熱。在3月、4月、10月和11月的時(shí)候，嚴(yán)寒地區(qū)白天的光照充足且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)較大，如此一來(lái)，太陽(yáng)能循環(huán)系統(tǒng)就會(huì)使用溫差控制方式對(duì)集熱系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)水泵開(kāi)啟的溫差做出有效的控制，使得太陽(yáng)能集熱器可以在全力吸收太陽(yáng)輻射能的前提下，保障集熱器內(nèi)部的溫度逐步提高，并借助熱電偶溫度傳感器的監(jiān)測(cè)，在太陽(yáng)能集熱器供水出口溫度和虛熱水箱溫差產(chǎn)生的熱量完全滿(mǎn)足實(shí)際供熱負(fù)荷的條件的情況下，及時(shí)啟動(dòng)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵，將集熱器收集的熱量?jī)?chǔ)存到蓄熱水箱中，借助毛細(xì)管網(wǎng)將蓄熱水箱中的熱量傳輸?shù)浇ㄖ?nèi)部空間，水分在散熱循環(huán)之后回到蓄熱水箱中。在太陽(yáng)能的儲(chǔ)熱罐溫度達(dá)到35℃的時(shí)候，循環(huán)泵就會(huì)停止運(yùn)作。②空氣源熱泵系統(tǒng)用作太陽(yáng)能系統(tǒng)的工作輔助。在嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較弱，太陽(yáng)能系統(tǒng)自身提供的熱量不足以達(dá)到熱水箱溫度設(shè)計(jì)水溫的前提下，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)空氣源熱泵機(jī)組對(duì)蓄熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱操作。同樣在水箱溫度達(dá)到35℃的時(shí)候，空氣源熱泵機(jī)組也會(huì)自動(dòng)停止工作[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)寒地區(qū)由于冬季對(duì)于建筑供熱的需求量相對(duì)較大，傳統(tǒng)的燃煤和燃?xì)忮仩t供暖方式會(huì)帶來(lái)較為嚴(yán)重的污染問(wèn)題和能源浪費(fèi)問(wèn)題。為此，文章在全面分析低能耗建筑供熱方式設(shè)計(jì)考慮因素以及常用供熱方式的前提下，提出了一種復(fù)合型的低能耗建筑供熱系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)際的運(yùn)行情況做出了簡(jiǎn)單的分析，以便為今后的嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑供熱方式和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。