太阳能采暖建筑的分析与思考

王宗明

太阳能采暖建筑的分析与思考
摘 要：本文通过对一栋位于北京昌平地区的主动式太阳房的全冬季测试数据进行分析得出了太阳能保证率及其诺干重要影响因素并给出了其辅助热源的合理设计和运行方式
关键词：主动式太阳房 太阳能供暖保证率 空气源热泵
一、背景：世界范围能源问题、环境问题日益突出，可再生能源的开发利用越来越受到人们的重视。太阳能作为取之不尽，用之不竭的清洁环保绿色能源，在生产和生活领域的应用更加广泛。
目前，我国北方的采暖能耗占全国能耗的15%左右。近年统计，在建设新农村的政策实施下，农村采暖能耗比重大幅度上升。且大量使用煤炭，不但难于持续发展，而且对环境治理带来更大压力。
太阳能是最清洁的可再生能源，我国北方的太阳能资源十分丰富，太阳能采暖对减少能源消耗较之太阳能热水有更大的收效，在上世纪七、八十年代我国在科技攻关中为此做出了很大的努力。在被动式太阳房领域中取得了很大的成绩（注①②）。近十几年，随着经济发展，主动式为主的太阳房建设有较快发展，但组织科技队伍，在理论和技术上的突破性进展不明显。所以，北京清华索兰环能技术研究所在承担北京市海淀区发改委下达的08年“太阳能综合利用技术示范项目”课题后，与清华大学一起，在清华阳光既有的太阳能地板采暖系统基础上增加了空气源热泵辅助热源及相关测试手段。本文在总结08-09年冬季该主动式太阳房采暖实践的基础上，对以北京为代表的太阳能冬季辐射资源区划中的第二类地区如何合理地建设主动式太阳房的若干问题进行探讨。
几个重要的原则问题
太阳能能流密度低，依据已经市场化的产品技术手段冬季获得40℃左右的热水是不难实现的。将其与低温地板辐射采暖结合是即节能又舒适的理想搭配，这一点已经毋庸置疑，被广为关注，可谓市场前景广阔。在这个公认的前提下如何设计集热器和系统，使其热利用率提高；如何确定集热器与建筑面积的比例既现实又合理；在不同标准的节能建筑中，究竟能获得多大的太阳能供暖保证率；利用什么样的辅助热源；允许室温有多大的波动范围既切合需求又经济合理等诸多实际问题都应探讨。
二、        集热器倾角的讨论
对于用于冬季采暖的太阳能集热器，其倾角的确定以集热面冬季最冷月（12月、1月、2月）最大限度地获得太阳能为依据，即：
                               （2-1）
式中 ——月均倾斜面总日射辐照量
——月均水平面总日射辐照量
——月均投射在倾斜面总日射辐照量与水平面总日射辐照量的比值
北京地区，纬度40°，冬季集热器南向最佳倾角为57°，一般取55°。
1、不同倾角对集热量的影响

图2-1北京地区冬季11月~3月采暖度日值图
从图1中可以看出，冬季采暖度日值1月最大，12月次之，12~2月的度日值占冬季总度日值的70%(其中12月占23.4%，1月26%，2月20.6%)，11月、3月分别仅占15%。

不同倾角太阳月平均日辐照量如图（2-1）

图2-1不同倾角太阳月平均日辐照量曲线。从图中可以看出，在冬季热负荷最大的12月、1月，倾角θ=55°的月平均日辐照最大，倾角θ=40°的月平均日辐照次之，倾角θ=25°的月平均日辐照最小。
2、冬季采暖负荷的分布特性
用冬季采暖度日值，可反映出建筑采暖负荷的分布特性。
如图（2-2）所示

从图（2-2）中可以看出，在冬季热负荷最大的12月、1月，倾角θ=55°的月平均日辐照最大，倾角θ=40°的月平均日辐照次之，倾角θ=25°的月平均日辐照最小。

3、        不同倾角下月平均日照量与不同负荷的匹配
我们用不同倾角太阳冬季月平均日辐照量与度日值之比表示太阳辐照与相对应月份采暖热负荷的匹配程度。

图2-3 不同倾角冬季太阳月平均日辐照量与度日值之比
由图2-3可知，θ=55°倾角月平均日辐照量与12月、1月、2月度日值的比值，比25°倾角大得多，则相同集热面积，55°倾角比25°倾角集热量对采暖负荷的贡献大。
三、        太阳能集热面积与建筑面积的比例关系
太阳能集热面积是否是越多越好，这里牵扯屋面面积对集热器排列布置的限制，及太阳能集热器的投资。
1、        置于平屋顶用于冬季采暖的集热器，前后排的最小间距
按1月正午12点太阳平均高度角h选取。集热器倾角为θ，集热器总高为L，
则最小间距D = L•sinθ•ctgh                          （3-1）  
两排集热器之间的最小距离E =  L•cosθ+ D                  （3-2）

图3-1平屋顶上两排太阳能集热器最小水平距离
以北京地区为例， 集热器倾角θ=55°  1月正午平均高度角h=30°，集热器总高为L=1.8m，
由式3-1，集热器最小间距D = L•sinα•ctgh=1.8×sin55°×ctg30°=2.55m
一排集热器遮挡距离E = L•cosα+ D=3.58m
一般取3.5米。
2、太阳能集热面积与建筑面积的比例关系
在平屋面上安装集热器，假设在一排10m中安装四个单元集热器其联箱总长2.0×4，集热器斜面长1.8米，集热面积12.0 m2, 它所占屋面面积为10m×3.5m=35m2但集热器最后一排可缩小此距离，所以1栋二层平顶楼房的太阳能集热面积与屋面面积的最大比为1：3左右。即集热器面积最大占到建筑面积的三分之一。所以在此比例下建筑层数不能大于三层。
清华阳光的太阳能集热系统，采用真空管U型管式集热器， 集热器采光面积共150m2 ，为串并联式。集热器与建筑面积之比为1：4.2
集热器倾角55°
四、        太阳有效得热
1、        太阳能集热系统
为防止冬季冻结，清华阳光采用了防冻液与水的板式换热系统，集热系统如图4-1.所示，本系统属于双回路系统，基本上只考虑满足白天采暖需求，不考虑为夜间采暖的蓄热，蓄水箱为1.6立方米。系统如图（4-1）

图4-1  太阳能地板采暖系统示意图
2、真空管U型管集热器的效率公式：           （4-1）
式中Tin——集热器入口温度℃
Ta——环境温度℃
q——太阳瞬时辐照强度 w/m2
式中0.668为FR(τα)，以4-1计算逐日逐时太阳能得热效率η
FR——为热转移因子
（τα）——为玻璃的透射吸收率的乘积
3、η值的修正
根据实测数据计算逐日逐时太阳能热效率η，从而获得太阳有效得热时作如下假定：
1）认为一天上午水温上升时，集热系统的热容与下午水温下降时的热容相抵，不再单计算。
2）由于集热系统是由温差控制的，一般在上午9点30至下午15：30运行，在此时段太阳光的入射角变化不超过±30°，入射角γ对（τα）的影响小于4%，可以忽略，加之真空管集热器有准追踪性，所以（τα）也取为定值。
3）由于真空管集热器的发射率较低(＜0.04),且有真空夹层保温，故热损系数UL对环温、风速不敏感。
4）由于系统采用定流量运行，又基于上述分析，所以FR也取为定值。

太阳日有效得热量            kJ/m2                              （4-2）
——倾斜面日射辐照强度 w/m2
t——时间
3、以北京昌平阳坊清华阳光08年1月12日太阳逐时辐照为例，计算出太阳有效得热如图4-3所示。



累计9:30~16:30，太阳日总有效得热为9.02MJ/m2×150m2=1352.8MJ
白天室内温度18~20℃，感觉舒适。
五、        建筑冬季热负荷的确认
北京昌平阳坊清华阳光的办公楼中一层展厅及门厅和二层办公，建筑面积640平米，采用太阳能地板采暖系统。门厅层高约9米，首层层高4.2米，二层层高4.8米。
冬季热负荷的确认由下面两方面推算
1、根据全阴天，电锅炉供热量及室内外温差，推算得出该建筑采暖热负荷系数BLC=1570 w/℃
采暖热负荷w         室外平均温度℃         室内平均温度℃        室内外平均温差℃        BLC w/℃
33420        -3.1        18.2        21.3        1570

电锅炉容量为380V，54kw。经过测定，实际使用电锅炉为380V，36kw。
2、        从采暖系统的流量和温差，推算采暖负荷，由于直管段不够长，测定的数据不准确，所以此次没有以此作为依据。

建筑小时热负荷是    w                       （5-1）
式中BLC——建筑采暖热负荷系数 w/℃
Tn——室内温度℃
Ta——环境温度℃
由此得出，建筑采暖设计热负荷 =45.5kw
由于公建的层高较高、窗墙比大，建筑采暖指标为71.1w/m2。
六、        太阳能保证率
太阳能的保证率是指在采暖期间，太阳能的有效得热量与采暖系统的耗热量之比。其大小表示太阳能对采暖系统的贡献率。图6-1是清华阳光太阳能地板采暖系统08-09年冬季太阳能有效得热与建筑采暖耗热量的比较。

该建筑在08.11.27~09.3.3采暖期间，采暖耗热量69433.18MJ，太阳能总有效得热24110.94MJ，平均太阳能保证率35.56%。其主要月份的太阳能采暖保证率见表６－1。
表6-1  清华阳光办公楼08-09年冬季太阳能保证率
　        太阳月有效得热kwh        月平均外温        建筑采暖耗热量kwh        太阳能保证率
12月        6644.54                15692.9664        0.423
1月        8831.307965                23023.47577        0.384
2月        7116.538164                20425.1976        0.348

冬季主要月份的太阳能有效得热量如图6-2所示。

七、        建筑保温与太阳能保证率
根据建设部节能标准：在冬季采暖室温为18度时，公共建筑热负荷指标75w/m2，一般普通住宅建筑热负荷指标54w/m2，第二步建筑热负荷指标为32w/m2。
以这三种类型建筑为例，进一步讨论太阳能保证率问题。
在集热器最佳倾角情况下：
1：热负荷指标为75w/m2的公共建筑：其平均负荷为54w/m2，供暖期125天，太阳能与建筑面积之比为1:4，全冬季保证率36~40%，其中12~2月3个月的保证率约为36.5%。太阳能主要保证白天使用，不考虑蓄热。
2：热负荷指标为54w/m2的建筑，其平均负荷为39w/m2，供暖期125天，如果太阳能与建筑面积之比为1：5.5，全冬季保证率36~40%，其中12~2月3个月的保证率约36.5%，此时太阳能主要保证白天使用，不考虑蓄热。如果太阳能与建筑面积之比为1：4，则全冬季保证率可以为47.0~52.3%，考虑要增加蓄热设备，蓄热损失占5%。
3：热负荷指标为32w/m2的建筑，其平均负荷为20.6w/m2，供暖期125天，如果太阳能与建筑面积之比为1：9.4，全冬季保证率36~40%，其中12~2月3个月的保证率约36.5%，此时太阳能主要保证白天使用，不考虑蓄热。如果太阳能与建筑面积之比为1：4，则全冬季保证率可以超过70%，考虑要增加较大的蓄热设备，所以蓄热损失占10%。
因此提高建筑的保温性能，减少建筑的能耗，是增大太阳能保证率的有效途径。
八、        太阳能辅助热源系统
太阳能采暖系统的辅助热源，用于补充夜间及阴雪天无太阳时采暖的需要，保证采暖系统的稳定可靠。辅助热源的大小要根据建筑冬季设计热负荷确定。辅助热源的形式多种多样，一般有燃气炉、燃煤炉、电锅炉、工业余热、地热、和各种形式的热泵，包括空气源热泵 、地源热泵、水源热泵等。
这里讨论的清华阳光太阳能地板采暖系统的辅助热源，采用电锅炉和空气源热泵机组两种设备，电锅炉36kw。热泵机组如果按照设计负荷选择，应该为30匹机，但是由于投资限制，所以选择15匹机组。用36kw电锅炉，担负尖峰负荷，但是有些不足。采暖系统运行模式，根据不同的气象条件采取不同的设备运行方式。

1、辅助热源的控制模式
冬季时整个设备采用了三种控制运行模式：
1）以室温控制采暖循环泵启停。
2）以蓄热水箱水温控制电锅炉和热泵机组启停。
3）在外气温低的时候，平均外温低于-5℃时，由于热泵出力偏小，所以采用分时段控制电锅炉（24：00~8：00）和热泵机组（16：00~24：00）的运行。否则热泵可以全天控温运行。
2、以热泵为主+电锅炉的辅助热源系统不同的运行模式
1）冬季开始采暖到12月初，是第一阶段，此时室外平均温度较高，大于1℃，采用太阳能-热泵地板采暖的运行方式。
2）12月9日到11日，由于下雪，热泵机组除霜故障，导致机组制热量的下降，无法满足采暖要求，此时热泵机组停，由电锅炉补热。
3） 从12月底，进入寒冷天气，对热泵机组采取定时运行的方式，热泵机组从下午4点开始到夜间12点之间运行，夜间12点到早晨太阳能启动前，电锅炉运行。
4）2月中旬，室外平均温度大于1℃左右,电锅炉停，采用太阳能—热泵地板采暖的运行方式。
3、不同工况下热泵机组制热效率分析
冬季采暖气象条件

12月25日 ，只有热泵机组为辅助热源，工作时间13.5小时，环温从-10.3~-0.7℃，平均环温-5.7℃，室温18.63℃，阶段负荷507.5kwh, 耗电量290kwh, 系统COP=1.75
2月10~16日，热泵机组辅助供热，平均环温1.01℃，室温21.63℃，阶段负荷4107.6kwh, 耗电量1385kwh, 系统COP=2.96
   室外平均温度低于-5℃，由于机组容量偏小，不宜单独全天运行。
3、值得吸取的教训
1）热泵与电锅炉混合运行
在09年元旦假期，曾经尝试电锅炉与热泵机组同时运行，结果发现，电锅炉与热泵机组都工作时，不但耗电量大，而供热效果相当于只开一台电锅炉，热泵机组没有起作用。这是因为热泵机组被迫在高的冷凝温度下工作，蒸发温度会高于室外空气温度，不但不能从空气中吸热，还会向空气散热，导致热泵机组耗电，这不符合热泵工作条件，制热效率很低，所以，要避免热泵机组与电锅炉等热源同时工作，混合运行。本文认为，即使室外温度高也不要混合运行，以免电锅炉影响热泵的工作效率。为提高热泵机组制热效率，热泵机组宜单设蓄热水箱，这样与其它热源没有干扰，可以白天制热提高热泵COP。
2）        冬季热泵机组冲霜频繁的问题：在华北地区，由于相对湿度较低，一般不存在冲霜问题，所以冲霜控制必须改进。本文已经合理解决该问题，改进后热泵耗电量显著下降。
九、关于室温波动
清华阳光实测的室内温度曲线参见图8-2，测试期间，室温变化平缓，室温比较稳定，12月20日和1月22日两天室温偏低，是由于室外温度较低，电锅炉产热量无法负担造成的。
以主动式为主的太阳房不同于被动式，在于室温可以不大起大落，如果室温波动较大，就无从谈太阳能保证率。
08年清华大学测试的京郊某主动式太阳房，屋顶为30°坡屋顶，安装太阳能集热器进行地板采暖，集热面积与建筑面积的比为1：4，采暖热负荷指标为32w/m2。3月初测得一日之内，采暖区域内最低室温7℃，最高室温17℃。经过模拟计算，当室温下限保证16℃时，太阳能的节能率34.9%。鉴于此建筑保温标准很高，而得到这种太阳能的节能率明显偏小。这说明太阳能系统的设计安装是否合理，对太阳能节能率影响很大。也由此可以看出集热器倾角对太阳能保证率的影响很大，应该引起我们对太阳能集热器与建筑结合相关问题的重视。
室温℃        16        18
节能率 %        34.9        28.5
十、        结论
以北京地区为代表的太阳能冬季辐射资源区划中的第二类地区，用于冬季采暖的太阳能集热器，其倾角的确定以集热面冬季最冷月（12月、1月、2月）最大限度地获得太阳能为依据。冬季集热器南向最佳倾角为57°，一般取55°。
2、太阳能集热面积与建筑面积的比例关系，对于平顶建筑的太阳能集热面积与屋面面积的最大比例约为1：3左右。
3、对于建筑面积640平米，集热器采光面积150m2 ，集热器与建筑面积之比为1：4.2的办公建筑，其建筑热指标71.1 w/m2，2008~2009年冬季太阳能保证率可达到35~40 %。白天室内平均温度19℃，室内感觉舒适。
4、提高建筑的保温性能，减少建筑的能耗，增加蓄热措施，可以使太阳能保证率进一步提高到70%以上，其经济性问题有待进一步探讨。
5、从该实践来看，热泵作为辅助热源节能率较高，比电锅炉合算。没有热泵的条件下，用火炕、火墙等系统也是值得探讨的。建筑保温、集热器面积比、辅助热源大小都涉及到初投资的经济性和能源政策问题，有待进一步探讨。
【参考文献】
①李元哲。被动式太阳房热工设计手册[D]北京：清华大学出版社
②李元哲 狄洪发 方贤德。被动式太阳房的原理及其设计[D] 北京：能源出版社
③喜文华。被动式太阳房的设计与建造[D]北京：化学工业出版社

杨荔

技术论文 我只能收藏了
用于需要的人！我只能做个图书管理员了~

太阳能热泵

呵呵
顶！！！

abb

好文章更要顶，非常专业

青岛孟翔

好专业，虽然看不懂，但我这个非专业人士还顶定了，支持低碳、环保、节能的好产品！