太阳能季节性蓄热系统的应用研究①
2014-12-24韩宇
韩宇
摘要：针对严寒地区农户、别墅独栋建筑，探索太阳能跨季节储热技术，在冬季供暖中的应用。设计方案从太阳能的年辐射量入手，分析了太阳能夏季可以提供的热量、以及建筑物冬季消耗的热量。提出太阳能存储、直接内供暖的方案，考虑到节省初投资的因素，为了减少造价，提出了太阳能结合水源热泵系统的供暖方案，以及太阳能结合空气能热泵的供暖方案。考虑了节能效率与运行费用的影响因素，该研究对采用太阳能复合热泵采暖具有一定的指导意义。
关键词：太阳能采暖 跨季储热 热泵
中图分类号：TE0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0020-02
Application of Solar Seasonal Heat Storage System Research
Han Yu
（xinjiang New Energy Research Institute，Xinjiang Wulumuqi，830011，China）
Abstract：Farmers in cold areas， single-family villa construction， explore the solar cross seasonal thermal storage technology， the application of the heating in winter. Design scheme from solar radiation， this paper analyzes the solar energy can provide heat in summer and winter building heat consumption. Solar energy storage， directly within the heating scheme is put forward， considering the factors， saves the initial investment in order to reduce the cost， heating scheme of solar energy in combination with water source heat pump system was put forward， combined with air can heat pump and solar energy heating scheme. Considering the energy saving efficiency and the factors that influence the operation cost of the study of using solar composite heat pump heating has a certain guiding significance.
Key words：Solar heating During thermal storage Heat pump
我国幅员辽阔，有一半以上面积属于严寒或寒冷地区，这些地区农村供暖多以直接燃烧秸秆等生物质能、煤等化石能源为主，能源利用效率低，每年消耗大量能源，据《中国建筑节能年度发展报告2011》调查表明，2008年农村住宅能耗占建筑总能耗的34%，约2.26亿tce，其中，秸秆等生物质能约占总能耗的40%～50%。夏季空调多以自然通风为主，热舒适性保障差。
为了实现改善农村人居生活环境的同时降低严寒地区农村建筑能耗，充分利用太阳能等可再生能源是有效的解决方法。本设计旨在探索适用于新疆气候条件下可再生能源供暖空调方法，包括系统形式、关键设备、施工技术等。村镇建筑节能改造技术，开发专用蓄热库保温模块，研究村镇建筑采用太阳能供暖的经济性。
1 系统构建思路
该项主要是利用太阳能满足新疆地区农村住宅的供暖需求，通过前面对当地气象资料和建筑负荷特性分析可知，利用太阳能季节性蓄热是主要的技术途径。此外，为了实现系统夏季空调功能，同时利用空调排热实现供暖，还可以将热泵技术与太阳能季节性蓄热技术联合运行，该方式还可以提高集热器集热效率，减少蓄热装置容积。为了进一步降低太阳能集热器面积及蓄热装置容积，可进一步利用空气源热泵联合太阳能供暖系统运行。根据蓄热方式的不同，蓄热装置内蓄热介质可以水进行显热蓄热，也可在水中增加相变材料，增加单位体积蓄热能力。基于上述考虑，下面提出一种系统设计方案。
2 太阳能季节性蓄热复合空气源热泵供暖空调系统设计
图1为太阳能季节性蓄热直接供暖系统原理图，该系统主要由太阳能集热器、蓄热水池、蓄热换热器（置于水池下层）、取热换热器（置于水池上层）、水水热泵机组、空气源热泵机组、循环水泵及供暖末端等组成。对建筑负荷统计结果分析可知，有约一半建筑热负荷分布在高于-10℃的温度段内，因此，为了降低太阳能集热、蓄热系统的设计参数，实现太阳能与水水热泵与空气源热泵的互补利用。该系统在不同的时期和室外环境条件下可运行以下四种运行模式：
模式1：太阳能蓄热同时利用蓄热水池直接供暖模式。当供暖期晴天集热器有效集热时，可同时利用蓄热换热器进行太阳能蓄热和水池直接供暖。
模式2：太阳能蓄热同时利用水/水热泵机组从蓄热水池中取热供暖模式。在供暖期晴天集热器有效集热时，但水池内水温相对较低，运行水/水热泵进行供暖。
模式3：太阳能蓄热同时利用蓄热水池作为水/水热泵热汇进行供冷模式。该模式运行与供冷期，通过该模式将供冷期的太阳能和空调排热都蓄存至蓄热水池中。
模式4：太阳能蓄热模式：在非供暖期或供暖期系统停止供暖时，当太阳能辐射较强，可将太阳能蓄存至水池中。
当太阳能集热器不能有效集热时，集热循环泵停止运行，若此时建筑有供暖空调需求，可以启动对应的供暖空调模式。
下面对该方案系统主要部件进行设计。如前所述，在该方案中假定高于-10℃负荷由空气源热泵承担，低于-10℃负荷由太阳能季节性蓄热热泵供暖空调系统承担，该方案所需集热器面积可按照下面公式计算：
（1）
式中：
为集热器面积（m2）。为室外温度小于-10℃的累积热负荷（kWh）。为水-水热泵机组平均性能系数。为空调器累积排热量（kWh）。为空调期水源热泵平均性能系数。为空调得热蓄存效率。为单位面积集热器年有效集热量（kWh/m2）。
在计算过程中取=9.0，=6.0，=0.8，通过计算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集热器面积=4.5m2。
若以水作为蓄热介质，其容积按照下面公式计算：
（2）
其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。
若以相变材料CaCl2.6H2O和水按照体积比为1：1作为蓄热介质，所需蓄热水池体积按照式
（3）
该方案所需蓄热水池体积为65.6m3。
综合以上计算结果，同时对系统中其它部件进行设计，系统主要部件的设计参数与运行工况如表1所示。
现在讨论复合采暖方案的节能性、经济性及初投资进行分析。
复合采暖方案与户用燃煤锅炉供暖加分体空调供冷相比，比较分析过程及结果如表2所示。
由表2节能性分析结果可知，相比传统的分散锅炉供暖和分体空调供冷方案，由于空气源热泵与水/水热泵联合使用，节能率达到了43.1%，节能性较好。
3 系统运行经济性分析
根据前面运行能耗计算结果，运行费用情况如表3所示，由初步计算分析可知，运行费用约为传统供暖空调方式54.2%。
4 结论
该部分在前面对当地气象资料统计计算和建筑负荷特性基础上，提出了太阳能跨季储热供暖空调系统构建思路，并据此提出了一种可行的实施方案，并对每种方案进行了细化设计，在此基础上对方案的运行节能性、经济性进行了初步的比较分析，此设计方案应用在乌鲁木齐市周边的村镇建筑节能改造示范项目当中，可以实现绿色采暖，节能效果明显。
当太阳能集热器不能有效集热时，集热循环泵停止运行，若此时建筑有供暖空调需求，可以启动对应的供暖空调模式。
下面对该方案系统主要部件进行设计。如前所述，在该方案中假定高于-10℃负荷由空气源热泵承担，低于-10℃负荷由太阳能季节性蓄热热泵供暖空调系统承担，该方案所需集热器面积可按照下面公式计算：
（1）
式中：
为集热器面积（m2）。为室外温度小于-10℃的累积热负荷（kWh）。为水-水热泵机组平均性能系数。为空调器累积排热量（kWh）。为空调期水源热泵平均性能系数。为空调得热蓄存效率。为单位面积集热器年有效集热量（kWh/m2）。
在计算过程中取=9.0，=6.0，=0.8，通过计算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集热器面积=4.5m2。
若以水作为蓄热介质，其容积按照下面公式计算：
（2）
其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。
若以相变材料CaCl2.6H2O和水按照体积比为1：1作为蓄热介质，所需蓄热水池体积按照式
（3）
该方案所需蓄热水池体积为65.6m3。
综合以上计算结果，同时对系统中其它部件进行设计，系统主要部件的设计参数与运行工况如表1所示。
现在讨论复合采暖方案的节能性、经济性及初投资进行分析。
复合采暖方案与户用燃煤锅炉供暖加分体空调供冷相比，比较分析过程及结果如表2所示。
由表2节能性分析结果可知，相比传统的分散锅炉供暖和分体空调供冷方案，由于空气源热泵与水/水热泵联合使用，节能率达到了43.1%，节能性较好。
3 系统运行经济性分析
根据前面运行能耗计算结果，运行费用情况如表3所示，由初步计算分析可知，运行费用约为传统供暖空调方式54.2%。
4 结论
该部分在前面对当地气象资料统计计算和建筑负荷特性基础上，提出了太阳能跨季储热供暖空调系统构建思路，并据此提出了一种可行的实施方案，并对每种方案进行了细化设计，在此基础上对方案的运行节能性、经济性进行了初步的比较分析，此设计方案应用在乌鲁木齐市周边的村镇建筑节能改造示范项目当中，可以实现绿色采暖，节能效果明显。
当太阳能集热器不能有效集热时，集热循环泵停止运行，若此时建筑有供暖空调需求，可以启动对应的供暖空调模式。
下面对该方案系统主要部件进行设计。如前所述，在该方案中假定高于-10℃负荷由空气源热泵承担，低于-10℃负荷由太阳能季节性蓄热热泵供暖空调系统承担，该方案所需集热器面积可按照下面公式计算：
（1）
式中：
为集热器面积（m2）。为室外温度小于-10℃的累积热负荷（kWh）。为水-水热泵机组平均性能系数。为空调器累积排热量（kWh）。为空调期水源热泵平均性能系数。为空调得热蓄存效率。为单位面积集热器年有效集热量（kWh/m2）。
在计算过程中取=9.0，=6.0，=0.8，通过计算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集热器面积=4.5m2。
若以水作为蓄热介质，其容积按照下面公式计算：
（2）
其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。
若以相变材料CaCl2.6H2O和水按照体积比为1：1作为蓄热介质，所需蓄热水池体积按照式
（3）
该方案所需蓄热水池体积为65.6m3。
综合以上计算结果，同时对系统中其它部件进行设计，系统主要部件的设计参数与运行工况如表1所示。
现在讨论复合采暖方案的节能性、经济性及初投资进行分析。
复合采暖方案与户用燃煤锅炉供暖加分体空调供冷相比，比较分析过程及结果如表2所示。
由表2节能性分析结果可知，相比传统的分散锅炉供暖和分体空调供冷方案，由于空气源热泵与水/水热泵联合使用，节能率达到了43.1%，节能性较好。
3 系统运行经济性分析
根据前面运行能耗计算结果，运行费用情况如表3所示，由初步计算分析可知，运行费用约为传统供暖空调方式54.2%。
4 结论
该部分在前面对当地气象资料统计计算和建筑负荷特性基础上，提出了太阳能跨季储热供暖空调系统构建思路，并据此提出了一种可行的实施方案，并对每种方案进行了细化设计，在此基础上对方案的运行节能性、经济性进行了初步的比较分析，此设计方案应用在乌鲁木齐市周边的村镇建筑节能改造示范项目当中，可以实现绿色采暖，节能效果明显。
