摘要：我國(guó)大部分地區(qū)都需要供暖，供暖能耗是冬季建筑能耗的主要組成部分。太陽(yáng)能屬于低位可再生能源，具有清潔、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)。如果能充分利用太陽(yáng)能作為采暖系統(tǒng)的輔助熱源，在冬季進(jìn)行采暖，既可以減少化石能源的消耗，又可提高太陽(yáng)能在建筑供暖能源中的利用率，同時(shí)，也減少了因化石能源消耗造成的污染排放，節(jié)約了高品位能源消耗，大幅降低了運(yùn)行成本。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能集熱器；低溫輻射；節(jié)能減排；優(yōu)化運(yùn)行
0 引言
目前，全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重。利用太陽(yáng)能等可再生能源是解決這一問(wèn)題的有效方法之一。我國(guó)多數(shù)地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，年日照量在2200h以上，年輻射總量大約為3340～8360MJ/m2，相當(dāng)于110～250kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2[1]。未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì)，太陽(yáng)能節(jié)能更是建筑節(jié)能中最關(guān)鍵的一點(diǎn)。
本文研究了太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益，得到了太陽(yáng)能地板采暖系統(tǒng)在運(yùn)行期間內(nèi)有著良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。雖然初投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用低廉，并且長(zhǎng)期運(yùn)行該系統(tǒng)可大大減少二氧化碳排量，有利于緩解全球變暖，同時(shí)也減少了酸性氣體和懸浮顆粒物的排放量。
1 工程概況
傳統(tǒng)的太陽(yáng)能采暖裝置的系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定，易出現(xiàn)溫度波動(dòng)。夜間采暖效果不好，能量利用率低。
本裝置提出一雙循環(huán)電輔助熱管太陽(yáng)能地板輻射采暖裝置，該裝置適用于太陽(yáng)能資源豐富的別墅、低層辦公室建筑及農(nóng)村住宅的冬季供暖，裝置特征在于由熱管式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、電輔助加熱系統(tǒng)和地板輻射采暖系統(tǒng)組成的綜合供暖空調(diào)系統(tǒng)，傳統(tǒng)模式電加熱輔助太陽(yáng)能采暖裝置采用了一個(gè)大水箱，并把電輔助加熱裝置放入了大水箱，本裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于采用雙循環(huán)供熱模式，增加了一個(gè)小水箱，并把電加熱裝置放入了小水箱中，可以明顯縮短電輔助加熱的時(shí)間，改善電輔助加熱的效果。節(jié)約了加熱大水箱的能量，使系統(tǒng)溫度穩(wěn)定。做到了既節(jié)能又舒適。集熱器安裝如圖1[2]。
2 理論模型建立及能耗分析
為研究系統(tǒng)的適用性和節(jié)能性，本文選擇在我國(guó)華北地區(qū)的城市――北京市，建立一棟小型別墅模型。該建筑模型采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和電輔助加熱系統(tǒng)并聯(lián)，以改善輔助加熱采暖效果。在該建筑模型內(nèi)分別用dest和ansys作能耗分析，通過(guò)軟件模擬計(jì)算得出本工程能源消耗量并分析，為雙循環(huán)電輔助熱管太陽(yáng)能地板輻射采暖裝置在我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)的推廣及運(yùn)行情況做理論上的指導(dǎo)。
室內(nèi)的設(shè)計(jì)工況以及室外氣象參數(shù)是負(fù)荷的主要影響因素。Dest軟件本身集成了193個(gè)典型城市的氣象數(shù)據(jù)，這些氣象數(shù)據(jù)是由氣象模型Medpha所生成，其基礎(chǔ)是20年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和隨機(jī)氣象數(shù)據(jù)模型[3]。本工程采用的是地板輻射采暖，設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度略低于市政供暖室溫。但是輻射采暖的舒適度高于對(duì)流采暖舒適度，所以可以達(dá)到舒適度要求。工程中設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度最低為13.5℃，最高溫度17℃。
使用dest對(duì)建立本工程模型，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)輸入程序，用dest計(jì)算作能耗分析各計(jì)算結(jié)果如表1所示。
Dest作分析計(jì)算后得出室內(nèi)負(fù)荷及面積熱指標(biāo)列入表1。
Dest作分析計(jì)算后得出房間熱荷統(tǒng)計(jì)列入表2。
Dest對(duì)本系統(tǒng)分析后統(tǒng)計(jì)得出采暖季單位面積平均熱指標(biāo)為19.63W/m2，則平均熱負(fù)荷為2355.6W。
3 數(shù)據(jù)分析
本章對(duì)雙循環(huán)系統(tǒng)性能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)來(lái)自北京地區(qū)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)記錄，分別對(duì)雙循環(huán)系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的能耗和室內(nèi)狀態(tài)及理論分析，為實(shí)際的雙循環(huán)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。
3.1 大循環(huán)工況分析
太陽(yáng)能的蓄熱主要從早上7：00開始持續(xù)到下午5：00，但是由于水箱的蓄熱，大循環(huán)可以持續(xù)到23：00。以2015年2月11號(hào)為例分析一天中逐時(shí)溫度變化分析。 主要溫度變有以下幾方面：①圖3中室內(nèi)溫度T8基本穩(wěn)定在15℃。室內(nèi)溫度沒有因室外溫度變化而波動(dòng)，適合人的居住活動(dòng)。這也體現(xiàn)了本系統(tǒng)的供熱的穩(wěn)定性。②圖2中從7：30以后集熱管溫度T2、T3開始急劇上升，溫度達(dá)到大水箱溫度時(shí)開始對(duì)水箱加熱，集熱管的溫度變化變緩。③圖2中大水箱里的水經(jīng)水泵循環(huán)到集熱器，在集熱器中加熱，大水箱與集熱器溫度變化趨勢(shì)幾乎一致。④16：00以后集熱管集熱能力下降，不足以承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，大水箱溫度降低。17：30之后幾乎無(wú)集熱（此時(shí)熱管溫度曲線與大水箱溫度曲線分離），但由于大水箱有較高溫度，因此可以繼續(xù)為室內(nèi)供熱。
系統(tǒng)中溫度的波動(dòng)主要體現(xiàn)在太陽(yáng)能加熱方面，早上因?yàn)樘?yáng)輻射，集熱管對(duì)大水箱加熱。大水箱開始蓄熱，溫度逐漸上升，至最高峰15：30以后集熱管集熱量小于冷負(fù)荷，大水箱開始釋放儲(chǔ)存的熱量，溫度開始降低。
大水箱溫度約在早上8：10達(dá)到30℃，此時(shí)大循環(huán)開始。在剛開始由大水箱供熱時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不能夠承擔(dān)熱負(fù)荷，所以大水箱溫度有一小段下滑。隨著太陽(yáng)高度的變化，吸收的太陽(yáng)能越來(lái)越多，大于室內(nèi)負(fù)荷。此時(shí)大水箱開始蓄熱，大水箱總能量上升，溫度增加。太陽(yáng)能熱管吸收的能量一部分承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，另一部分轉(zhuǎn)儲(chǔ)存在大水箱中。一天中焓值最高出現(xiàn)在15：30，此時(shí)熱管吸收的太陽(yáng)能剛好等于室內(nèi)負(fù)荷，大水箱儲(chǔ)熱達(dá)到最大值。此后，被吸收的太陽(yáng)能小于室內(nèi)負(fù)荷，大水箱儲(chǔ)存的熱量開始承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷。按照2kW的負(fù)荷計(jì)算，大約在22：00以后大水箱溫度低于25℃。系統(tǒng)也由此進(jìn)入小循環(huán)工況。
如圖4，在14：30之前蓄熱功率時(shí)大于放熱功率的。這段時(shí)間水箱的溫度會(huì)持續(xù)增加，之后則持續(xù)減少。放熱功率曲線與時(shí)間軸圍城的曲線要大于蓄熱功率與時(shí)間軸圍城的曲線的。水箱蓄熱平均功率在3.55kW，放熱平均功率在3.31kW。則蓄熱能效計(jì)算如下：
蓄熱量=蓄熱功率×蓄熱時(shí)間=115020kJ
放熱量=放熱功率×放熱時(shí)間=96520kJ
蓄熱能效=放熱量/蓄熱量×100%
蓄熱能效=83.916%
3.2 小循環(huán)工況分析
當(dāng)大水箱溫度低于25℃時(shí)，則不足以保證室內(nèi)舒適的溫度。系統(tǒng)自動(dòng)切換到小循環(huán)工況，由輔助加熱器提供熱量。與太陽(yáng)能加熱不同，電加熱更穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)切換到小循環(huán)工況時(shí)，加熱器迅速加熱小水箱。如圖3.4所示，小水箱水溫穩(wěn)定在32～35℃之間，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在14.3℃。循環(huán)供水溫度為30.51℃，循環(huán)回水溫度為24.44℃，供回水溫差為6.07℃。
太陽(yáng)能集熱器持續(xù)吸收熱量加熱大水箱，當(dāng)大水箱溫度大于30℃時(shí)，系統(tǒng)切換為大循環(huán)工況，電輔助加熱停止工作。
3.3 輔助加熱效率分析
式中：Q1表示被室內(nèi)利用的熱量kW；C表示熱媒水的比熱kJ/kg；M表示熱媒水的質(zhì)量流量kg/s；ΔT表示熱媒水的供回水溫差℃；η表示熱量利用效率；P表示輔助加熱器的功率kW。
η=4.18×0.073×6.07/2×100%
=92.6%
3.4 節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益分析
本工程面積為120平方米，則每年供暖費(fèi)用為2880元。
電輔助加熱器的功率為2kW，平均工作時(shí)間為夜間23：00至次日8：00，時(shí)長(zhǎng)九個(gè)小時(shí)。耗電量18千瓦時(shí)（每月消耗電量540千瓦時(shí)）。北京市供暖時(shí)長(zhǎng)為120天，總耗電量為2160千瓦時(shí)。
北京市居民基準(zhǔn)電量為240千瓦時(shí)/月。現(xiàn)按每戶日常用電量為240千瓦時(shí)/月計(jì)算。則當(dāng)年11月份到次年3月份用電量分別為510千瓦時(shí)、780千瓦時(shí)、780千瓦時(shí)、780千瓦時(shí)、510千瓦時(shí)。
按階梯電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，則每月采暖用費(fèi)計(jì)算如下：
11月：160×0.5383+110×0.7883=172.841元
12月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
1月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
2月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
3月：160×0.5383+110×0.7883=172.841元
合計(jì)=172.841+385.682+385.682+385.682+172.841=1502.728元/年。
本工程出投資約為2萬(wàn)元。北京市對(duì)太陽(yáng)能采暖補(bǔ)貼如下：
太陽(yáng)能熱利用。農(nóng)村住戶在自有住房和村集體在公用建筑安裝太陽(yáng)能采暖設(shè)施的費(fèi)用由市發(fā)展改革委固定資產(chǎn)投資承擔(dān)30%、農(nóng)村住戶或村集體承擔(dān)三分之一，剩余部分由區(qū)縣政府承擔(dān)。除去政府補(bǔ)貼實(shí)際投資為6670元，每年采暖費(fèi)用節(jié)省費(fèi)用為1377.272元，所以五年內(nèi)收回初投資。
以后每年節(jié)約1377元的建筑能源費(fèi)用，相當(dāng)于節(jié)約了1747千瓦時(shí)的電量（6289.2MJ）。1kg標(biāo)準(zhǔn)煤能夠產(chǎn)生3.2kg的CO2，同時(shí)1kg標(biāo)準(zhǔn)煤能夠產(chǎn)生20908kJ的熱量約為5.8度電。所以一年可以節(jié)約燃煤301kg，減少CO2排放量963kg。
4 結(jié)論
從數(shù)據(jù)分析中可以得出若一間120m2的房間適應(yīng)雙循環(huán)地板輻射采暖系統(tǒng)的話，則每年可以節(jié)約用費(fèi)1377元，節(jié)約用煤301kg，減少CO2排放963kg。同時(shí)，在除去極端天氣情況下。室內(nèi)溫度可以維持在14℃以上，由于輻射采暖的舒適度還略高于對(duì)流采暖。本系統(tǒng)不僅高效的利用了太陽(yáng)能，還解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能采暖夜間能耗大、溫度不穩(wěn)定的問(wèn)題。
具體結(jié)論如下：
①本系統(tǒng)可以節(jié)能減排，減少化石燃料使用。
�、谙到y(tǒng)是環(huán)境友好型技術(shù)，是有利于環(huán)境的生產(chǎn)和消費(fèi)方式，促進(jìn)走向環(huán)境友好型社。
�、畚覈�(guó)應(yīng)加大投資力度，降低生產(chǎn)成本，大力開發(fā)利用農(nóng)村太陽(yáng)能資源，大面積推廣使用本系統(tǒng)，爭(zhēng)取能形成規(guī)模效應(yīng)，在國(guó)際碳交易市場(chǎng)出售減排額。這樣不但可以減少溫室氣體排放，有助于國(guó)家積極應(yīng)對(duì)氣候變化，還可以顯著增加農(nóng)村人口經(jīng)濟(jì)收入，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。
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