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太阳能与采暖热源互补式供暖、供热水系统形式的研究

晨怡热管 http://nx8.net/news/20 2006-10-11 0:57:46

日期:2005-4-27 23:41:16 来源:原创查看:[大中小] 作者：未知热度：

摘要： 以采暖系统的回水作为太阳能热水供应系统的补充热源，集热器面积按采暖期平均负荷确定，这样利用采暖系统的蓄热功能，实现采暖系统与太阳能系统的能源互补，理论上在不需要补充热量的情况下，实现全年比较稳定的热水供应。

关键词： 太阳能蓄热采暖回水热水供应

随着经济的发展，人们生活水平逐年提高，热水供应消费已逐渐成为每个家庭不可缺少的一项日常开支。目前，我国除少数住宅有集中的热水供应系统外，绝大多数家庭使用的都是每户设置一台热水器的分户供应形式。这种供应形式，由于每个用户的专业知识参差不齐，选用的热水器容量大小不一，资源不能合理利用，造成了很大浪费。我国目前主要以单元式住宅为主，这有利于发展集中式热水供应。太阳能集中式热水供应系统，以其环保、节能的特点越来越受到人们的重视，本文在普通的集中式太阳能热水供应系统的基础上，提出了将太阳能系统与采暖系统结合起来，联合运行，利用采暖回水的低品位热能作为太阳能系统的补充热源，使二者能源互补，并针对这一系统形式进行了分析。

1太阳能热水供应系统

1.1太阳能热水供应系统形式

利用太阳能进行集中的热水供应在国内外已有先例，如图1所示，常见的循环式太阳能热水系统主要由集热器、储热水箱、循环泵和补充热源等构成。系统在全年的运行过程中，其补充热源主要是燃油炉或燃气炉，也有用电进行辅助加热的。

1.2太阳能热水供应系统特点 太阳能系统集热效果取决于太阳的辐射强度，具有不均匀性，表现在以下三个方面：一是随着季节的变化，太阳的辐射强度在发生变化，即冬季辐射强度小，夏季辐射强度大；二是同一季节，随着天气的晴朗程度不同，太阳的辐射强度在发生变化，晴天辐射强度大，阴天辐射强度小；三是在一天里，白天有太阳的辐射，晚上没有太阳的辐射。

由于太阳能系统集热的不均匀性，使太阳能系统的热水供应具有不稳定性，即夏季供水温度高，冬季供水温度低；晴天供水温度高，阴天供水温度低；白天供水温度高，晚上供水温度低。

在采暖期内，随着太阳辐射强度的变化，室外气温也会随之变化，具体数量关系不易确定，但总的趋势是随着太阳辐射强度的降低，室外气温的逐渐下降，见图2（a）。

2采暖系统

2.1采暖系统形式
采暖系统常用的热源有燃煤、燃气、燃油和电供暖锅炉等等，但采暖系统形式基本相同，均由热源、循环泵、用户和补水系统构成，见图3。

2.2采暖系统特点 采暖系统的运行也具有不均匀性，即：冬季运行，夏季不运行；冬季运行时，随着气温的降低，供水温度会增高；对于连续采暖，一天内的供水温度基本不变。
采暖热媒的设计温度一般为95~70℃。实际运行时，供、回水温度会随着室外气温的变化、系统及散热器形式的不同和系统调节方式的不同而发生变化。与外网直接连接的
一般散热器热水采暖系统，进行质调节时，管网的供、回水温度可按下式计算

（1）

（2）

式中tg′、th′——任一室外气温下，供热管网的供、回水温度，℃；
tg、th——设计条件下的供、回水温度，℃；
tn——冬季室内计算温度，℃；
tw——冬季室外空气温度，℃；
twj——采暖室外空气计算温度，℃；
B——与散热器类型有关的实验系数。

按上式即可计算出供热系统在不同室外气温下的供、回水温度。以长春市为例：长春市采暖室外空气计算温度为－23℃，室内空气设计计算温度为18℃，采用大60型散热器，可查得B=0.28，将参数代入式（1）、式（2），计算结果见表1。按表1数据绘制曲线见图2（b）。
表1不同室外实际气温下的供、回水温度

室外气温tw（℃）	－23	－20	－18	－16	－14	－12	－10	－8	－6	－4	－2	0	+2	+5
供水温度tg′（℃）	95	90.4	87.3	84.2	81.0	77.8	74.4	71.1	67.8	64.4	60.9	57.4	53.8	48.3
回水温度th′（℃）	70	67.2	65.3	63.4	61.4	59.5	57.4	55.3	53.2	51.0	48.7	46.4	44.1	40.3

由表1可见，采暖回水最低温度出现在室外温度较高的采暖末期，为40.3℃。对于不同地区，采用不同系统和散热器以及采用不同调节方式时，此数值都会发生变化。考虑上述情况，取正常运行的采暖系统回水温度最低为35℃。即在采暖期内，回水温度应在35~70℃范围内变化。

3太阳能与采暖联合运行系统

3.1联合运行系统形式

将采暖系统的回水作为太阳能系统的补充热源，接至太阳能系统的储热水箱中，取消原太阳能系统中的补充热源，形成联合运行系统，见图4。

3.2联合运行系统技术分析

3.2.1联合运行系统的技术参数
采暖系统和太阳能系统结合，只增加了一套换热设备，换热设备的选型、计算及应用在技术是非常成熟的。由《建筑给水排水设计规范》可知，热水供应系统的设计温度一般为60~75℃，当热水供应系统只供淋浴和盥洗用水，不供洗涤盆用水时，配水点最低水温可不低于40℃。而采暖回水温度在35~70℃变化，二者基本相符。从技术参数上看，采暖系统和太阳能系统有机结合是可行的。
由图2（a）、（b）可见，在采暖期，随着太阳辐射强度的降低（太阳能系统集热量随之降低），室外气温逐渐下降，采暖回水温度逐渐升高，即太阳能系统集热量与采暖回水温度变化趋势相反。理论上，当太阳辐射强度高于某一数值Ic时，太阳能系统向采暖系统蓄热，而太阳辐射强度低于Ic时，太阳能系统从采暖系统取热。合理选择集热器面积，可使整个采暖期内太阳能系统向采暖系统的蓄热量等于太阳能系统从采暖系统取的热量。即采暖系统只起蓄热作用，不提供额外的能量，即可实现太阳能系统稳定的热水供应。
3.2.2联合运行系统集热器面积的确定.
为保证联合运行系统全年运行，减少补充能量，应合理选定集热器面积。集热器面积应按照热水供应的负荷确定，而热水供应的负荷在夏季和冬季是不同的。
3.2.2.1采暖期热水供应的负荷
在一个采暖期内，每平方米建筑面积热水供应的总热负荷Qr，n可按式（3）计算：

GJ/ m²（3）

式中：Qr，n——一个采暖期内热水供应的总热负荷，GJ/ m²；
Q′r，p——采暖期内热水供应的平均热负荷，kW/m²，全部住宅有浴盆并供应生活热水时，取0.015kW/m²计算；
N——供暖期天数，d。
3.2.2.2非采暖期热水供应的负荷
在一个非采暖期内，每平方米建筑面积热水供应的总负荷Qr，f可按式（4）计算：

GJ/ m² （4）

式中：Qr，f——一个非采暖期内热水供应的总热负荷，GJ/ m²；
tr——热水供应设计温度，℃，取65℃计算；
tl——冬季冷水温度，℃，取4℃计算；
tl，x——夏季冷水温度，℃，取15℃计算；
N、Q′r，p——同式（3）。
3.2.3.3集热器的面积
集中式太阳能热水供应系统，为满足热水供应的需要，集热器面积可按式（5）计算：

m²/m²（5）

式中：F——每平方米建筑面积所需集热器面积（按一个采暖期负荷计算的集热器面积为Fn，按一个非采暖期负荷计算的集热器面积为Ff），m²/m²；
Q——热水供应负荷（在一个采暖期内为Qr，n，在一个非采暖期内为Qr，f），GJ/m²；
I——太阳辐射总量（在一个采暖期内为In，在一个非采暖期内为If），GJ/m²；
η——集热器的效率，目前常用的玻璃真空管集热器的年平均效率为50%左右，在采暖期内取45%计算，在非采暖期内取55%计算；
β——太阳辐射的年利用系数，取β=50%。
在我国东北、华北、黄土丘陵、西北干旱、青藏高原、南方和西南七个热能区中，除南方区和西南区之外，其余五个区均需采暖，在这五个区内分别取一个城市进行计算，结果见表2。

表2不同地区太阳能热水供应系统集热器的面积

城市	长春（东北区）	北京（华北区）	呼和浩特（黄土丘陵区）	乌鲁木齐（西北干旱区）	拉萨（青藏高原区）
In（GJ/m2）	1.973	1.463	1.874	1.322	2.710
If（GJ/m2）	3.202	4.157	4.178	3.983	5.175
N（d）	174	129	171	157	149
Qr,，n（GJ/m2）	0.226	0.167	0.222	0.203	0.193
Qr,,f（GJ/m2）	0.187	0.235	0.191	0.205	0.214
Fn(m2/m2)	0.509	0.507	0.527	0.682	0.317
Ff(m2/m2)	0.212	0.206	0.166	0.187	0.150

由表2可见，东北区和黄土丘陵区的采暖期负荷比非采暖期负荷大，而华北区、西北干旱区和青藏高原区的采暖期负荷比非采暖期负荷小，但所需集热器的面积却都是采暖期大，因而要保证全年的热水供应，减少补充能量，集热器的面积宜按采暖期负荷确定。

3.3联合运行系统运行分析

3.3.1采暖期运行分析
在采暖期，图3中阀门1、3、4打开，阀门5关小，阀门2关闭，热水从水箱上部取用（储热水箱在实际运行时，在扰动较小的情况下，上部和下部的水温相差接近10℃）。在太阳能系统得热量越少的月份，采暖系统的回水温度越高，太阳能系统可获得的补充热量越多，在阴天和晚上，太阳能系统也可从采暖系统获得补充能量。由于理论上采暖系统的回水温度在35~70℃范围内，对于水—水换热，其换热温差可取10℃，这样，在采暖系统起加热作用时，太阳能热水系统的热水供应温度应在25~60℃左右；而当晴天太阳辐射强度较高时，太阳能系统获得的热量也可能使其水温高于采暖系统的回水温度，此时，采暖系统起着冷却作用，太阳能热水系统的热水供应温度应在45~80℃左右。这样，在理论上采暖期联合运行系统的热水供应温度在25~80℃的范围变化。
采暖系统在实际运行时，很少能达到设计工况，回水温度能达到60℃就算很高了，尤其是连续采暖，水温还要低一些。因而联合运行系统的热水供应最高温度应在70℃左右。另外当采暖系统回水温度在35℃时，基本在采暖的初期和末期（即3、4月和10、11月），而此时是整个采暖期太阳辐射强度较高的时期，集热器的面积按照采暖期太阳辐射强度的平均值选取，那么在这一时期太阳能系统的得热量有节余，此时采暖系统在起冷却作用，联合运行系统的热水供应温度应在45℃左右，即实际运行时，采暖期联合运行系统的热水供应温度在45~70℃的范围变化，能够满足热水供应的要求。
3.3.2非采暖期运行分析
在非采暖期，采暖系统停止运行，图3中阀门2打开，阀门1关闭，热水从水箱下部取用，此时的储热水箱没有补充热源，没有换热，只起储热作用。
集热器的面积按照采暖期太阳辐射强度的平均值选取，在非采暖期太阳能系统的得热量有节余，储热水箱中的温度高于热水供应的设计温度。储热水箱上部和下部的水温相差接近10℃，在下部取水进行供应，以降低热水供应温度。
储热水箱作好保温，可基本满足阴天和晚上的需要。

4结论

4.1在我国的主要采暖地区，热水供应所需集热器面积在采暖期比在非采暖期大，为满足全年的热水供应要求，同时减少补充能量，在利用采暖系统作为补充热源时，集热器面积宜按采暖期负荷确定。

4.2太阳能与采暖联合运行系统，充分利用了采暖系统的蓄热作用，理论上集热器面积按采暖期平均负荷确定时，太阳能系统在不需要提供额外热量的情况下，即可实现全年比较稳定的热水供应。

4.3太阳能与采暖联合运行系统减少了两个系统分设时的初投资、运行费用和能耗。

4.4太阳能与采暖联合运行系统在技术上是可行的，采暖期热水供应温度在45～70℃范围内变化；非采暖期热水供应温度更高。

4.5太阳能与采暖联合运行系统应用范围比较广泛，在我国七个热能区中，除南方区和西南区之外，其余五个区均需采暖。在这些地区，均可实现太阳能与采暖的联合运行。

参考文献

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3项立成，赵玉文，罗运俊.太阳能的热利用.北京:宇航出版社,1990
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