太陽能季節性蓄熱系統的應用研究①

韓宇

摘要：針對嚴寒地區農戶、別墅獨棟建筑，探索太陽能跨季節儲熱技術，在冬季供暖中的應用。設計方案從太陽能的年輻射量入手，分析了太陽能夏季可以提供的熱量、以及建筑物冬季消耗的熱量。提出太陽能存儲、直接內供暖的方案，考慮到節省初投資的因素，為了減少造價，提出了太陽能結合水源熱泵系統的供暖方案，以及太陽能結合空氣能熱泵的供暖方案?？紤]了節能效率與運行費用的影響因素，該研究對采用太陽能復合熱泵采暖具有一定的指導意義。

關鍵詞：太陽能采暖 ?跨季儲熱 ?熱泵

中圖分類號：TE0 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國幅員遼闊，有一半以上面積屬于嚴寒或寒冷地區，這些地區農村供暖多以直接燃燒秸稈等生物質能、煤等化石能源為主，能源利用效率低，每年消耗大量能源，據《中國建筑節能年度發展報告2011》調查表明，2008年農村住宅能耗占建筑總能耗的34%，約2.26億tce，其中，秸稈等生物質能約占總能耗的40%～50%。夏季空調多以自然通風為主，熱舒適性保障差。

為了實現改善農村人居生活環境的同時降低嚴寒地區農村建筑能耗，充分利用太陽能等可再生能源是有效的解決方法。本設計旨在探索適用于新疆氣候條件下可再生能源供暖空調方法，包括系統形式、關鍵設備、施工技術等。村鎮建筑節能改造技術，開發專用蓄熱庫保溫模塊，研究村鎮建筑采用太陽能供暖的經濟性。

1 系統構建思路

該項主要是利用太陽能滿足新疆地區農村住宅的供暖需求，通過前面對當地氣象資料和建筑負荷特性分析可知，利用太陽能季節性蓄熱是主要的技術途徑。此外，為了實現系統夏季空調功能，同時利用空調排熱實現供暖，還可以將熱泵技術與太陽能季節性蓄熱技術聯合運行，該方式還可以提高集熱器集熱效率，減少蓄熱裝置容積。為了進一步降低太陽能集熱器面積及蓄熱裝置容積，可進一步利用空氣源熱泵聯合太陽能供暖系統運行。根據蓄熱方式的不同，蓄熱裝置內蓄熱介質可以水進行顯熱蓄熱，也可在水中增加相變材料，增加單位體積蓄熱能力。基于上述考慮，下面提出一種系統設計方案。

2 太陽能季節性蓄熱復合空氣源熱泵供暖空調系統設計

圖1為太陽能季節性蓄熱直接供暖系統原理圖，該系統主要由太陽能集熱器、蓄熱水池、蓄熱換熱器（置于水池下層）、取熱換熱器（置于水池上層）、水水熱泵機組、空氣源熱泵機組、循環水泵及供暖末端等組成。對建筑負荷統計結果分析可知，有約一半建筑熱負荷分布在高于-10℃的溫度段內，因此，為了降低太陽能集熱、蓄熱系統的設計參數，實現太陽能與水水熱泵與空氣源熱泵的互補利用。該系統在不同的時期和室外環境條件下可運行以下四種運行模式：

模式1：太陽能蓄熱同時利用蓄熱水池直接供暖模式。當供暖期晴天集熱器有效集熱時，可同時利用蓄熱換熱器進行太陽能蓄熱和水池直接供暖。

模式2：太陽能蓄熱同時利用水/水熱泵機組從蓄熱水池中取熱供暖模式。在供暖期晴天集熱器有效集熱時，但水池內水溫相對較低，運行水/水熱泵進行供暖。

模式3：太陽能蓄熱同時利用蓄熱水池作為水/水熱泵熱匯進行供冷模式。該模式運行與供冷期，通過該模式將供冷期的太陽能和空調排熱都蓄存至蓄熱水池中。

模式4：太陽能蓄熱模式：在非供暖期或供暖期系統停止供暖時，當太陽能輻射較強，可將太陽能蓄存至水池中。

當太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環泵停止運行，若此時建筑有供暖空調需求，可以啟動對應的供暖空調模式。

下面對該方案系統主要部件進行設計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負荷由空氣源熱泵承擔，低于-10℃負荷由太陽能季節性蓄熱熱泵供暖空調系統承擔，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數。為空調器累積排熱量（kWh）。為空調期水源熱泵平均性能系數。為空調得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結果，同時對系統中其它部件進行設計，系統主要部件的設計參數與運行工況如表1所示。

現在討論復合采暖方案的節能性、經濟性及初投資進行分析。

復合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調供冷相比，比較分析過程及結果如表2所示。

由表2節能性分析結果可知，相比傳統的分散鍋爐供暖和分體空調供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯合使用，節能率達到了43.1%，節能性較好。

3 系統運行經濟性分析

根據前面運行能耗計算結果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統供暖空調方式54.2%。

4 結論

該部分在前面對當地氣象資料統計計算和建筑負荷特性基礎上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調系統構建思路，并據此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細化設計，在此基礎上對方案的運行節能性、經濟性進行了初步的比較分析，此設計方案應用在烏魯木齊市周邊的村鎮建筑節能改造示范項目當中，可以實現綠色采暖，節能效果明顯。

當太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環泵停止運行，若此時建筑有供暖空調需求，可以啟動對應的供暖空調模式。

下面對該方案系統主要部件進行設計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負荷由空氣源熱泵承擔，低于-10℃負荷由太陽能季節性蓄熱熱泵供暖空調系統承擔，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數。為空調器累積排熱量（kWh）。為空調期水源熱泵平均性能系數。為空調得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結果，同時對系統中其它部件進行設計，系統主要部件的設計參數與運行工況如表1所示。

現在討論復合采暖方案的節能性、經濟性及初投資進行分析。

復合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調供冷相比，比較分析過程及結果如表2所示。

由表2節能性分析結果可知，相比傳統的分散鍋爐供暖和分體空調供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯合使用，節能率達到了43.1%，節能性較好。

3 系統運行經濟性分析

根據前面運行能耗計算結果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統供暖空調方式54.2%。

4 結論

該部分在前面對當地氣象資料統計計算和建筑負荷特性基礎上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調系統構建思路，并據此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細化設計，在此基礎上對方案的運行節能性、經濟性進行了初步的比較分析，此設計方案應用在烏魯木齊市周邊的村鎮建筑節能改造示范項目當中，可以實現綠色采暖，節能效果明顯。

當太陽能集熱器不能有效集熱時，集熱循環泵停止運行，若此時建筑有供暖空調需求，可以啟動對應的供暖空調模式。

下面對該方案系統主要部件進行設計。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負荷由空氣源熱泵承擔，低于-10℃負荷由太陽能季節性蓄熱熱泵供暖空調系統承擔，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負荷（kWh）。為水-水熱泵機組平均性能系數。為空調器累積排熱量（kWh）。為空調期水源熱泵平均性能系數。為空調得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計算過程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過計算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質，其容積按照下面公式計算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計算結果，同時對系統中其它部件進行設計，系統主要部件的設計參數與運行工況如表1所示。

現在討論復合采暖方案的節能性、經濟性及初投資進行分析。

復合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調供冷相比，比較分析過程及結果如表2所示。

由表2節能性分析結果可知，相比傳統的分散鍋爐供暖和分體空調供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯合使用，節能率達到了43.1%，節能性較好。

3 系統運行經濟性分析

根據前面運行能耗計算結果，運行費用情況如表3所示，由初步計算分析可知，運行費用約為傳統供暖空調方式54.2%。

4 結論

該部分在前面對當地氣象資料統計計算和建筑負荷特性基礎上，提出了太陽能跨季儲熱供暖空調系統構建思路，并據此提出了一種可行的實施方案，并對每種方案進行了細化設計，在此基礎上對方案的運行節能性、經濟性進行了初步的比較分析，此設計方案應用在烏魯木齊市周邊的村鎮建筑節能改造示范項目當中，可以實現綠色采暖，節能效果明顯。