彈性供暖下2種太陽能供暖系統保證率對比研究*

中國建筑西北設計研究院有限公司 許安琪 楊春方 周 敏陜西昊晨偉業建設工程有限公司 段廣勝

0 引言

常規能源過去是人類舒適生活的必需品，但其數量的減少及價格的上漲迫使各國政府探索新的能源。太陽能作為取之不盡的清潔可再生能源，被歐洲光伏產業協會(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)認為是未來世界能源發展的方向[1]。

太陽能熱水作為一種成熟的可再生能源技術，已經在世界上許多國家得到應用[2]。由于太陽能具有間歇性、隨機性等特點，如何提高太陽能系統的效率，是當前研究的焦點問題[3]。目前有大量學者對太陽能集熱器[4]、換熱系統[5]等進行了研究。這些研究幾乎都是在恒定的供暖溫度下進行的，未考慮供暖熱舒適性。

保證人體熱舒適是建筑供暖的初衷，近些年不少學者開始研究睡眠熱舒適。張騰對嚴寒地區農村冬季睡眠環境熱舒適進行了研究，認為睡眠溫度在13.4 ℃時受試者的睡眠質量最佳[6]。宋聰研究認為，冬季睡眠狀態下被褥微氣候對人體的熱舒適性存在影響，在滿足人體熱舒適性的條件下，所需室內溫度在睡眠狀態的高限值較清醒活動狀態的低限值降低5 ℃[7]。Liu等人對西北地區農村居民冬季室內不同供暖需求的研究表明，在23:00至次日05:00時段有90%以上的居民處于睡眠階段，且睡眠狀態的舒適溫度范圍比活動狀態低5 ℃[8]。

基于眾多學者對人體熱舒適的研究，本文以地板輻射供暖與低溫強制對流散熱器供暖為研究對象，通過控制白天與夜間的供暖溫度，分析太陽能保證率。該研究對建筑節能和太陽能供熱的進一步推廣將產生積極影響。

1 研究方法

1.1 研究對象

研究對象位于內蒙古鄂爾多斯市，坐標為東經109.80°、北緯39.62°。該地區太陽能資源較豐富，年均日照時間為3 008.9 h/a，年均太陽輻照量為5 929 MJ/(m2·a)，年均氣溫為5.3～8.7 ℃。

本研究搭建了集裝箱式太陽能實驗房，該實驗房有效面積為12 m2，實際高度為2.4 m。外墻敷設了厚度為75 mm的鋼板保溫芯(玻璃絲綿)板材，同時搭建了太陽能地板輻射供暖系統與低溫強制對流散熱器供暖系統，圍護結構熱工性能參數見表1。此外，選用了2組熱管式真空管型太陽能集熱器(總采光面積為8 m2)，配套設置了容積為1 m3的蓄熱水箱，輔助熱源為額定功率4 kW的電鍋爐。

表1 圍護結構熱工性能參數

1.2 實驗方案

測試在2018年12月26日至2019年1月17日完成，測試參數包括太陽輻照度、室內外溫濕度、水箱溫度、集熱器溫度、2種供暖末端的供回水溫度和流量。數據采集間隔為5 min，測試儀器和技術參數見表2，實驗房供暖系統原理圖見圖1。

表2 測試儀器和技術參數

1.集熱器；2.溫度傳感器；3.熱繼電器；4.輔助電鍋爐；5.膨脹罐；6.蓄熱水箱；7.控制單元；8.實驗房。圖1 實驗房供暖系統原理圖

測試工況包括4種：工況1，控制全天房間溫度為20 ℃的地板輻射供暖；工況2，控制白天室內溫度為20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)溫度為15 ℃的地板輻射供暖；工況3，控制全天房間溫度為20 ℃的低溫強制對流散熱器供暖；工況4，控制白天室內溫度為20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)溫度為15℃的低溫強制對流散熱器供暖。

2 運行效果比較

2.1 4種工況下的測試結果分析

根據室外氣象參數，篩選出4種工況下的典型日(全天24 h)進行分析。4種工況下的大氣溫度、太陽輻照度、房間溫度、太陽能集熱器出水口溫度、蓄熱水箱溫度、電鍋爐運行時長如圖2所示。

圖2 4種工況下的系統運行參數

由于測試條件有限，不同工況選取的典型日的氣象參數有一定的差異，如圖2a、b所示。房間溫度由自控裝置控制，4種工況在白天都存在一定的溫度波動，見圖2c。工況2和工況4夜間的溫度比白天低5 ℃。對于工況2，在23:00—24:00期間停止供暖，當房間溫度降到15 ℃以下時，蓄熱水箱開始供熱。對于工況4，在23:00—23:40期間停止供暖，隨后蓄熱水箱開始工作。4種工況的太陽能集熱器溫度相差較大，其全天平均溫度分別為20.6、18.1、23.0、22.0 ℃，如圖2d所示。從圖2e、f可以看出，對于地板輻射供暖系統，工況1在22:30時，蓄熱水箱溫度已不能保證，電鍋爐開始工作。而調整夜間溫度后，恰好可以保證蓄熱水箱在溫度降低后可以繼續出力一段時間。從圖2d可以看出，盡管工況2集熱器平均溫度比工況1低2.5 ℃，但其蓄熱水箱一直持續工作到次日04:30才需要開啟電鍋爐輔助供暖，電鍋爐的運行時間縮短至工況1的1/2。對于低溫強制對流散熱器供暖，工況3蓄熱水箱持續工作到次日05:30才需要開啟電鍋爐輔助供暖。在調整夜間供暖溫度后，盡管工況4的集熱器平均溫度比工況3低1 ℃，由于蓄熱水箱溫度要求降低，系統持續到07:40才需要開啟電鍋爐輔助供暖，且電鍋爐的運行時間縮短至工況3的63%。從能量守恒的角度來看，夜間降低5 ℃帶來的熱損失減小量等于電鍋爐的節能量。由于建筑總熱需求減小，而太陽能的供熱量不變，從而間接提高了太陽能保證率。

太陽能集熱器系統和電鍋爐提供的有效熱量見表3。根據式(1)計算得到4種工況下的太陽能保證率。可以看出，低溫強制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率比地板輻射高14%左右。而夜間降低房間溫度后，地板輻射供暖的太陽能保證率提高16.7%，低溫強制對流散熱器供暖的太陽能保證率提高13.8%。

表3 4種工況的太陽能保證率

(1)

式中f為太陽能保證率；A為集熱器面積，m2；q為平均太陽輻照度，W/m2；η為集熱器集熱效率；β為管路及蓄熱水箱熱損失率；K為墻體傳熱系數，W/(m2·℃)；F為圍護結構面積，m2；t0為房間設定供暖溫度，℃；t為室外溫度，℃；Q1為太陽能集熱器系統供熱量，kJ；Q2為電鍋爐供熱量，kJ。

考慮到4種工況的大氣溫度與太陽輻照度存在差異，本文對以上測試數據進行修正。從式(1)中可以看出，影響f的變量主要是t與q，采用式M=q/(t0-t)可以反映2個變量對f的影響。修正結果見表4，可以看出，低溫強制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率相對地板輻射供暖高7%左右。而夜間降低房間溫度后，地板輻射與低溫強制對流散熱器供暖的太陽能保證率均提高11.5%。

表4 太陽能保證率修正結果

2.2 經濟效益分析

對于地板輻射供暖，調整夜間溫度后，電鍋爐縮短了160 min的運行時間。對于低溫強制對流散熱器供暖，電鍋爐縮短了60 min的運行時間。若考慮表4中的修正系數，則2種方式的電鍋爐運行時間分別縮短127、65 min。假設典型日的運行狀況為供暖季的平均水平，居民電價按0.5元/(kW·h)計算，則地板輻射供暖與低溫強制對流散熱器供暖分別節省用電1 016、520 kW·h，分別減少運行費用508、260元。

3 結論

1) 低溫強制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率相對地板輻射高7%左右。

2) 夜間降低房間溫度后，地板輻射與低溫強制對流散熱器供暖的太陽能保證率均提高11.5%。

3) 假設典型日的運行狀況為供暖季的平均水平，地板輻射供暖與低溫強制對流散熱器供暖分別節省用電量1 016、520 kW·h，分別減少運行費用508、260元。

單從以上研究結果來看，彈性供暖下2種末端供暖方式的太陽能保證率均提高10%以上，地板輻射供暖提高效果更明顯。但是對于不同的運行狀況或者改變圍護結構參數情況下，2種供熱系統的運行效果如何？需要進一步實測研究。