基于相變儲熱的全太陽能房設計＊

趙海軍，戴劍鋒

（1.蘭州信息科技學院，甘肅蘭州 730300；2.蘭州理工大學理學院，甘肅蘭州 730050）

太陽能的利用技術形式多樣，包括將太陽能直接轉換為電能的光伏發電技術[1]、利用太陽能促進有機物質經微生物發酵和分解作用而獲得燃料的沼氣池[2]、利用相變材料的熱物性將太陽能轉變為潛熱的相變儲能技術等[3]。近年，太陽能應用的理論和實驗研究成果頻現[4]，而太陽能產業發展卻面臨諸多問題。成本高是制約太陽能發展的最大瓶頸，阻礙了其產業化發展的進程。研究表明，光伏發電的成本是生物質發電成本的7～12 倍、煤電發電成本的11～18 倍[5]；太陽能是一種間歇性、低品位能源，受季節、陰晴、晝夜、緯度等因素的影響大，需要解決太陽能利用系統的穩定性和耐久性問題；由于受技術和成本的制約，目前中國太陽能規模化利用和可持續發展還不成熟。

本文采用水浸式相變儲熱池儲熱，將光伏發電、太陽能發酵沼氣、相變儲能等多種太陽能利用技術進行系統耦合；針對西北偏遠地區的邊防哨所和農牧民遠離電網、住戶分散而太陽能資源豐富的特點，給出全太陽能房的能源設計，通過熱工計算及經濟成本核算，給出關鍵設計參數[6]。

1 全太陽能房結構設計

1.1 整體結構設計

考慮到西北偏遠地區土地資源豐富，因此房屋設計為大開間小進深結構，采光面大，利于增加白天太陽能輻射量的吸收。房屋坐北朝南，開間50 m，進深4 m，高2.5 m，建筑面積200 m2。屋頂為坡面，屋檐外伸20 cm，南外墻建造進深1.2 m 的附加陽光間。為了節約水資源，在檐下安裝雨水采集槽，所收集的雨水經過濾處理可用于供暖系統循環。該建筑每10 m 進行隔斷，隔出5 間結構布局相同的房屋。各間南面墻設計1.8 m×2.0 m 的玻璃門1 個、2.0 m×1.5 m 的玻璃窗2 個，所有玻璃選用傳熱系數為2.8 W/（m2·℃）的6+12A+6 low-e 型中空玻璃，該玻璃具有透光率高、保溫隔熱效果好、硬度大等特點。

1.2 圍護結構設計

圍墻及地面采用相變儲熱復合建筑材料[7-8]。根據相變溫度在室溫附近的相變材料熱物性和市場調研，采用Na2SO4·10H2O（芒硝）作為儲熱材料較經濟。在芒硝中添加質量分數為5%的成核劑硼砂、質量分數為0.2%的熔點調節劑氯化鈉、質量分數為1%的增稠劑羧甲基纖維素鈉，可將相變溫度調節至25 ℃，相變潛熱為241 kJ/kg[9]。將儲熱材料封裝于長1.6 m、外徑32 mm、壁厚2.9 mm 的聚丙烯（PP-R）管，并敷設在墻體及地面的建筑材料中。PP-R 管具有不易變形、耐腐蝕、防水結垢、耐高溫高壓（常溫下承受水壓力為45 kg/m2，管子不變形溫度為112 ℃，使命壽命達50年以上）的優點。

外墻多層結構建造，以100 mm 厚混凝土墻體為基體，墻體中敷設單層PP-R 管，距內墻表面10 mm；墻體外貼40 mm 聚苯乙烯泡沫板；外裝飾墻為140 mm厚混凝土，如圖1 所示。墻體中能封裝芒硝745 kg，可儲存熱量180 MJ。

圖1 外保溫墻結構

地面的處理類似于地暖的鋪設方法，儲熱層襯于絕熱層上，以豆石混凝土填充并覆蓋，其上為地面裝飾層。儲熱層PP-R 管距墻角至少20 cm，管間距2 cm。地面儲熱層能封裝芒硝1 782 kg，可儲存熱量430 MJ。白天（夏季）溫度較高時，管中材料發生相變儲存能量，并且能減少室內溫度波動；晚上（冬季）材料發生逆相變釋放熱量，達到自調溫作用，并可循環使用。

2 相變儲熱設計

2.1 相變儲熱池[10]

該全太陽能房設計了以封裝相變儲熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲熱池進行儲熱，循環使用后材料的熱學性能穩定，而且利用水的高對流系數，大大提高了充放熱效率，也解決了泄漏和腐蝕污染問題。

設計圓柱形儲熱池，池內放置儲熱單元128 個排列2 層，每層64 個單元按8 行8 列放置。為了儲熱單元的頂角不與儲熱池邊緣摩擦，則儲熱池半徑至少為3.0 m。2 層儲熱單元堆積，考慮封頂需要一定空間，將池高設為1.2 m。儲熱池儲熱材料的有效容積為7.3 m3。在塑封管內的儲熱材料中添加成核劑，即質量分數為3%的Na2HPO4·12H2O +質量分數為4%的Na2B4O7·10H2O+質量分數為3%的Na2SiO3·9H2O，以達到最佳儲能效果。

2.2 供熱采暖系統

儲熱池供熱采暖系統由3 條循環支路組成。集熱支路采用皇明QBJ1-280/3.97/0-G50°D 型熱水器用真空管集熱器，集熱面積3.97 m2。按照太陽能房和儲熱池的設計容量，屋頂安裝14 組集熱器共55.6 m2，全年平均日太陽能采集量585.9 MJ；供熱采暖系統的熱循環運行由溫度傳感器（熱電偶）和差動控制器控制[11]。在每個循環支路的出口和入口處各安裝熱電偶，用于監控溫差的變化，以控制循環泵的有效運行。

循環水泵采用DC50D-2465 型無刷直流磁力隔離泵，額定電壓24 V，電流3.6 A，揚程6.50 m，功率86.4 W，最大啟動功率691 W。此水泵壽命長，無需保養，體積小，效率高，功耗低。采用程序控制，泵體里面沒有元器件，水泵可在100 ℃的沸水中使用，水泵控制器中可以引出調速信號線，可以實現脈寬調制（PWM）、電位器手動調速，有轉子卡死保護、反接保護、過載保護和過流保護。

3 新能源耦合互補設計

3.1 沼氣池

中國西北地區冬春季因天氣寒冷致使沼氣池內物料不易發酵產氣。為了解決該問題，可將沼氣池靠近儲熱池建造，將儲熱池部分循環回水引入沼氣池的蓄水圈內促進物料發酵。儲熱池的回水溫度雖然較低（40 ℃左右），但對于沼氣發酵有很大利用價值。設計容積為5.5 m3的球形水壓式沼氣池，夏天一晝夜可產氣0.8 m3，冬季約可產氣0.55 m3。該容積的沼氣池所產沼氣能夠滿足日常生活所需，在冬季氣溫較低的寒冷地區，因有循環水的余熱維持發酵，產氣量也能滿足一日三餐的烹煮。

沼氣發酵中的菌種決定了沼氣的產量和質量，一般要求達到發酵料液總量的10%～30%，才能保證正常啟動和旺盛產氣。池內的分解細菌（梭菌屬、擬桿菌屬、乳酸菌類、丙酸桿菌屬、產琥珀酸擬桿菌、牛黃瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌等）將投入的原料加工成簡單化合物，然后在甲烷細菌（嗜氫產甲烷菌、嗜乙酸產甲烷菌、醋酸甲烷八疊球菌JA-4等）的作用下，將簡單的化合物加工生成甲烷。在夏季產氣量較大而供過于求時，將其燃燒用于燒水儲熱，儲存于儲熱池中。

3.2 太陽能光伏發電

太陽能光伏發電系統是由太陽能電池板、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜等設備組成。其部分設備的作用是：蓄電池組儲存太陽能電池板受光照時發出的電能并可隨時向負載供電，充放電控制器能自動防止蓄電池過充電和過放電，逆變器可將直流電轉換成交流電。

該太陽能房的用電需求總量為5 000 W（含循環水泵開啟時的5～8 倍功耗），太陽能光伏發電系統可選東莞市星火太陽能科技有限公司生產的SFM-200 型單晶硅太陽能電池板，其工作電壓為36.26 V，開路電壓為43.2 V，工作電流為5.52 A，短路電流為6.07 A，太陽輻射能轉換效率為17.8%。系統的電池陣列有5條相同的支路并聯，每條支路串聯6 塊電池，其輸出電壓259.2 V，電流27.5A，總容量6 000 W，鋪設面積38 m2。蓄電池選用堿性鎳鎘蓄電池，設計容量3 000Ah；一套6 kW/AC220 V 逆變器，逆變效率為94%，允許輸入電壓180～300 V，額定電流37.9 A，與電池陣列輸出匹配。

4 熱工計算

現結合建筑節能設計要求對所設計的全太陽能房，從生活用熱水負荷與采暖負荷兩方面做能耗分析。若該建筑居住人口為10 人，每日用水定額20 kg/人，設計熱水溫度50 ℃，冷水溫度10 ℃。則生活用熱水日耗熱量qd為：

式中：m為用水量的數值，單位kg；c為水的比熱容的數值，取4.2×103J/（kg·℃）；tr為熱水溫度的數值，單位℃；tl為冷水溫度的數值，單位℃。

建筑物的采暖負荷主要有圍護結構的傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量和建筑物的內部得熱量3 部分。

建筑物單位建筑面積單位時間所消耗的熱量qH為：

式中：qHT為單位建筑面積上圍護結構的傳熱耗熱量（主要包括圍墻、門窗、屋頂、地面的傳熱耗熱量）的數值，單位W/m2；qINF為單位建筑面積上建筑物的空氣滲透耗熱量的數值，單位W/m2；qLH為單位建筑面積上建筑物的內部得熱量的數值，單位W/m2，取3.8 W/m2。

依據JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》中建筑物采暖負荷計算理論及計算參數（說明：計算所需氣象參數以甘肅蘭州地區為例選取），得該建筑物單位建筑面積單位時間所消耗的熱量qH=25 W/m2。

由此可見，所設計的全太陽能房的能耗既符合建筑節能設計要求，也滿足該地區冬季采暖需求。

5 結論

與傳統的工業能源相比，太陽能具有分布廣泛、清潔環保、取之不盡等優點。而太陽能建筑以其節能環保與舒適價廉的優勢，更將成為21 世紀節能建筑的發展趨勢。尤其在中國邊疆的邊防哨所、人口居住較稀疏分散的邊遠山區及北方的牧區，因實際條件和環境限制，鋪設高壓輸電電網和集中供暖系統是不現實的。而全太陽能房因其施工簡單、經濟可行、系統可靠等優勢，未來發展前景廣闊。