高原太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)保溫及容積設計方法*

王登甲 劉 慧 殷庭強 張睿超 劉艷峰1,

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

西藏高原年平均氣溫低,冬季供暖期長,供暖需求迫切,但高原太陽能輻射資源豐富[1]。因此,為保護高原脆弱的生態(tài)環(huán)境,同時滿足冬季長時間的供暖需求,西藏高原發(fā)展太陽能供暖具有先天優(yōu)勢。

由于太陽能具有周期性波動、輻射不連續(xù)等特征,因此,蓄熱系統(tǒng)是太陽能供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵[2]。過大的蓄熱容積將導致系統(tǒng)遲滯效應增加,蓄熱難且供暖溫度提升慢,而過小的蓄熱容積又無法滿足蓄存周期內的蓄熱量要求,因此,迫切需要太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)的設計指導[3]。現行的標準規(guī)范為確定蓄熱容積提供了初步設計參考,推薦太陽能短期蓄熱的集熱蓄熱比(即單位集熱面積的蓄熱容積)為40～300 L/m2、長期蓄熱的集熱蓄熱比大于3 m3/m2[4]。國際能源署供熱制冷組織(IEA SHC)建議基于各地區(qū)的情況及經濟性,對系統(tǒng)部件進行多參數優(yōu)化來尋求蓄熱系統(tǒng)的匹配規(guī)模[5]。然而,高原地區(qū)氣候條件與平原地區(qū)差異較大,影響了太陽能系統(tǒng)的集熱負荷規(guī)律和熱損失規(guī)律,太陽能蓄熱系統(tǒng)設計難以照搬平原地區(qū)或國際上的通用技術方法。2021年的數據統(tǒng)計發(fā)現,現有的高原地區(qū)太陽能供暖示范項目的蓄熱系統(tǒng)所采用的集熱蓄熱比約為0.07～0.67 m3/m2,蓄熱選型設計差異較大,缺乏基于高原地區(qū)特殊氣候的蓄熱系統(tǒng)精細化設計方法[6]。

西藏高原地區(qū)由于強太陽輻射、大溫差及低氣壓的特殊氣候條件,導致蓄熱體的散熱特性發(fā)生變化,進而影響蓄熱容積設計,因此亟需尋求適宜于高原地區(qū)蓄熱系統(tǒng)的設計方法。本研究分析了高原地區(qū)太陽能蓄熱系統(tǒng)的年熱損失規(guī)律,并在回收期短于使用年限的情況下得到了蓄熱體的保溫厚度;計算給出了考慮陰晴天氣概率、蓄熱周期和不同供暖末端形式的高原太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)容積的精細化設計范圍。

1 太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)理論分析

太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)的設計受到太陽能集熱量、建筑熱負荷、蓄熱體熱損失及蓄熱周期等因素影響。本研究主要對西藏高原7個典型地區(qū)的蓄熱系統(tǒng)進行詳細分析。

1.1 太陽能供暖系統(tǒng)蓄熱原理

太陽能供暖系統(tǒng)主要包括集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、輔助熱源循環(huán)系統(tǒng)及末端循環(huán)系統(tǒng),如圖1所示。在不同的蓄熱周期條件下,太陽能集熱與熱負荷所決定的系統(tǒng)蓄熱量不同。蓄熱溫差為蓄熱水箱設計溫度和供暖供水溫度的差值。因此對應不同供暖供水溫度的末端形式也將影響蓄熱容積。在蓄熱容積計算中,蓄熱體的熱損失規(guī)律也不可忽視。蓄熱體的熱損失是由罐壁與外界環(huán)境之間的對流和輻射傳熱引起的。高原地區(qū)的低大氣壓力、較小空氣密度導致對流換熱系數與平原地區(qū)相比差異較大,長波輻射嚴重和天空當量溫度改變也影響了輻射換熱,如圖2所示。因此本研究從蓄熱損失及蓄熱容積兩方面進行分析研究。

圖1 太陽能供暖系統(tǒng)原理圖

圖2 高原地區(qū)特殊條件的蓄熱體熱損失原理

1.2 蓄熱系統(tǒng)容量設計影響因素

西藏高原地區(qū)供暖季太陽能充足,能滿足一定的建筑熱負荷需求。因此本研究未考慮跨季節(jié)蓄熱,主要以典型日及連續(xù)陰天為蓄熱周期來討論高原太陽能系統(tǒng)的蓄熱容積。在蓄熱周期內,忽略輔助熱源,假定設計太陽能保證率fn為1,則熱量平衡如式(1)所示。其中系統(tǒng)的熱損失占有效太陽能集熱量的比例為ηL,兩者的綜合熱量如式(2)所示。因此以典型日為蓄熱周期,對太陽能系統(tǒng)的蓄熱量在時間段τ1～τ2(考慮系統(tǒng)損失的有效太陽能集熱量大于建筑熱負荷的時間段)進行積分[7]。若以連續(xù)陰天為蓄熱周期,則蓄熱量為預先存儲的能安全度過連續(xù)陰天的需熱量,積分時間段為最長連續(xù)陰天時長。

(1)

Qu(τ)-Qloss(τ)=AcIθ(τ)ηcd(1-ηL)

(2)

(3)

(4)

集熱蓄熱比是單位集熱面積的蓄熱容積,定義為k=Vs/Ac。

當以連續(xù)陰天為蓄熱周期時,按晴空指數Kt判斷天氣情況,0

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中H為水平面日總太陽輻射量,MJ/m2;H0為水平面日總天文輻射量,MJ/m2;I0為太陽常數,W/m2,I0=1 367 W/m2;f為日地距離修正系數;φ為當地緯度,rad;δ為赤緯角,rad;ωs為日落時角,rad;n為當前日期在一年中所處的日期序號。

1.3 蓄熱體熱損失及靜態(tài)回收期

將蓄熱體從上到下劃分為N個節(jié)點,通過對某時間段蓄熱體內所有節(jié)點的熱損失進行積分得到蓄熱體的總熱損失Qloss。

(8)

式中AS,i為蓄熱體第i個節(jié)點的表面積,m2;US,i為蓄熱體第i個節(jié)點的熱損失系數,W/(m2·K);Ttank,i(τ)為當前時刻蓄熱體第i個節(jié)點的水溫,K;Ta(τ)為當前時刻環(huán)境溫度,K。

蓄熱體的保溫材料越厚,節(jié)能效果越好,那么是否可以無限制地增加保溫厚度呢?由于初投資隨著保溫厚度的增加而增加,因此保溫厚度的設計要同時兼顧經濟性及節(jié)能性。

(9)

式中Pt為靜態(tài)回收期,a;Wbw為保溫初投資,元;Ql0和Qlδ分別為蓄熱體不設保溫時的年熱損失換算成的資金及保溫厚度為δ時的年熱損失換算成的資金,元/a。

本研究采用蓄熱體保溫材料的靜態(tài)回收期作為限制參數,在靜態(tài)回收期短于使用年限的情況下取最節(jié)能的保溫厚度,即為推薦采用的保溫厚度。

2 高原地區(qū)的特殊氣候條件

2.1 高原地區(qū)蓄熱體對流與輻射熱損失

西藏高原地區(qū)的特殊氣候條件從對流換熱及長波輻射兩方面影響蓄熱體的熱損失。對流換熱方面,低氣壓導致較低的空氣密度[9];輻射換熱方面,空氣透明度高導致長波輻射較大,影響天空當量溫度[10]。

(10)

(11)

式(10)、(11)中ρ為空氣密度,kg/m3;pH、p0分別為所在海拔的大氣壓力和海平面標準大氣壓力,hPa;R為空氣的比氣體常數,287.05 J/(kg·K);e為水蒸氣分壓力,hPa;S為月平均日照百分率。

外壁面的對流換熱系數用下式計算,輻射換熱系數用天空當量溫度Tsky和罐壁溫度Tw等效換算[11]。

(12)

(13)

(14)

式(12)～(14)中αC,top、αC,edge分別為頂部和側壁的對流換熱與保溫材料導熱的綜合換熱系數,W/(m2·K);λ、λr分別為空氣和保溫材料的導熱系數,W/(m·K);Re為雷諾數,與空氣密度成正比;Pr為普朗特數;l為定型尺寸,m;Gr為格拉曉夫數,與空氣密度的二次冪成正比;C為輻射系數,W/(m2·K4),取4.7 W/(m2·K4)。

將保溫材料導熱、外壁面對流換熱及長波輻射換熱累積可得到各節(jié)點的總換熱系數。

2.2 供暖期內陰天概率

根據典型年氣象參數中日平均溫度≤5 ℃的起止日期及當地實際的供暖時間,設定供暖期并計算西藏典型地區(qū)供暖期的晴空指數,結果見表1。可以看出：相比平原地區(qū),如北京,西藏地區(qū)的供暖季陰天概率較小;拉薩的陰天占供暖季總時長的比例(Kt<0.3)最小;那曲供暖季的陰天占比(Kt<0.3)最大,為11.2%,最長連續(xù)陰天時長為3 d。

表1 典型地區(qū)供暖期及連續(xù)陰天概率

2.3 太陽輻射及建筑熱負荷規(guī)律

統(tǒng)計歸納典型日、陰天的太陽輻射和熱負荷規(guī)律(如圖3和圖4所示),計算蓄熱量。典型日的選取原則為：最冷月的某個晴天作為典型日,且當天的平均溫度與最冷月月平均溫度近似;典型陰天的太陽輻射選擇為最冷月的某個陰天的太陽輻射。緯度傾斜面的太陽輻射在13：00—15：00達到最大值,太陽輻射大于0的時長達到11 h。山南、日喀則1月份典型日的總太陽輻射較高,緯度傾斜面的太陽輻射達到26.6 MJ/(m2·d)。

圖3 西藏地區(qū)不同典型天氣下太陽輻射

圖4 西藏地區(qū)典型建筑逐時熱負荷規(guī)律

結合西藏地區(qū)的典型居住建筑和氣候條件,利用負荷模擬軟件對當地某建筑面積為485 m2的3層居住建筑進行計算,得到典型建筑的熱負荷規(guī)律。選取典型日進行分析,如圖4所示。建筑熱負荷受環(huán)境溫度影響較大,受太陽輻射影響較小。根據空氣溫度的變化規(guī)律,西藏高原的熱負荷約在09：00達到峰值,15：00—17：00達到谷值。其中那曲、阿里的最冷月月平均溫度較低,因此其熱負荷相應較低。日喀則、林芝和阿里的熱負荷波動較大,那曲的熱負荷波動較小。

3 蓄熱系統(tǒng)容積及熱損失計算分析

根據上述高原地區(qū)蓄熱體熱損失影響因素計算蓄熱系統(tǒng)的年熱損失特性,結合常用保溫材料在高原地區(qū)的使用壽命和回收期得到蓄熱體的推薦保溫厚度。并根據晴天和陰天的太陽輻射及熱負荷規(guī)律,得到推薦蓄熱容積。

3.1 蓄熱系統(tǒng)年熱損失特性及保溫厚度

研究在全年蓄熱體水溫動態(tài)變化下的年熱損失隨保溫厚度的變化關系,以拉薩地區(qū)采用橡塑保溫材料為例,改變集熱蓄熱比和蓄熱容積,利用TRNSYS模擬太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)典型年蓄熱體的單位體積年熱損失Qv,結果如圖5所示。當保溫厚度增加時,單位體積年熱損失下降趨勢變緩;相同集熱蓄熱比下,蓄熱容積增大時,單位體積表面積減小,導致單位體積年熱損失也減小。因此,得到單位體積年熱損失Qv與保溫厚度、集熱蓄熱比和蓄熱容積的函數關系為

0.004 9Vs+0.012 5 (R2>0.95)

(15)

蓄熱體保溫厚度增加時,年熱損失減少,但初投資增加,以蓄熱體不設保溫時運行整個典型年得到的熱損失為基準,將保溫厚度增加帶來的初投資除以節(jié)省的能耗換算成的資金,得到靜態(tài)回收期,如圖6所示。當蓄熱容積為5 000 m3、集熱蓄熱比為0.5 m3/m2時,在橡塑保溫厚度小于等于70 mm的范圍內,靜態(tài)回收期在材料的使用壽命年限內。因此推薦70 mm橡塑保溫厚度為靜態(tài)回收期滿足材料使用壽命的最節(jié)能的保溫厚度。根據上述推薦保溫厚度的選擇原則,得到不同蓄熱容積時常用保溫材料的推薦厚度,如表2所示。

圖6 不同保溫厚度的靜態(tài)回收期(橡塑保溫)

表2 拉薩地區(qū)保溫材料推薦厚度

3.2 典型日及連續(xù)陰天的蓄熱容積

典型晴天的蓄熱容積主要與太陽輻射及熱負荷的波動規(guī)律有關。拉薩地區(qū)不同供暖供水溫度及蓄熱水體設定溫度條件下的集熱蓄熱比見圖7和圖8。設定地暖盤管、風機盤管和散熱器的工作溫度分別為30～40 ℃、40～60 ℃、50～75 ℃,可得到不同散熱末端形式對應的集熱蓄熱比。從圖中可知,蓄熱溫差越大,所需蓄熱容積越小。計算連續(xù)陰天所需的蓄熱容積時采用了連續(xù)最長陰天和多云天時長。因此連續(xù)陰天的蓄熱容積除了與太陽輻射及熱負荷的波動規(guī)律有關外,還與熱負荷平均值及連續(xù)陰天時長有關。其中拉薩的供暖季陰天所占比例小于1%,其連續(xù)陰天時長按1 d計算。

圖7 拉薩典型日的集熱蓄熱比

圖8 拉薩連續(xù)陰天的集熱蓄熱比

根據高原地區(qū)水的低沸點溫度及太陽能供暖末端的工作溫度,取蓄熱溫差為10～20 ℃,計算其他典型城市的集熱蓄熱比并給出推薦范圍,如表3所示。以典型日為蓄熱周期時,日喀則、山南及拉薩的集熱蓄熱比較大,而昌都和阿里的集熱蓄熱比較小。這是因為日喀則、山南及拉薩的太陽輻照度波動幅度和熱負荷波動幅度較大,系統(tǒng)所需的蓄熱量大,導致蓄熱容積較大。

表3 不同蓄熱周期的集熱蓄熱比推薦范圍 L/m2

以連續(xù)陰天為蓄熱周期時,10 ℃的蓄熱溫差條件下,日喀則和林芝的集熱蓄熱比較小,分別為205 L/m2和222 L/m2。這是因為林芝和日喀則典型日的熱負荷較小,且最長連續(xù)陰天時長為1 d,導致度過陰天所需的蓄熱量及蓄熱容積較小。而那曲和山南的集熱蓄熱比較大,分別為688 L/m2和900 L/m2。這是因為它們的最長連續(xù)陰天時長相比其他地區(qū)大。

4 結論

本研究分析計算了高原太陽能供暖蓄熱系統(tǒng)保溫厚度的推薦取值范圍和以典型日及連續(xù)陰天為蓄熱周期的蓄熱容積范圍,得出以下結論：

1) 高原地區(qū)特殊條件下太陽能蓄熱體采用聚氨酯保溫綜合性能最佳,其次為巖棉,最后為橡塑。基于靜態(tài)回收期的約束條件得到拉薩地區(qū)蓄熱容積不大于5 000 m3時,保溫厚度推薦取50～70 mm;蓄熱容積大于5 000 m3時,保溫厚度推薦取70～110 mm。

2) 通過理論分析得到了集熱蓄熱變化規(guī)律。當熱負荷相同、太陽輻照度等比例變?yōu)樵瓉淼膍倍時,集熱面積變?yōu)樵瓉淼?/m,蓄熱量不變,集熱蓄熱比變?yōu)樵瓉淼膍倍。當太陽輻照度相同、熱負荷等比例變?yōu)樵瓉淼膍倍時,集熱面積變?yōu)樵瓉淼膍倍,蓄熱量變?yōu)樵瓉淼膍倍,集熱蓄熱比不變。

3) 蓄熱周期越長,所需的集熱蓄熱比越大。西藏地區(qū)典型日的集熱蓄熱比范圍為55～140 L/m2,連續(xù)陰天的集熱蓄熱比范圍為100～900 L/m2。