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  • 太阳房采暖技术用于地暖系统的可行性分析

  • 来源:  发布时间:2014-10-09  浏览:1008
  • 太阳房采暖技术用于地暖系统的可行性分析


    摘 要:建筑供热采暖,是建筑能耗的主要组成部分,也是构成社会总能源消费的重点。随着能源资源的紧张与环境问题的突显、采暖区域的不断向南扩展,“供热采暖”将不得不更多地考虑采用太阳能等可再生能源,并努力提高每一个供热采暖项目中太阳能的“保证率”。太阳能,有“取之不尽、用之不竭”的优点,很是“美丽动人”,但要想随意使用,却并不那么容易。太阳能与地暖结合,本应当是一个最好的拍档。但是,若不能处理好太阳能集取与建筑本体的关系以及太阳能的贮存问题,很难得到市场的认同。供热采暖项目中,如何尽可能多地使用可再生能源,并使之与地板采暖技术配套、协调,相辅相成,是摆在这两个行业所有从业者面前的难题。

    关键词:太阳房;地暖;相变材料;保证率

    一 太阳房的概念

    “太阳房”一词起源于美国。当时,人们看到用玻璃建造的房子内阳光充足,温暖如春,便形象地称为太阳房。

    (一)太阳房的分类

    按照目前国际惯用名称,太阳房分为两大类:主动式太阳房和被动式太阳房。

    主动式太阳房是以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵以及储热装置等组成的强制循环太阳能采暖系统,或者是上述设备与吸收式制冷机组成的太阳能空调系统。这种系统控制、调节比较方便、灵活,人处于主动地位。

    主动式太阳房的一次性投资大、技术复杂,需要专业人员进行维护管理,并耗费一定量的常规能源。

    被动式太阳房是通过建筑朝向和周围环境的合理布置,内部空间和外部形体的巧妙处理,以及建筑材料和结构、构造的恰当选择,使其在冬季能采集、保持、贮存和分配太阳能,从而解决建筑物的采暖问题。同时,在夏季又能遮蔽太阳能辐射,散逸室内热量,从而使建筑物降温,达到冬暖夏凉的目的。

    被动式太阳房最大的优点是构造简单,造价低廉,维护管理方便。但是,被动式太阳房也有其缺点:主要是室内温度波动较大,舒适度差,在夜晚、室外温度较低或连续阴天时需要辅助热源来维持室温。

    集热、蓄热、保温是被动式太阳房建设的三要素,缺一不可。

    (二)被动式太阳房按集热形式可分为五类:

    1 直接受益式

    直接受益式是被动式太阳房中最简单也是最常用的一种。它利用南窗直接接受太阳能辐射。太阳辐射通过窗户直接射到室内地面、墙壁及其他物体上,使它们表面温度升高,通过自然对流换热,用部分能量加热室内空气,另一部分能量则贮存在地面、墙壁等物体内部,使室内温度维持到一定水平。

    直接受益式系统中的南窗在有太阳辐射时起着集取太阳辐射能的作用,而在无太阳辐射的时候则成为散热表面,因此在直接受益系统中,南窗尽量加大的同时,应配置有效的保温隔热措施,如保温窗帘等。
    由于直接受益式被动式太阳房热效率较高,但室温波动较大,因此,该系统使用于白天要求升温快的房间或只是白天使用的房间,如教室、办公室、住宅的起居室等。如果窗户有较好的保温措施,也可以用于住宅的卧室等房间。

    2 集热蓄热墙式

    集热蓄热墙式被动式太阳房是间接式太阳能采暖系统。阳光首先照射到置于太阳与房屋之间的一道玻璃外罩内的深色储热墙体上,然后向室内供热。

    采用集热蓄热墙式被动式太阳房室内温度波动小,居住舒适,但热效率较低,常常和其他形式配合使用。如和直接受益式及附加阳光间式组成各种不同用途的房间供暖形式,可以调整集热蓄热墙的面积,满足各种房间对蓄热的不同要求,这种组合可以使用于各种要求的房间。但玻璃夹层中间容易积灰,不好清理,影响集热效果,且立面涂黑不太美观,推广有一定的局限性。

    3 附加阳光间式

    附加阳光间式被动式太阳房是集热蓄热墙系统的一种发展,将玻璃与墙之间的空气夹层加宽,形成一个可以使用的空间——附加阳光间。这种系统其前部阳光间的工作原理和直接受益式系统相同,后部房间的采暖方式则同于集热蓄热墙式。

    4 空气集热器式

    安装“空气集热器”,将热空气直接送入室内的方式。也可以将相变蓄热材料复合到“空气集热器”里面,全天候的对室内供暖。

    5 贮热屋顶式

    二 国内太阳能热水采暖工程概述

    由于冬季太阳能量偏低,一般情况下,太阳能热水工程所产热水温度受限,较低温度热源的“地板采暖”就成为其最佳的选择形式。

    2009年3月19日公布并于2009年8月1日实施的国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》(GB50495-2009,以下简称《规范》),对于推动太阳能采暖事业的发展,发挥了一定的作用。但《规范》中的某些规定,似乎不尽合理,还有一些规定,在实践中也遇到不少问题。

    例如,《规范》中规定太阳能资源三类地区的“太阳能保证率”只要达到10%~30%即可,甚至对于一类地区,也只需要达到50%以上。制定如此低的太阳能贡献率,虽然有一定的技术原因,但毕竟难以真正发挥太阳能的作用,让投资者能得到切实的节能效益。从某种意义上说,这项规定也为太阳能采暖市场的鱼龙混杂、滥竽充数打开了方便之门。

    当然,太阳能保证率的提高,首先面临的是在非采暖季节大量的热水出路问题,以及伴随的极高投资和设备在大多数时间下的闲置,及同时产生的维护问题。

    《规范》还提出,太阳能蓄热水箱的容量,应为每平方米集热面积50L~150L。也就是说,即使取其中间值,一个30m2集热面积的工程(大约可以提供100m2左右建筑面积的采暖),就需要设计并安装一个3m3的水箱。这必然为实际施工和今后的运行管理带来一定的困难。(见以下两附表)

    《规范》对于拟安装“太阳能采暖系统”的建筑,未提出任何保温防寒的节能要求,也未提出任何使用“被动式太阳房”技术的建议,不符合科学的原则,这也是《规范》中若干指标不尽合理的重要原因。

    基于以上理由,目前已经建成的太阳能热水采暖工程中,大多工程的投资与运行效益,并不理想。

    三 主动式太阳房技术与被动式太阳房结合技术的试验房

    1 理想情况下,“试验房”应能够模拟创建各个冬季需要采暖的气候区域(严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区)的气象条件,包括温度、湿度、风向和风速、太阳辐照强度等,同时还要模拟单层、多层、高层,及各种朝向、各种墙体、门窗的建筑等。

    2 “试验房”将首先需要对以下十二个重点问题进行研究和试验:

    1)地面保温隔冷材料。2)蓄热材料(相变与非相变)。3)墙体保温(外保温与内保温)。4)节能门窗(包括“空调窗”)。5)地暖管布置形式。6)地暖地板的远红外辐射技术与负离子释放技术。7)各种电热膜(带)及其与太阳能电池的直接联结技术和其他电辅助加热(如空气源热泵)技术。8)“建材化”的太阳能集热器技术。9)配套蓄热水箱容积及蓄能水箱的研制。10)非采暖季节热水利用问题和夏季防过热问题。11)系统自动控制问题。12)系统可靠性以及“免维护”的问题。

    3 “试验房”需要配置“多点温度自动记录仪”,以便在任意时间段自动记录各点温度并绘制温度变化曲线。同时,将配备一个“物理化学实验室”,对保温材料的导热系数、蓄热系数、相变潜热和相变温度进行测试和分析,对传热介质进行抗冻性能和热工性能、化学稳定性能的试验。

    4 在试验“短期蓄热”技术,并力争使采暖的太阳能保证率(或改称“贡献率”更为准确)达到60%~80%以上的基础上,逐步开展“跨季节蓄热”技术的试验。

    5 在太阳能采暖技术试验的基础上,逐步开展光电照明技术及其他光电应用技术、太阳能制冷与空调技术等试验。

    6 “试验房”已经取得满意的阶段性成果。见以下两数据记录曲线:

    1)热水系统升温时,相变蓄热材料表现出温度变化滞后的现象。

    2)采暖热水泵停止运行的降温过程中,相变材料可以在更高的温度下继续放出热量。

    7 根据对太阳能采暖试验房所取得的数据分析,可以归纳为一个科学的太阳能采暖工程,应当遵循以下五项原则:1)建筑节能达标;2)被动式技术优先;3)合理确定室内温度;4)规范太阳能热水工程设计与施工;5)有效的利用相变蓄热技术。

    8 地板辐射供暖,是主动式太阳房的优先选择。但他们面临一个共同的问题,就是如何处理好地面的保温以及相变蓄热材料在地板下的安放与布置。

    四 实建造“主动-被动太阳房”需要注意的问题

    1 被动式太阳能建筑规划、建筑设计前期,应对建设场地周边的环境和建筑使用功能等要素进行充分调研。

    2 设置太阳能采暖的建筑物,建筑热工与节能设计,不得低于当地国家标准。

    3 太阳能采暖系统的设置,应当根据:1)当地气候;2)太阳能资源;3)建筑物类型;4)建筑物使用功能;5)业主对投资与效益的要求;6)投资规模;7)安装条件等,综合考虑后才能确定。

    4 太阳能采暖室内温度的设置,是一个非常重要的问题。太阳能资源Ⅲ类地区,可以有13℃和18℃两个标准,被动式太阳房“行标”对应的太阳能保证率分别是大于或等于25%和15%。加入主动式热水采暖之后,可以达到60%~80%的标准。

    五 太阳能热水采暖经济分析及“相变蓄热”材料能够发挥的作用

    1 根据北京地区采暖季所需要的热量(设计负荷按45W/m2计算)与同期可接收到的太阳辐射能量(按月平均16mj/m2.d),该地区100m2面积的普通建筑,如果采用太阳能热水器提供热源供暖,在设定太阳能的保证率为80%的情况下,需要40m2的太阳能集热器。仅此集热系统的成本,就需要约16000元(按400元/m2计算),如果再加上地暖盘管,及其他配套管件、辅助热源、控制仪表和施工费用,总投资将在30000元左右(未包括铺设地板的费用),平均投资为300元/m2(实际市场价格360~460元/m2)。

    2 北京地区集中供热的费用,市热力集团供暖:居民供热价格不变,为24元/m2;非居民供热价格调整为33元/m2。地区或小区锅炉供暖则分两类:a.如果是燃油(柴油)、燃气(天然气、煤气)、电锅炉供暖,居民用供暖价格为30元/m2;非居民供热价格统一调整为38元/m2。b.如果是燃煤锅炉则分为直接供暖方式和间接供暖方式。直供方式即锅炉房直接将热水送到家中,每采暖季16.5元/m2;间供方式即由于用户离锅炉房较远,中途为保证水温需要二次加热点,这种会增加成本,因此每采暖季为19元/m2;非居民供热价格(直供方式、间供方式)统一调整为28元/m2。按每采暖季费用30元/m2计算,100平方米建筑每年需要交纳3000元。(如果严格按居民集中供热标准,则全年为2400元)。

    3 根据以上两项数据计算,“太阳能采暖”的投资回收期为十年。考虑辅助能源的费用支出,按同样热价的20%计算,太阳能采暖还有一个每年600元支出增加,十年为6000元,总投资达到36000元,则投资回收期为12年(如果严格按居民集中供热收费标准,投资回收期为15年)。当然 ,太阳能采暖可以比较自由的延长采暖时间,也可以(在一定的范围内)比较自由的调节室内温度。

    4 北京地区40m2的太阳能热水器,在夏季每天可以产生2400kg、60℃的热水(每平方米可产生60kg、60℃热水)。而一般四口之家,每天的洗浴热水用量,只要160kg即可(40kg/人)。有4m2太阳能集热器就可以完全保证,则为采暖而投入的40m2热水器,将有占热水器投资90%、价值14400元的36m2被闲置(还必须是在保护状态下闲置,否则在过热情况下,就会或伤人或损伤设备),并有2240kg的60℃热水无处可用,这是一个比较难以解决的问题。

    5 蓄热材料,如果单独应用于太阳能热水供暖系统之中,并不能改变以上的基本计算结果,特别是集热器面积。但由于可以大大减小一般情况下都要使用的蓄热水箱的容积(按“太阳能采暖工程技术规范”,短期蓄热情况,每平方米集热器需要配备50L~150L,40m2集热器,按中值配备水箱,容积需要4m3),直至完全不使用水箱,从而降低太阳能热水系统的投资费用。水箱成本,在一体式太阳能热水器中约占50%。如果水箱容积减少一半,太阳能热水系统的投资将减少25%。在以上的案例中,则为7500元。而用于蓄热材料的增加投资,约为2000元,实际减少成本5500元,下降比例为18%。

    6 科学的太阳能采暖,应当是基于建筑节能和太阳房两项技术的基础上开展。

    1)1980年基准:北京地区普通建筑采暖耗标准煤25.2kg/m2,如果采用建筑节能技术,使其达到节能65%的标准,则采暖能耗仅为8.82kg/m2,折合61740Kcal/m2。按采暖期从当年的11月15日开始,到次年的3月15日截止,共120天,2880h,则每小时耗能25W/m2。按此标准计算太阳能集热器面积,可以从40m2减少到22m2,投资相应可以减少7200元,占总投资的24%。

    2)“被动式太阳房”投资分析。据统计,太阳房的工程造价比普通房增加10%~15%。“太阳房”冬暖夏凉。冬季,在无辅助热源的情况下,太阳房比普通房室内温度高5℃~8℃左右,室内外温差达到15℃;夏季,太阳房比普通房室内温度低3℃~5℃。北纬35°的建筑,冬季南墙得到的太阳能辐射,每天每平方米约为3000Kcal,100m2建筑,其南墙的总面积大约为25m2(按10m长,2.5m高计算),则全天可以接收到的太阳能,约为75000Kcal,相当于10kg标准煤的热量。如果按北京地区节能建筑采暖能耗8.82kg标准煤/m2(采暖期按120天,折合每天0.074kg标准煤/m2)计算,理论上可以满足140m2建筑的采暖热量。通过精巧的“太阳能空调窗”和南墙(包括其他朝向的内墙)及阳光照射地面下的蓄热材料的应用,可以将采暖能耗进一步减少到60%或更少。

    7 因此,在采用了建筑节能技术和太阳房技术的基础上,再实施太阳能采暖热水工程,可以将太阳能热水系统的投资减少到原来的60%左右,即每百平方米约为20000元,也大大减少了非采暖季节集热设备闲置和大量热水无处使用的问题,是推广太阳能采暖以节约建筑能耗的唯一正确途径。蓄热材料只有在此基础上才能发挥应有的作用。

    8 相变蓄热材料“的美一号”在采暖工程中的蓄热作用。

    1)基料特性:潜热253kJ/kg(约60Kcal/kg),相变点24℃~32℃,固体密度1460kg/m3。(注释:物体有三“相”,即固体、液体、气体,三相之间可以相互变化,如水变成冰、水变成蒸汽等。相变时的温度,在等压情况下,一般是固定的,此变化点就称“相变点”。相变点24℃~32℃,即指此料的固—液转化点的温度是在24℃~32℃之间。)

    2)每100m2建筑面积,实际铺设面积70m2,层厚度按20mm计算,全部用量为70×0.02=1.4m3,按1.4比重,用量1.96T。按2T计。潜热折算为60Kcal/kg,总蓄热量为60×2000=120000Kcal。

    3)按水箱蓄水10T,温度升高10℃计,可以蓄热10×1000×10=100000Kcal。

    4)按采暖热负荷20W/m2计算,100m2建筑需要采暖热负荷的功率为2kW,24h时消耗电能48kWh,折合需要供给的热量为:48×860=41280Kcal。

    结论:

    2T“的美1号”材料,所蓄潜热,大于10T水箱所蓄热量(水温升高10℃时),约等于100m2建筑三天所需要的采暖热量(热负荷为20W/m2时),所需要的投资仅为6000元。

    附录1 相变材料潜热测定
          

    附录2 采用相变材料后室内温度测试记录的相关报导

    由此记录可见,相变材料也同样适合应用于电热采暖形式,以有效地利用“低谷电能”并产生很好的节能效果与经济效益。对于利用“空气能”的空气源热泵供热采暖系统,由于其压缩机使用的是电能,将同样具有相似的经济效益。

    作者简介

    曹国璋 高级工程师。

    中建国科(北京)低碳建筑科学研究院院长、中国农村能源行业协会热泵中心秘书长。

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