太阳能在住宅建筑供热系统中的应用

1、太阳能在住宅建筑供热系统中的应用 太阳能辅助燃气壁挂炉供暖及供热水系统内蒙古建筑勘察设计研究院有限责任公司 高明亮 杨春虹 王小平 宋玲摘要 本文结合工程设计实例，介绍了两种太阳能辅助燃气壁挂炉供暖及供热水系统形式，说明了工程设计中选用太阳能供热系统形式的理由，以及在可再生能源的开发利用过程中，太阳能与建筑一体化在工程设计中的重要性，并简要阐述了太阳能在建筑供热系统中应用的经济效益和社会效益，建议大力推广应用太阳能供暖技术。关键词 太阳能 集热器 蓄热水罐 辅助供暖1引言随着我国社会经济的高速发展，能源消耗急剧增长，我国的资源和环境也面临着巨大的压力。经济发展离不开能源的支持，而我国的人均资源

2、占有量相当贫乏，能源利用效率也较低，与发达国家相比，建筑能源消耗量是同等气候条件下发达国家的23倍，而建筑能耗是能源总能耗中很重要的一个部分。这样，在建筑设计过程中如何采取节能措施和利用可再生能源就成为我们工程设计人员的一项重要任务。2太阳能利用2.1太阳能资源在可再生能源的开发利用过程中，太阳能逐渐受到人们的重视。随着太阳能在生活热水领域中应用的不断增加，证明了太阳能加热系统的成熟和可靠。太阳能是人类迄今为止所认识的最清洁的可再生能源，太阳能与建筑一体化将在建筑节能中起到十分重要的作用。受太阳能热水系统成功应用的启发，越来越多的人们在考虑如何将太阳能用于建筑供暖系统中。我国是世界上太阳能资源

3、最丰富的大国之一，拥有得天独厚的自然资源条件。根据国家标准民用建筑热工设计规范，我国的太阳能资源分为四类地区，即一类：太阳辐照量大于6700mj/m2·年的资源丰富区。二类：太阳辐照量在54006700mj/m2·年的资源较富区。三类：太阳辐照量在42005400mj/m2·年的资源一般区。四类：太阳辐照量在小于4200mj/m2·年的资源贫乏区。呼和浩特市地处内蒙古中部属二类地区，太阳辐照量在6095.88mj/m2·年，开发利用太阳能有着得天独厚的条件，这为我们利用太阳能作为建筑供暖热源奠定了基础。2.2太阳能供热根据利用太阳能的方式，太阳

4、能供暖系统可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能供暖系统不采用专门的集热器、管道和循环泵等装置，只是依靠建筑物的方位、本身构造和材料的热工性能，吸收和储存太阳能入射能量，以达到供暖目的。被动式太阳能供暖系统所获得的太阳能有限，且分布不均匀，这种供暖方式由建筑师统一考虑。主动式太阳能供暖系统与常规能源的供暖系统没有多大区别，只是以太阳能集热器作为热源来代替煤、石油、天然气等常规能源作燃料的锅炉。主动式太阳能供暖系统的设备复杂，运行费用高，但要采用独立的太阳能供暖系统，对建筑供暖的保障程度要受到气象条件的影响，所以利用太阳能的供暖系统都要设置一个辅助热源，以满足供热系统对建筑供暖的保障率。3工

5、程应用3.1工程概况呼和浩特市某住宅小区，建筑面积20万m2，其中，住宅均为十一层小高层，是本地区绿色生态示范小区之一。由于城市集中供热没有覆盖此地，故供暖系统热源拟采用天燃气锅炉。在工程设计前期，笔者与业主经过反复研究探讨，决定将燃气壁挂炉供热系统与太阳能供热系统有效地结合起来，作为住宅建筑的供暖热源，实现太阳能辅助燃气壁挂炉供暖和供应热水的系统集成，以适应当前的低碳经济政策和推广太阳能的综合开发利用。3.2供暖系统形式在供暖系统中，考虑到太阳能集热系统的效率、供暖设备的使用寿命和系统的运行可靠性以及人体的舒适感等各方面因素，我们采用了低温地板辐射供暖系统，供暖热水供回水温度为5040。在太

6、阳能辅助供暖及供热水系统中，笔者将承压式蓄热罐系统和非承压式蓄热水箱系统进行了比较。如图1，蓄热水箱式太阳能辅助供暖及热水系统原理：由于太阳能热水通过加热盘管加热蓄热水箱水，太阳能集热器设置高度所产生的系统水压力是由加热盘管承担的，所以蓄热水箱不承压。从热效率和保温性能上讲，蓄热水箱为敞开式系统，保温性能差，热损失大，蓄热水箱热水是经过换热盘管交换所得，热效率较低。如图2，蓄热罐式太阳能辅助供暖及热水系统原理：由于太阳能加热水直接进入蓄热水罐，所以太阳能集热器设置高度所产生的系统水压力将由蓄热水罐来承担。选用可承受压力04mpa的密闭压力罐，常规小高层住宅均适用，但由于设备承受压力高将增加设备

7、成本。从热效率和保温性能上讲，蓄热水罐为密闭系统，保温性能好、热损小，且太阳能加热水直接进入蓄热水罐，热效率高。所以我们在设计中采用如图2 蓄热罐式太阳能辅助供暖及热水系统原理。 图1 蓄热水箱式太阳能辅助供暖及热水系统原理 1.集热器2.蓄热水罐3.集热循环泵4.燃气壁挂炉5.两通温控阀6.采暖循环泵7.地暖分集水器 8.换热器9.热膨胀罐10.倒流防止器11.安全泄压阀12.过滤器13.自动排气阀 图2 蓄热罐式太阳能辅助供暖及热水系统原理3.3太阳能与建筑一体化设计我们在设计前期，就把太阳能集热器的设置纳入小区总体设计，把建筑设计、太阳能技术和景观设计融为一体，在小区景观照明统一采用太阳

8、能光电照明的同时，又将太阳能集热器与建筑的屋面相互间有机结合，避免了传统太阳能设施所造成的对建筑外观形象的影响；并将太阳能集热器通过支架统一安装在土建预留好的屋顶混凝土支墩上，确保太阳能集热器的安全可靠；还将竖向热水管道统一布置于厨房阳台的侧墙边，蓄热水罐布置在靠尽顶板处，如图3的布置方式。这样既方便管道连接安装和运行管理，又美观、节省空间，真正做到太阳能与建筑一体化。 图3 燃气壁挂炉供暖及供热水平面、剖面图3.4系统运行及控制在供暖系统运行时，首先由太阳能集热器收集太阳能，热水通过循环泵3强制循环，使蓄热水罐内的水温逐渐升高。低温地板辐射供暖系统的热水，是由热水循环泵6强制循环，通过换热盘

9、管由蓄热水罐内的热水或燃气壁挂炉加热的，这样既有效地利用了太阳能加热的热水，又合理地将供暖热水和洗浴热水有效地分开。当蓄热水罐加热的供暖水出水温度达到40时，燃气壁挂炉热水出水管上的两通温控阀5关闭，燃气壁挂炉不工作，由太阳能独立供暖；当蓄热水罐加热的供暖水出水温度低于40时，燃气壁挂炉热水出水管上的两通温控阀5打开，燃气壁挂炉和太阳能同时参与供暖；当蓄热水罐加热的供暖水出水温度低于30时，蓄热水罐出水管上的两通温控阀5关闭，太阳能蓄热水罐热水不参与加热工作，燃气壁挂炉单独供暖。在过渡季节，利用太阳能集热供暖系统可完全满足室内供暖温度的要求。在供热水系统运行时，由太阳能集热器收集太阳能，热水通

10、过循环泵3强制循环，当蓄热水罐内热水温度达到40时，燃气壁挂炉热水出水管上的两通温控阀5关闭，由太阳能供热水系统单独供应热水；当蓄热水罐热水温度低于40时，燃气壁挂炉热水出水管上的两通温控阀5打开，由燃气壁挂炉辅助加热供应热水。太阳能集热器还设有低温防冻保护功能，当太阳能集热器出水管上的温度低于5时，蓄热水罐出水管上的两通温控阀5打开，启动循环泵3进行低温防冻保护循环，当太阳能集热器出水管上的温度高于10时，蓄热水罐出水管上的两通温控阀5和循环泵3均关闭。3.5设备选型及造价由于太阳能集热器的布置受建筑空间的影响，所以不能按照百分之百地满足用户供暖和供热水的要求来选择太阳能集热器。根据经验并结

11、合建筑特点,按最大能满足百分之五十供暖负荷选择太阳能集热器,这样,在供暖初期和后期的各一个半月,以及过渡季前后各半个月共计四个月的时间,只利用太阳能就能基本满足用户供暖和供热水的要求,节能效果明显。但是,由于用户在夏季供热水的需求量远不如冬季供热量，有部分集热器夏季处于不工作状态，为此,要求厂家在夏季对集热器提供有效的遮阳措施。在设计中，我们按标准户型100住宅计算，设计计算热负荷为3600w。每户选用9.6 真空管式太阳能集热器；燃气壁挂炉采用olb-130供热量15.12kw；采用200 l容量，承压04mpa蓄热水罐，外用50mm厚整体发泡聚胺脂保温，带铜盘管换热器；循环水泵选用rs-2

12、5/6型，流量：2.5/h，扬程6m，功率37w；选用丹佛斯自力式两通温控阀；其余配件均采用国内外优质产品。控制器根据控制原理要求由专业厂家配套供货，燃气壁挂炉、水泵及整个系统的感温控制运行均由控制器自动控制实现全自动运行，并要求显示集热器温度、蓄热水罐热水温度、温差自动循环、工作状态显示及故障报警等功能。每户包括燃气壁挂炉在内的供热工程造价约为32000元。3.6经济及社会效益分析呼和浩特市全年太阳辐射量为6095.8mj/ m2·年，结合集热效率和系统热损失综合考虑，按40%效率转换计算，平均每户安装9.6 m2真空管式太阳能集热器，每年可收集23408 mj，即6502 kw&

13、#183;h太阳能,即每户每年节约能源6502 kw·h。每户每年节约费用：6502 kw ·h×0.55元/ kw ·h 3576元折合成标准煤为：6502 kw ·h×0.36 kg/kw ·h 2341 kg 每户每年减少向大气排放：二氧化碳：6502 kw ·h×1.11 kg/kw ·h 7217 kg二氧化硫：6502 kw ·h×0.009 kg/kw ·h 59 kg氮氧化物：6502 kw ·h×0.0044 kg/kw

14、83;h 29 kg根据以上数据分析，利用太阳能供暖和供应热水，每户每年可节约3576元。按目前住宅建筑每平米368元/月供热收费计算，按实际供热期和供热量计算每户每年可节约供热费约2024元。太阳能供热系统使用寿命约为1015 年，工程初投资较常规供暖系统增加约140元/ m2 的费用，仅从经济性效益方面来看，不具有很强的吸引力，但在目前国家大力提倡利用可再生能源和倡导低碳经济相关鼓励政策的引导下，结合发达国家的经验，考虑到长远的社会经济效益和节能环保效果，我们还应大力推广应用太阳能供热。4结论(1) 太阳能供热技术已经越来越成熟，我国大部分供暖地区太阳能资源丰富，在大力推广应用太阳能供应热

15、水的同时，我们还应积极推广应用太阳能供暖技术。(2) 在太阳能供暖系统实施过程中，要尽量做到太阳能利用与建筑一体化设计；对系统设备的选用和集成，要注重产品性能并应智能化控制，还应设计必要的辅助热源以保证供热效果。(3) 太阳能供暖有着显著的节能和环保效益，在传统能源越来越紧缺，提倡低碳经济的今天，太阳能供暖技术会得到越来越广泛的推广和应用。参考文献1 郑瑞澄 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册. 北京：化学工业出版社，20062 袁家普主编 太阳能热水系统手册. 北京：化学工业出版社，2008 夏热冬冷地区住宅建筑间歇供暖热负荷计算方法研究哈尔滨工业大学 陈玲 董重成 摘要 本文通过能耗模拟软

16、件dest-h对夏热冬冷地区典型城市住宅建筑的连续供暖和间歇供暖进行了模拟计算分析，研究了在满足建筑和建筑热工节能设计的要求下，连续模式和不同间歇供暖模式对室内热环境的影响，以及不同类型围护结构和通风对间歇供暖负荷的影响。通过数据统计，对比连续供暖和不同间歇运行模式的供暖负荷，确定了最合理的间歇运行模式，并给出相对连续供暖模式各影响因素对间歇供暖负荷的百分数附加率，对工程设计起到一定的指导意义。关键词 间歇供暖 热负荷 夏热冬冷地区 住宅建筑1引言我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季寒冷，早些年该地区的建筑冬季并不取暖，导致室内环境恶劣，有时甚至影响人们正常的生产和生活。近年来，随着我国经济的高速增

17、长，该地区的居民纷纷采取措施，自行解决住宅等的冬季室内供暖问题。由于夏热冬冷地区的气候特点，冬季寒冷时间相当较短，室内温度要求也不太高，如果采用连续供暖，势必会造成能源的浪费。除此之外，在新的采暖通风规范中提到供暖区域南扩，对于新增的供暖区域，连续集中供暖方式运行成本较高，不符合节能要求，可以考虑采用间歇供暖方式。在工程设计中首先就要考虑负荷的多少，那么如何计算间歇供暖热负荷就成为一个急需解决的问题。2建立模型2.1模拟建筑介绍为了分析围护结构、通风等因素对间歇供暖负荷的影响，以某住宅楼为计算研究对象。该住宅楼共6层，每层6户，层高3米。该住宅的户型为三室一厅，建筑面积104.04m2，体形系

18、数为0.284m-1。在夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中规定，条式建筑物的体形系数不应超过0.35，该模拟建筑的满足要求。该建筑的立面外围护结构如表1所示。表1 模拟住宅建筑立面外围护结构朝向外墙(m2)外门(m2)外窗(m2)窗墙比东280.800.0010.800.04南826.200.00286.200.26西280.800.0010.800.04北833.7611.34267.300.24综合窗墙比：0.20该模拟建筑的平面图如图1所示：图1 模拟住宅建筑平面图2.2模拟参数设置冬季供暖室内热环境设计指标除楼梯间外，卧室、起居室室内设计温度18，厨房、卫生间室内设计温度为16。卧室最

19、多人数为2人，客厅最多人数为3人，每人发热量为53w。卧室和客厅照明的最大功率为每平米5w。客厅设备的总最大热功率为90w，卧室设备的总最大热功率为60w。所有参数每天的逐时变化值全部根据普通居民的实际生活规律来确定。人们的生活习惯和对采暖室内温度要求也会影响间歇采暖室内温度的稳定性，在夏热冬冷地区人们习惯开窗通风，所以在工程暖负荷设计时需要考虑。主要表现在不同的区域窗户的冷风渗透和门窗的冷风侵入耗热量相差很大。当研究围护结构对外界的影响时，外界与房间室内的通风量为1次/小时，房间与房间的通风量为0.5次/小时。当研究通风对间歇供暖负荷的影响时，外界与房间室内的通风量分别设置为1次/小时、2次

20、/小时、3次/小时、5次/小时，进行对比分析。2.3围护结构参数设置所选围护结构满足夏热冬冷地区建筑和建筑热工节能设计要求，为了分析不同热惰性指标围护结构对冬季间歇供暖负荷的影响，在此对以下几种类型围护结构进行模拟计算，具体参数如表2所示：表2 模拟住宅建筑围护结构参数围护结构类型围护结构名称围护结构材料传热系数（w/m2k）热惰性指标d类型外墙240砖墙+加气混凝土保温0.547.66屋顶憎水珍珠岩保温0.864.48类型外墙240砖墙+水泥膨胀珍珠岩保温0.784.79屋顶憎水珍珠岩保温0.864.48类型外墙钢筋混凝土+eps板保温0.842.89屋顶eps板保温0. 673.61类型、

21、类型、类型内墙：40砖墙；楼地：40mm混凝土；楼板：钢筋混泥土；外窗：标准外窗（传热系数根据窗墙比确定）；外门：单层木质外门；内门：单层木质内门2.4间歇模式确定根据普通住宅建筑中居民的生活习惯和实际作息规律，现在分析四种间歇供暖模式的热负荷及室内温度情况，运行模式如图2所示： a)模式一 b)模式二 c)模式三 d)模式四其中 1.0代表供暖，0代表停暖图2 四种供暖模式运行示意图3模拟结果与分析在此采用能耗分析软件dest-h进行模拟，计算该住宅建筑选用不同的围护结构在上述四种运行模式下冬季供暖负荷和室内温度变化情况。为了对比分析夏热冬冷地区的总体状况及不同城市供暖负荷的区别，现根据地理

22、位置及气候情况选取上海、合肥、长沙、武汉和成都五个典型城市计算。dest给出了典型气象年中的相关气象参数，以冬季供暖室外计算温度为参考确定数据分析的典型日，最后分析典型日的热负荷波动情况和室内热环境。3.1不同运行模式下供暖热负荷计算结果与分析以冬季供暖室外平均温度为基准，通过数据统计现将不同围护结构在间歇运行模式下最冷月的平均热负荷数据统计如下，见表3： 表3 四种运行模式下的平均热负荷指标 单位：w/m2热负荷指标城市上海合肥长沙武汉成都围护结构类型模式一15.7917.0813.0617.5913.55模式二20.7627.0820.4221.6721.28模式三27.7329.2227

23、.2628.9628.42模式四24.1631.5223.9125.2724.90围护结构类型模式一18.8020.8816.4622.0716.96模式二26.0731.7224.7626.9625.45模式三34.6342.2532.9535.8333.88模式四30.3436.9728.9631.4329.76围护结构类型模式一18.0819.615.4320.7515.93模式二24.4230.8324.0225.2824.86模式三32.5041.0531.9629.6933.08模式四28.4335.9228.1129.5029.08通过对比间歇采暖与连续采暖的最冷月热负荷平均值，

24、在连续供暖的基准之上可以得出间歇运行选用不同类型围护结构的负荷修正率，以及不同间歇模式下热负荷的特点和规律。由表3可以看出，每一种围护结构的间歇运行模式供暖热负荷都比连续模式大，其中在运行模式二的情况下供暖热负荷修正率约为20%35%。相比之下，模式三和模式四的修正率偏大，可见间歇次数的增加在一定程度增加了热负荷，这就意味着对设备容量要求的提高。因此，在实际的间歇运行时推荐使用模式二的形式。此外，在同一种运行模式下随着热惰性指标d的减小，热负荷修正率增大。但是各运行模式下围护结构类型却比围护结构类型的热负荷大，这主要是由围护结构蓄热性决定的。可见，围护结构的传热性能、蓄热性能和间歇运行模式对间

25、歇供暖的热负荷都是有影响的，而不是由其中某一种因素单独决定的。3.2房间热负荷及室温分析为了分析间歇供暖室内舒适性情况及负荷的波动情况，由于计算工况比较繁多现取上海地区为代表说明。以模拟住宅建筑中一层客厅a为研究对象，分析当采用围护结构时在各种间歇运行模式下典型日的热负荷需求情况及室温波动情况。通过dest中的数据统计，取典型日1月21日的相关数据进行分析。不同运行模式下的供暖负荷需求情况如图3，室内温度波动如图4所示。a)模式一 b)模式二 c)模式三 d)模式四图3 四种运行模式下的热负荷波动情况从图3可以看出，间歇运行时的热负荷高于连续采暖时所需的逐时热负荷，尤其是间歇后刚开始供暖时其热

26、负荷更大，这主要是因为此时不仅要提供室内设计温度下所需的热量，而且围护结构及室内的物品等还都要蓄存一部分热量。随着供暖时间的增加，热量逐渐达到平衡，所需热负荷也逐渐减少。在图a)中逐时热负荷整体波动不大，只是白天稍有波动，因为房间白天吸收了太阳辐射能，中午达到最大值，此时所需热负荷也最低。从图b)、c)、d)中可以看出，由于间歇次数的增加，每次刚开始供暖时负荷很大，导致模式三和四的平均热负荷比模式二的要大。对比模式三和模式四，虽然模式四的间歇次数比模式三多，但其平均热负荷却比较低，这主要是因为模式四在中午的两小时运行为房间提供了一定的热量，再当晚间供热时起始负荷就不用模式三那么大。可见，间歇供

27、暖的热负荷不仅和间歇次数有关，还和间歇运行的时间段有关。图 4 典型日四种运行模式下的室温波动情况从图4可以看出典型日四种运行模式下室内的温度波动情况，当停暖时室内温度逐渐下降，当开始供暖时室内温度逐渐上升，不同间歇模式下的升温时间不同。自然室温维持在1214左右，不满足人体舒适性要求，会产生冷感。在间歇运行下，最低温度都维持在15以上，虽然与室内设计温度有一定的差异，但是基本能满足人们的要求。再说停暖时间内建筑内的人员极少，不会给人们的生活带来不便。3.3通风对间歇供暖热负荷的影响在夏热冬冷地区由于人们的生活习惯和对空气品质要求较高，所以开窗通风较多。为了说明开窗通风对间歇供暖热负荷的影响，在此列出围护结构选取类型的前提下进行的模拟计算。统计整理数据，表4所示的