山東建筑大學(xué)      王蓮蓮   劉學(xué)來(lái)   李永安

摘   要：本文以濟(jì)南寒冷地區(qū)的典型氣象參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型，對(duì)供暖面積與太陽(yáng)能集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的匹配進(jìn)行了分析。隨后,從保溫層厚度方面出發(fā)，研究了三者之間的數(shù)量關(guān)系。研究結(jié)果表明,選擇合適的保溫層厚度，不僅會(huì)減少蓄熱水箱的全年熱損失，而且會(huì)使集熱器面積與蓄熱水箱之間的匹配達(dá)到最優(yōu)。繪制出了供暖面積與集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的擬合曲線圖，為研究在相同保溫層厚度下的供暖面積提供了一種有參考價(jià)值的方法。

關(guān)鍵詞：跨季節(jié)蓄熱的太陽(yáng)能; 供暖面積 ;蓄熱體體積; 集熱器面積;  優(yōu)化匹配

基金項(xiàng)目：山東建筑大學(xué)博士基金（1224021）；建設(shè)部發(fā)展計(jì)劃（939212） 。

       0   引言

       跨季節(jié)蓄熱的太陽(yáng)能技術(shù)已相對(duì)成熟，但仍然存在著許多問(wèn)題，在跨季節(jié)蓄熱的太陽(yáng)能系統(tǒng)中，存在著集熱器和水箱不匹配的問(wèn)題，造成了能量不能合理有效的得到利用。傳統(tǒng)的計(jì)算集熱器面積與水箱體積的方法是先收集幾個(gè)月的熱量，按照規(guī)范提供的容積選擇范圍來(lái)選擇集熱器的采光面積^[1]，為1400~2100L/m2。這種方法會(huì)使得蓄熱水箱的體積與集熱器的面積過(guò)度的不匹配，從而導(dǎo)致許多故障。同時(shí)會(huì)改變水箱內(nèi)的蓄熱狀態(tài)^[2]，在水箱體積過(guò)小的情況下，會(huì)使得水箱內(nèi)水溫高于 85℃而汽化，嚴(yán)重影響蓄熱效果。若水箱體積過(guò)大，水溫過(guò)低，無(wú)法滿足直供水溫的條件，就會(huì)增加輔助熱源的用量，造成能量的浪費(fèi)。

       國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者就集熱器面積和水箱體積方面給出了一定的優(yōu)化。Mo. Chung 等人利用 Trnsys 模擬^[3]，研究出了最佳水箱容積、集熱器面積和太陽(yáng)能保證率之間的關(guān)系；張時(shí)聰、姜益強(qiáng)等人對(duì)哈爾濱一棟示范樓做數(shù)值模擬^[4]，得到了在哈爾濱地區(qū)與 100m2的集熱器相匹配的地下水池半徑推薦值；王選設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能蓄熱供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件^[5]，通過(guò)輸入相關(guān)的條件，從而給出推薦蓄熱水箱蓄集熱比。他們從不同的角度研究了集熱器面積與蓄熱體體積之間的關(guān)系，對(duì)跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱技術(shù)的完善有重要的意義。

       本文主要研究建筑的供暖面積、集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的具體關(guān)系，就寒冷地區(qū)濟(jì)南的氣象條件為基礎(chǔ)，以濟(jì)南某小學(xué)建筑作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)計(jì)算比較，給出了集熱器面積與蓄熱水箱體積之間關(guān)系的一種計(jì)算方法，避免了由于傳統(tǒng)的計(jì)算方法造成的集熱器面積與水箱體積過(guò)度不匹配，而造成的能量浪費(fèi)。同時(shí)，從蓄熱水箱的保溫層厚度方面出發(fā)，給出了三者之間的關(guān)系。為集熱器面積、蓄熱體體積的選擇提供了一種方法。

       1   系統(tǒng)的組成及工作原理

       設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱裝置、輔助熱源、末端等幾部分組成。工作原理為在非供暖季，建筑不需供熱，集熱器只需把太陽(yáng)能收集起來(lái)，儲(chǔ)存在蓄熱裝置中；在供暖季，太陽(yáng)能集熱器一方面收集太陽(yáng)能供給建筑，同時(shí)，將蓄熱裝置中的熱量也供給建筑。若此時(shí)還不能滿足建筑的熱負(fù)荷，就需要借助輔助熱源來(lái)滿足建筑的供暖需求。圖1是跨季節(jié)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的工作流程圖。

圖1   跨季節(jié)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)運(yùn)行的工作流程圖

       2   熱負(fù)荷、集熱器面積、蓄熱體體積三者的關(guān)系

       2.1   熱負(fù)荷分析

       建筑熱負(fù)荷的消耗與建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有密切關(guān)系。濟(jì)南地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，冬季的供暖期為120天，即11月15號(hào)至3月15號(hào)。根據(jù)《供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》濟(jì)南地區(qū)小學(xué)建筑的采暖熱指標(biāo)為58W/m²。

       本設(shè)計(jì)通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)建筑模型來(lái)分析跨季節(jié)太陽(yáng)能系統(tǒng)的集熱器面積和蓄熱體體積之間的匹配關(guān)系和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，下面選取標(biāo)準(zhǔn)建筑進(jìn)行熱負(fù)荷的估算。以建筑面積為500m²的建筑為標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)，分別選定采暖面積為1000m²、1500m²、2000m²、2500m²、3000m²的建筑為研究對(duì)象，分析跨季節(jié)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在對(duì)不同供暖面積下，最佳蓄熱體積與集熱器面積之間數(shù)量關(guān)系。不同供暖面積下的建筑冬季供暖所需總的熱量如下表1所示。

表1   不同面積的建筑冬季供暖所需總熱量

       2.2   蓄熱體體積的設(shè)計(jì)計(jì)算

       跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)根據(jù)蓄熱介質(zhì)可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)蓄熱。在實(shí)際工程中，應(yīng)用最多還是顯熱蓄熱。顯熱蓄熱分為四種：熱水蓄熱、礫石–水蓄熱、埋管蓄熱、含水層蓄熱[6]。選擇哪種蓄熱方式，應(yīng)該因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，系統(tǒng)形式等因素來(lái)決定。在這四種蓄熱方式中，用的較多的蓄熱介質(zhì)是水、土壤、砂礫。由于水資源的匱乏和初投資比較大等問(wèn)題，所以蓄熱介質(zhì)中最常用的是土壤和砂礫。

       根據(jù)濟(jì)南地區(qū)的實(shí)際情況，選擇土壤和礫石的混合介質(zhì)作為本系統(tǒng)的蓄熱介質(zhì)（土壤具有傳熱、隔熱、儲(chǔ)熱的功能，是良好的傳熱材料和儲(chǔ)熱材料）。該蓄熱體的熱容量約為水的0.65倍，（每立方米蓄熱介質(zhì)的熱容量為2800kJ/m³℃）[7]。蓄熱體的溫度范圍為15℃~65℃。若采暖季所需總熱量全部由蓄熱裝置提供，則不同供暖面積所需蓄熱介質(zhì)總體積（暫不考慮蓄熱體的蓄熱損失），詳見(jiàn)表2。

表2   提供全部熱量時(shí)蓄熱體總體積

       在冬季供暖期，建筑供暖所需熱負(fù)荷大部分由太陽(yáng)能集熱器直接供給，只有不足部分的熱量由蓄熱體提供，所以蓄熱體的體積可以進(jìn)一步得到優(yōu)化。

       2.3   集熱器面積的設(shè)計(jì)計(jì)算

       集熱器是系統(tǒng)的主要熱源，不僅在供暖季直接給建筑供熱，而且在非供暖季，向蓄熱體提供熱量，合理的計(jì)算集熱器面積對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

       濟(jì)南地區(qū)屬于太陽(yáng)能豐富的三類地區(qū)，該小學(xué)在夏季最炎熱時(shí)期放兩個(gè)月的暑假，而冬季的寒假時(shí)間則比較短，顯而易見(jiàn)，供暖時(shí)間遠(yuǎn)大于供冷時(shí)間，可以將夏季多余的熱量存儲(chǔ)起來(lái)以供冬季使用，所以采用跨季節(jié)蓄熱的太陽(yáng)能系統(tǒng)是正確的選擇。
根據(jù)濟(jì)南地區(qū)典型氣象年的數(shù)據(jù)可以得到傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葍A斜面上的太陽(yáng)輻射的月總輻射量（圖2根據(jù)國(guó)家氣象中心氣象信息中心氣象資料室提供的數(shù)據(jù)資料繪制）。

圖2  濟(jì)南地區(qū)緯度傾斜面上的太陽(yáng)輻射的月總輻射量

       在4至10月份為非采暖季，太陽(yáng)的月總輻射量500MJ/m²以上，而在采暖季的11月至3月，太陽(yáng)的月總輻射量約為264.41MJ/m²。此系統(tǒng)主要是將非采暖季的太陽(yáng)輻射量通過(guò)蓄熱體蓄存起來(lái)。在采暖季，太陽(yáng)輻射不能滿足采暖需求時(shí)，可將蓄熱體中的熱量加以利用。
11月至3月的太陽(yáng)能月總輻射量為1322.04MJ/m²，4月至10月的太陽(yáng)能月總輻射量為3525.28MJ/m²。在不考慮系統(tǒng)熱損失的情況下，假定太陽(yáng)能集熱器的集熱效率為50%，根據(jù)建筑的總需熱量得出不同采暖面積下的太陽(yáng)能集熱器的面積，如下表3。

 表3   太陽(yáng)能集熱器的面積

       根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，建筑的采暖面積、蓄熱體體積、集熱器的面積之間關(guān)系約為4:17:1，這是在不考慮系統(tǒng)的熱損失的情況下得出的。但是在實(shí)際的工程中，要考慮到的內(nèi)容要比這復(fù)雜的多。不僅要考慮到管道熱損失，還要考慮蓄熱體的保溫層厚度，蓄熱體的保溫層厚度不同也會(huì)直接影響到蓄熱體體積和集熱器的面積的變化。

       3   保溫層厚度的選擇

       蓄熱體周圍要做保溫措施，合理的保溫措施會(huì)減少熱量的損失，保證系統(tǒng)的高效性。保溫措施包括保溫材料的選擇、厚度的選擇。這里重點(diǎn)介紹在不同的保溫層厚度下，熱負(fù)荷、集熱器面積、蓄熱體體積之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)選擇的保溫材料為建筑保溫材料巖棉板，巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036W/(m·℃)，蓄熱體內(nèi)部的平均溫度為40℃，蓄熱體外表面土壤的平均溫度為15℃^[7]。保溫層的厚度選擇為50mm、100mm、200mm，相對(duì)應(yīng)的50mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為18W/m²，100mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為9W/m²，而200mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為4.6W/m²。

       3.1   保溫層的厚度為50mm

       假設(shè)采暖期總的供熱量為Q，集熱器的集熱面積為A，蓄熱體的長(zhǎng)寬高均為b，根據(jù)前面的分析可得出，采暖期總的供熱量等于采暖季集熱器的直接供熱量乘以集熱器的面積與蓄熱體單位體積的蓄熱量乘以蓄熱體體積的和：

Q =661.02MJ/m²·A +140MJ/m³·b³

       集熱器在非采暖季蓄存的熱量等于蓄熱體在非采暖季蓄存的熱量和蓄熱體的全年熱損失之和：

1762.64MJ/m²·A=140MJ/m³·b³+3405.9MJ/m²·b²

       661.02MJ/m²為集熱器在供暖季單位面積上的吸熱量；140MJ/m³為蓄熱體單位體積上的蓄熱量；1762.64MJ/m²為集熱器在非供暖季單位面積上的吸熱量；3405.9MJ/m²為保溫層厚度為50mm的全年熱損失之和（蓄熱體的熱損失只跟蓄熱體的外表面積有關(guān)）。

       根據(jù)上述兩式，可以得出不同采暖面積下，熱負(fù)荷、蓄熱體體積、集熱器面積之間的關(guān)系。（考慮到管道的熱損失，可以將集熱氣的面積附加5%）如下表4所示。

表4   跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

       根據(jù)上表分析可得，蓄熱體的熱損失比較大，損失的熱量約為蓄熱量的二倍，為了較少系統(tǒng)的熱損失，就需要增加保溫層的厚度。同時(shí)，我們也可以得出，采暖面積、蓄熱體體積、集熱器面積之間的關(guān)系約為2:4:1。詳見(jiàn)圖3。

       由所得的建筑采暖面積、集熱器面積、蓄熱體體積的各對(duì)應(yīng)數(shù)值，將三者進(jìn)行擬合，如圖3所示，得到采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：

Y=-3×10-0.7×x²+2.0225x-1.2

       采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：

Z=3×10-0.7×x²+0.5043x+1.6

       有這兩條擬合曲線，可以求出當(dāng)保溫層厚度為50mm時(shí)，其他面積下各自對(duì)應(yīng)的集熱器面積、蓄熱體體積。

       3.2   保溫層厚度為100mm

       當(dāng)保溫層的厚度為100mm時(shí)，前述的兩個(gè)公式改為：

       G=661.02MJ/m²·A +140MJ/m³·b³

       1762.64MJ/m2·A=140MJ/m³·b³+1778.16MJ/m²·b²

       根據(jù)這兩個(gè)公式，可以得出不同供暖面積下的蓄熱體體積、集熱器面積。如下表5所示。

表5   跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)評(píng)價(jià) 

       從圖表中可以計(jì)算出，當(dāng)保溫層的厚度為100mm時(shí)，蓄熱體的全年熱損失約等于蓄熱體在非供暖季蓄存的熱量，相比于保溫層的厚度為50mm時(shí)，蓄熱體的熱損失和集熱器面積都減少了，而蓄熱體體積增大了，提高了蓄熱系統(tǒng)的熱效率。詳見(jiàn)圖4。

       當(dāng)保溫層厚度為100mm時(shí)，由不同的采暖面積，得到三者之間的擬合曲線圖，見(jiàn)圖4，采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：

Y=3×10-0.7×x²+2.4695x+0.2

       采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：

       Z=-1×10-0.6×x²+0.4098x-2.8

       有這兩條擬合曲線，可以求出當(dāng)保溫層厚度為100mm時(shí)，其他面積下各自對(duì)應(yīng)的集熱器面積、蓄熱體體積。

       3.3   保溫層厚度為200mm

       當(dāng)保溫層的厚度為200mm時(shí)，相對(duì)應(yīng)的公式改為：

       G=661.02MJ/m²·A +140MJ/m³·b³

       1762.64MJ/m²·A=140MJ/m³·b3+876.33MJ/m²·b²

       由上述兩式可以得出不同采暖面積下的集熱器面積的值，如下表6所示。

表6    跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

       從圖表中可以看出，當(dāng)保溫層的厚度為200mm時(shí)，會(huì)使得蓄熱體的熱損失進(jìn)一步減少，相應(yīng)的集熱器面積也減少，但是蓄熱體的體積會(huì)繼續(xù)增大。若保溫層厚度過(guò)大，會(huì)使得系統(tǒng)的初投資大大增加，綜合考慮，保溫層的厚度不宜過(guò)大。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的保溫層厚度，不僅可以減少系統(tǒng)的熱損失，而且會(huì)使得初投資比較小，增加系統(tǒng)整體的效益性。詳見(jiàn)圖5。

圖5   保溫層200mm時(shí)采暖面積、蓄熱體體積、集熱器面積之間的擬合曲線

       當(dāng)保溫層厚度為200mm時(shí)，由不同的采暖面積，得到三者之間的擬合曲線圖，見(jiàn)圖5，采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：

       Y=6×10-0.7×x²+2.7733x+2

       采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：

       Z=-1×10-0.6×x²+0.3418x-2.8

       有這兩條擬合曲線，可以求出當(dāng)保溫層厚度為200mm時(shí)，其他面積下各自對(duì)應(yīng)的集熱器面積、蓄熱體體積。

       4   結(jié)論

       通過(guò)以上對(duì)跨季節(jié)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)的供暖面積、熱負(fù)荷、蓄熱體體積、集熱器面積的計(jì)算分析可得如下結(jié)論：

     （1）在太陽(yáng)能比較豐富的地區(qū)，如濟(jì)南地區(qū)，非供暖季的太陽(yáng)能月總輻射量為3525.28MJ/m²，若不能充分利用，則會(huì)被浪費(fèi)。將非供暖季的太陽(yáng)能熱量通過(guò)集熱器、蓄熱體等裝置得到充分的利用，來(lái)滿足冬季供熱量的不足，這既有經(jīng)濟(jì)效益，又具有一定的環(huán)保效益。

    （2）根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際狀況來(lái)選擇合適的保溫層厚度，在不同的保溫層厚度下，相同的供暖面積對(duì)應(yīng)不同的集熱器面積，蓄熱體體積。同時(shí)，在保溫層厚度為50mm、100mm、200mm時(shí)，分別對(duì)應(yīng)的熱損失為3405.9MJ/m²、1778.16MJ/m²、876.33MJ/m²。蓄熱體的熱損失不同，會(huì)直接影響到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。

     （3）通過(guò)給出保溫層厚度為50mm、100mm、200mm下供暖面積、集熱器面積、蓄熱體體積三者之間擬合曲線圖，在相應(yīng)的保溫層厚度下，不僅可以合理的匹配三者之間的數(shù)量關(guān)系，而且也給在其他的保溫層厚度下，匹配三者之間的關(guān)系，提供了一種方法。

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備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年2月刊總第2期。
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