孔維新

摘要：目的 研究太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合供暖的運(yùn)行方案，為實(shí)際供暖運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù).方法 分別以沈陽、呼和浩特、哈爾濱、北京、蘭州地區(qū)100m2房間采暖期的一月份為例，再以各個(gè)地區(qū)的熱指標(biāo)和低溫地板供、回水溫度分別為50°C、40°C為標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算、VB模擬相結(jié)合的方法比較太陽能集熱器提供熱量與房間的熱負(fù)荷，確定外網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)間及供熱量.結(jié)果 以沈陽市為例，白天 11點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)，集熱器的得熱量分別為5775w、6127w、5775w均大于房間需熱量5000 w，外網(wǎng)可以運(yùn)行也可以不運(yùn)行。不運(yùn)行3小時(shí)；行提供房間所需熱量. 結(jié)論 在沈陽市，太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行每天能節(jié)省30%能量，減少褐煤的燃燒量約為10 kg，減少CO2的排放量約為6.5Nm3；SO2的排放量約為0.022Nm3。

關(guān)鍵詞：太陽能；市政外網(wǎng)；聯(lián)合供暖；數(shù)學(xué)模型；熱量平衡

1 簡介

張明昭，根據(jù)唐山地區(qū)的某小區(qū)的太陽能-空氣源熱泵-鍋爐聯(lián)合供熱的工程的典型案例，分析了三者聯(lián)合運(yùn)行的可行性，強(qiáng)調(diào)了可再生能源的綜合應(yīng)用的必要性[1]。長春工程學(xué)院的張自國，吉林建工學(xué)院的劉曄，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的研究后，證實(shí)了太陽能低溫地板輻射供暖在嚴(yán)寒地區(qū)是可行的，并且能夠節(jié)省能量，運(yùn)行四年后能夠收回成本[2]。2003年，上海理工大學(xué)的于國清以一個(gè)100m2的房間為研究對(duì)象，對(duì)太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析太陽能采暖系統(tǒng)的初投資，總運(yùn)行費(fèi)用和綜合熱價(jià)，并與常規(guī)能源進(jìn)行比較 [3]。2010年，曲世琳等對(duì)不同運(yùn)行工況下的太陽能水源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行了理論建模，時(shí)分析了太陽能集熱器的進(jìn)出口水溫、地板采暖系統(tǒng)的進(jìn)出口水溫、水箱溫度及蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了該系統(tǒng)的控制方案和運(yùn)行策略[4]。2010年，天津大學(xué)的趙振華在以河北承德是某幼兒園的太陽能供暖示范工程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，介紹了太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并對(duì)其進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究[5]。

目前，由于對(duì)外網(wǎng)與太陽能聯(lián)合運(yùn)行的方案研究很少，基于此筆者通過比較太陽能集熱器提供的動(dòng)態(tài)熱量與房間相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段所需熱量，研究當(dāng)集熱器的得熱量大于房間的熱負(fù)荷時(shí)，外網(wǎng)可以停運(yùn)時(shí)間或運(yùn)行時(shí)從太陽能吸收的熱量；當(dāng)集熱器的得熱量小于房間的熱負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行外網(wǎng)需提供的熱量，同時(shí)對(duì)聯(lián)合運(yùn)行方案的能量匹配進(jìn)行了分析.

2 建立太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

建立太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的熱量平衡數(shù)學(xué)模型：

公式中：Q是當(dāng)?shù)氐臒嶂笜?biāo)，w/ m2；S是房間的面積，m2；A是集熱器的面積，m2；J（T）是集熱器表面接收的日均輻照量，w/ m2；η（cd）是集熱器表面的熱效率，0.40；η（L）是管路及水箱的熱損失率，無量綱，0.15；Q（W）是管網(wǎng)輸出的熱量，w/m2。

建立市政外網(wǎng)需要運(yùn)行的流量的數(shù)學(xué)模型：

公式中：Q是當(dāng)?shù)氐臒嶂笜?biāo)，w/ m2；S是房間的面積，m2；A是集熱器的面積，m2；J（T）是集熱器表面接收的日均輻照量，w/ m2；η（cd）是集熱器表面的熱效率，0.40；η（L）是管路及水箱的熱損失率，無量綱，0.15；G 是管網(wǎng)運(yùn)行的流量，kg。

3結(jié)果與分析

3.1 太陽能與市政外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行曲線的的建立

以沈陽為例，前提條件：房間的建筑面積是100m2；根據(jù)各個(gè)地區(qū)的設(shè)計(jì)院提供的經(jīng)驗(yàn)值，沈陽的熱指標(biāo)50w/m2，；外網(wǎng)供、回水溫度分別是50°C和溫度40 °C；太陽能保證率取0.3，集熱器的面積北京20.88m2、沈陽32.35m2，各個(gè)時(shí)間段太陽能輻射照度由《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程》提供。根據(jù)以上條件及建立的數(shù)學(xué)模型用VB建立供熱運(yùn)行曲線。

由以圖為例，觀察到太陽能的輻射強(qiáng)度在一天之中波動(dòng)很大。太陽能在一天中只能提供的9個(gè)小時(shí)的光照時(shí)間，照射強(qiáng)度最大的時(shí)刻是12點(diǎn)種，最小的時(shí)刻是8點(diǎn)和16點(diǎn)中。以沈陽的典型房間為例，12點(diǎn)鐘太陽能供熱量最多可達(dá)6127W，8點(diǎn)鐘供熱量最少為1265W。太陽能可以承擔(dān)房間的少部分熱負(fù)荷。正常情況下這套組合系統(tǒng)是能夠節(jié)省能量，減少煤的用量的，相應(yīng)的二氧化碳，二氧化硫及粉塵的排放都會(huì)減少，所以這套系統(tǒng)能夠帶來環(huán)境效益。但是從安裝角度來看，不同地區(qū)典型房間的需要集熱器的面積并不相同，經(jīng)計(jì)算沈陽需要集熱器的面積為32.35m2 ，比只采用集中供熱系統(tǒng)采暖要多占用一定量的空間面積。

3.2 建立太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行工況表

根據(jù)上面的供暖運(yùn)行曲線以及提供的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和建立的數(shù)學(xué)模型，來分別建立五個(gè)城市典型房間采暖期的一月份供暖運(yùn)行工況表。

根據(jù)上面的圖表，觀察到太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的時(shí)間段在8點(diǎn)到16點(diǎn)，其余時(shí)間段由外網(wǎng)運(yùn)行來承擔(dān)房間的熱負(fù)荷。正常情況下，無論太陽能供熱量大于或小于房間的熱負(fù)荷，可以一直運(yùn)行市政管網(wǎng)。以沈陽典型房間的任意一天的供暖為例，在9點(diǎn)鐘，太陽能提供的能量是3157w，管網(wǎng)輸出的熱量1843 w 且相應(yīng)的運(yùn)行流量是158kg；在12點(diǎn)鐘，太陽能提供的能量是6127w，管網(wǎng)輸出的熱量是-1127 w且相應(yīng)的運(yùn)行流量是97kg，意味著管網(wǎng)吸收了1127w的熱量；在11點(diǎn)到13點(diǎn)可以選擇停運(yùn)外網(wǎng)3個(gè)小時(shí)，該段時(shí)間可以用水箱吸收多余的熱量.在這一天中，太陽能可以提供36025 w 的能量，占了房間需要熱負(fù)荷的30%，如果以流化床鍋爐（熱效率為0.88）為熱源計(jì)算耗煤量，一天耗掉的褐煤（低位發(fā)熱量為12907kJ/kg）約為10 kg，相應(yīng)的減少CO2的排放量約為6.5Nm3；減少SO2的排放量約為0.022Nm3。根據(jù)對(duì)表格中數(shù)據(jù)的分析，可以推斷出整月的運(yùn)行工況。

4結(jié)論

（1）太陽能與外網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行方案的技術(shù)難度比較高，并且對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和員工技術(shù)水平的要求同樣很高，因?yàn)橄到y(tǒng)中的流量只有匹配合理的條件下，才能滿足室內(nèi)的舒適性和穩(wěn)定性。當(dāng)然，如果上面的條件都能滿足的情況下，本組合方案是能夠節(jié)省能量的，以沈陽為例，一月份每天能節(jié)省30%的能量。

（2）隨著對(duì)太陽能利用量的增加煤的用量也相應(yīng)的減少了，同時(shí)使我們周圍的空氣和環(huán)境能得到很大的改善和提高，這意味著這套組合系統(tǒng)能給我們帶來很大的環(huán)境效益：沈陽地區(qū)一天耗掉的褐煤（低位發(fā)熱量為12907kJ/kg）約為10 kg，相應(yīng)的減少CO2的排放量約為6.5Nm3；SO2的排放量約為0.022Nm3。

（3）聯(lián)合運(yùn)行工況表的建立能夠提供合理的運(yùn)行參考方案，對(duì)我們的運(yùn)行工作給以明確的指導(dǎo)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加科學(xué)、節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[1]張明昭 . 太陽能、空氣源熱泵系統(tǒng)、鍋爐供暖聯(lián)合供熱方式的探討 [A].1671-3974（2008）04-0061-03

[2]劉曄，張自國. 嚴(yán)寒地區(qū)太陽能地板輻射供暖研究[J]. 《全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)學(xué)術(shù)論文集》，2008

[3]于國清.建筑物太陽能供暖與空調(diào)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D].長沙：湖南大學(xué)，2003.

[4]曲世琳，馬飛，吉玉寶等. 非直膨式太陽能水源熱泵地板輻射采暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（1）：14—145

[5]趙振華. 太陽能采暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué).2010