韓宇

摘要：針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)戶、別墅獨(dú)棟建筑，探索太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)，在冬季供暖中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)方案從太陽(yáng)能的年輻射量入手，分析了太陽(yáng)能夏季可以提供的熱量、以及建筑物冬季消耗的熱量。提出太陽(yáng)能存儲(chǔ)、直接內(nèi)供暖的方案，考慮到節(jié)省初投資的因素，為了減少造價(jià)，提出了太陽(yáng)能結(jié)合水源熱泵系統(tǒng)的供暖方案，以及太陽(yáng)能結(jié)合空氣能熱泵的供暖方案?？紤]了節(jié)能效率與運(yùn)行費(fèi)用的影響因素，該研究對(duì)采用太陽(yáng)能復(fù)合熱泵采暖具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能采暖 ?跨季儲(chǔ)熱 ?熱泵

中圖分類(lèi)號(hào)：TE0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0020-02

Application of Solar Seasonal Heat Storage System Research

Han Yu

（xinjiang New Energy Research Institute，Xinjiang Wulumuqi，830011，China）

Abstract：Farmers in cold areas， single-family villa construction， explore the solar cross seasonal thermal storage technology， the application of the heating in winter. Design scheme from solar radiation， this paper analyzes the solar energy can provide heat in summer and winter building heat consumption. Solar energy storage， directly within the heating scheme is put forward， considering the factors， saves the initial investment in order to reduce the cost， heating scheme of solar energy in combination with water source heat pump system was put forward， combined with air can heat pump and solar energy heating scheme. Considering the energy saving efficiency and the factors that influence the operation cost of the study of using solar composite heat pump heating has a certain guiding significance.

Key words：Solar heating ?During thermal storage ?Heat pump

我國(guó)幅員遼闊，有一半以上面積屬于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，這些地區(qū)農(nóng)村供暖多以直接燃燒秸稈等生物質(zhì)能、煤等化石能源為主，能源利用效率低，每年消耗大量能源，據(jù)《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展報(bào)告2011》調(diào)查表明，2008年農(nóng)村住宅能耗占建筑總能耗的34%，約2.26億tce，其中，秸稈等生物質(zhì)能約占總能耗的40%～50%。夏季空調(diào)多以自然通風(fēng)為主，熱舒適性保障差。

為了實(shí)現(xiàn)改善農(nóng)村人居生活環(huán)境的同時(shí)降低嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村建筑能耗，充分利用太陽(yáng)能等可再生能源是有效的解決方法。本設(shè)計(jì)旨在探索適用于新疆氣候條件下可再生能源供暖空調(diào)方法，包括系統(tǒng)形式、關(guān)鍵設(shè)備、施工技術(shù)等。村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造技術(shù)，開(kāi)發(fā)專用蓄熱庫(kù)保溫模塊，研究村鎮(zhèn)建筑采用太陽(yáng)能供暖的經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

該項(xiàng)主要是利用太陽(yáng)能滿足新疆地區(qū)農(nóng)村住宅的供暖需求，通過(guò)前面對(duì)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和建筑負(fù)荷特性分析可知，利用太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱是主要的技術(shù)途徑。此外，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)夏季空調(diào)功能，同時(shí)利用空調(diào)排熱實(shí)現(xiàn)供暖，還可以將熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行，該方式還可以提高集熱器集熱效率，減少蓄熱裝置容積。為了進(jìn)一步降低太陽(yáng)能集熱器面積及蓄熱裝置容積，可進(jìn)一步利用空氣源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)蓄熱方式的不同，蓄熱裝置內(nèi)蓄熱介質(zhì)可以水進(jìn)行顯熱蓄熱，也可在水中增加相變材料，增加單位體積蓄熱能力。基于上述考慮，下面提出一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱復(fù)合空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱直接供暖系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水池、蓄熱換熱器（置于水池下層）、取熱換熱器（置于水池上層）、水水熱泵機(jī)組、空氣源熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵及供暖末端等組成。對(duì)建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，有約一半建筑熱負(fù)荷分布在高于-10℃的溫度段內(nèi)，因此，為了降低太陽(yáng)能集熱、蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與水水熱泵與空氣源熱泵的互補(bǔ)利用。該系統(tǒng)在不同的時(shí)期和室外環(huán)境條件下可運(yùn)行以下四種運(yùn)行模式：

模式1：太陽(yáng)能蓄熱同時(shí)利用蓄熱水池直接供暖模式。當(dāng)供暖期晴天集熱器有效集熱時(shí)，可同時(shí)利用蓄熱換熱器進(jìn)行太陽(yáng)能蓄熱和水池直接供暖。

模式2：太陽(yáng)能蓄熱同時(shí)利用水/水熱泵機(jī)組從蓄熱水池中取熱供暖模式。在供暖期晴天集熱器有效集熱時(shí)，但水池內(nèi)水溫相對(duì)較低，運(yùn)行水/水熱泵進(jìn)行供暖。

模式3：太陽(yáng)能蓄熱同時(shí)利用蓄熱水池作為水/水熱泵熱匯進(jìn)行供冷模式。該模式運(yùn)行與供冷期，通過(guò)該模式將供冷期的太陽(yáng)能和空調(diào)排熱都蓄存至蓄熱水池中。

模式4：太陽(yáng)能蓄熱模式：在非供暖期或供暖期系統(tǒng)停止供暖時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)能輻射較強(qiáng)，可將太陽(yáng)能蓄存至水池中。

當(dāng)太陽(yáng)能集熱器不能有效集熱時(shí)，集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行，若此時(shí)建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對(duì)該方案系統(tǒng)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計(jì)算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機(jī)組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計(jì)算過(guò)程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過(guò)計(jì)算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計(jì)算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中其它部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性及初投資進(jìn)行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過(guò)程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達(dá)到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)前面運(yùn)行能耗計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行費(fèi)用情況如表3所示，由初步計(jì)算分析可知，運(yùn)行費(fèi)用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對(duì)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)計(jì)算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽(yáng)能跨季儲(chǔ)熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實(shí)施方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)方案的運(yùn)行節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步的比較分析，此設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。

當(dāng)太陽(yáng)能集熱器不能有效集熱時(shí)，集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行，若此時(shí)建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對(duì)該方案系統(tǒng)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計(jì)算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機(jī)組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計(jì)算過(guò)程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過(guò)計(jì)算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計(jì)算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中其它部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性及初投資進(jìn)行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過(guò)程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達(dá)到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)前面運(yùn)行能耗計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行費(fèi)用情況如表3所示，由初步計(jì)算分析可知，運(yùn)行費(fèi)用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對(duì)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)計(jì)算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽(yáng)能跨季儲(chǔ)熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實(shí)施方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)方案的運(yùn)行節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步的比較分析，此設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。

當(dāng)太陽(yáng)能集熱器不能有效集熱時(shí)，集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行，若此時(shí)建筑有供暖空調(diào)需求，可以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的供暖空調(diào)模式。

下面對(duì)該方案系統(tǒng)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如前所述，在該方案中假定高于-10℃負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)，低于-10℃負(fù)荷由太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，該方案所需集熱器面積可按照下面公式計(jì)算：

（1）

式中：

為集熱器面積（m2）。為室外溫度小于-10℃的累積熱負(fù)荷（kWh）。為水-水熱泵機(jī)組平均性能系數(shù)。為空調(diào)器累積排熱量（kWh）。為空調(diào)期水源熱泵平均性能系數(shù)。為空調(diào)得熱蓄存效率。為單位面積集熱器年有效集熱量（kWh/m2）。

在計(jì)算過(guò)程中取=9.0，=6.0，=0.8，通過(guò)計(jì)算得到=607.5 kWh/（m2），=8440.1 kWh，=5908.7 kWh。集熱器面積=4.5m2。

若以水作為蓄熱介質(zhì)，其容積按照下面公式計(jì)算：

（2）

其中，==3596.9 kWh，取==0.8，=0.5，=6，取=10℃，=60℃，=4200J/（kg.℃），=1000kg/m3，得=105.7m3。

若以相變材料CaCl2.6H2O和水按照體積比為1：1作為蓄熱介質(zhì)，所需蓄熱水池體積按照式

（3）

該方案所需蓄熱水池體積為65.6m3。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中其它部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行工況如表1所示。

現(xiàn)在討論復(fù)合采暖方案的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性及初投資進(jìn)行分析。

復(fù)合采暖方案與戶用燃煤鍋爐供暖加分體空調(diào)供冷相比，比較分析過(guò)程及結(jié)果如表2所示。

由表2節(jié)能性分析結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的分散鍋爐供暖和分體空調(diào)供冷方案，由于空氣源熱泵與水/水熱泵聯(lián)合使用，節(jié)能率達(dá)到了43.1%，節(jié)能性較好。

3 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)前面運(yùn)行能耗計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行費(fèi)用情況如表3所示，由初步計(jì)算分析可知，運(yùn)行費(fèi)用約為傳統(tǒng)供暖空調(diào)方式54.2%。

4 結(jié)論

該部分在前面對(duì)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)計(jì)算和建筑負(fù)荷特性基礎(chǔ)上，提出了太陽(yáng)能跨季儲(chǔ)熱供暖空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建思路，并據(jù)此提出了一種可行的實(shí)施方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)方案的運(yùn)行節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步的比較分析，此設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在烏魯木齊市周邊的村鎮(zhèn)建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)綠色采暖，節(jié)能效果明顯。