劉宇紅

[摘? ? 要]當前，我國生態(tài)環(huán)境遭受的破壞較為嚴重，而傳統(tǒng)燃煤等供暖方式已然不能夠滿足當前社會發(fā)展需求，光電能源得以被開發(fā)和應用。在此基礎之上，寒冷地區(qū)逐漸開始采用光電互補的形式進行供暖系統(tǒng)的設計，本文簡要介紹了光電互補系統(tǒng)的設計，并圍繞光電互補供暖系統(tǒng)性能展開分析。期望能夠為相關從業(yè)者提供參考。

[關鍵詞]寒冷地區(qū);光電互補;性能分析

[中圖分類號]TM61 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–000–03

Performance Analysis of Photoelectric Complementary Heating System in Cold Area

Liu Yu-hong

[Abstract]At present， China's ecological environment is seriously damaged， and traditional heating methods such as coal burning can no longer meet the needs of the current social development， so photoelectric energy can be developed and applied. On this basis， the form of photoelectric complementary heating system is gradually adopted in cold areas to design the heating system. This paper briefly introduces the design of the photoelectric complementary heating system， and analyzes the performance of the photoelectric complementary heating system. It is expected to provide references for relevant practitioners.

[Keywords]Cold region; Photoelectric complementary; Performance analysis

在我國生態(tài)環(huán)境不斷惡化的情況下，國家大力推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，清潔能源的使用逐漸成為我國供暖系統(tǒng)設計的新方向，在此情況之下，電采暖設計逐漸得以廣泛應用，極大地降低了污染排放，符合我國環(huán)境保護發(fā)展目標。此外，由于寒冷地區(qū)對于供暖需求較大，因此太陽能作為常見清潔能源也被應用于供暖系統(tǒng)的設計當中。

1 光電互補供暖系統(tǒng)設計

在光電互補供暖系統(tǒng)當中，包含著多種結(jié)構(gòu)，如太陽能集熱器、電鍋爐、蓄熱水箱等，不同的結(jié)構(gòu)、設備有著不同的設計規(guī)范，此外，在進行供暖系統(tǒng)設計的過程中，還需要結(jié)合設備的實際特點進行分析。

1.1 太陽能采暖系統(tǒng)選用

太陽能采暖系統(tǒng)的效果受到太陽能集熱和末端供暖形式等多種因素的影響，因此，不同的太陽能供暖系統(tǒng)有著不同的特點和優(yōu)勢，在進行太陽能供暖系統(tǒng)選擇的時候，需要結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，合理選擇相應太陽能采暖系統(tǒng)。例如，嚴寒地區(qū)的低層建筑可以使用空氣集熱器和液體工質(zhì)集熱器，但是多層建筑就只能選擇液體工質(zhì)集熱器;另外，在末端供熱方式方面，低層建筑可以選用低溫熱水地板輻射和熱風采暖兩種方式，而多層建筑則只能夠選擇低溫熱水地板輻射。對于寒冷地區(qū)而言，低層和高層建筑可以選用的太陽能集熱器與嚴寒地區(qū)相同，但是末端供熱方式則都需要選用低溫熱水地板輻射。而夏熱冬冷的地區(qū)，無論是低層建筑還是高層建筑，其末端供熱方式的選擇性都更多。在進行太陽能采暖系統(tǒng)設計的過程中，需要根據(jù)當?shù)匾约敖ㄖ膶嶋H情況選擇適用性更強的集熱器和供熱方式[1]。

1.2 建筑負荷計算

建筑負荷計算是光電互補供暖系統(tǒng)設計過程中的重要步驟，在實際設計的過程中，需要根據(jù)建筑的熱負荷情況進行設備的選擇。通常情況下，常用的熱負荷計算方式有以下幾種：①動態(tài)計算;②靜態(tài)計算;③計算建筑耗熱量指標。其中動態(tài)計算主要是通過對模擬軟件的使用，結(jié)合建筑物相關參數(shù)在計算機中建模，同時還需要輸入外界氣象參數(shù)，在DEST、Energyplus等軟件的支持下，進行建筑負荷的計算;靜態(tài)計算就是指通過對建筑物的圍護結(jié)構(gòu)進行分析，經(jīng)過計算分析得到其耗熱量、冷風滲透量和建筑產(chǎn)熱量;最后可以以相關建筑設計規(guī)范和不同地區(qū)中建筑物耗熱量的指標為依據(jù)進行建筑負荷的計算，建筑耗熱指標計算方式是獲得建筑負荷最簡便的方法。

1.3 太陽能側(cè)設計

在光電互補供暖系統(tǒng)設計的過程中，太陽能側(cè)作為整個系統(tǒng)中的重要組成部分，對太陽能集熱系統(tǒng)的分析和計算是十分重要的。首先需要對集熱器的面積和流量進行計算，由于在我國不同地區(qū)的太陽輻射情況不盡相同，因此，為確保太陽能的吸收情況，需要根據(jù)實際情況合理選擇太陽能保證率，對于不同地區(qū)而言，其選用的最佳太陽能保證率各不相同，通常情況下，對于資源十分豐富的區(qū)域建議太陽能保證率選在40%～60 %之間，資源較為豐富的地區(qū)太陽能保證率選用20%～30 %，資源一般的地區(qū)應選用10%～20 %，對于資源較為貧乏的地區(qū)則應該選擇的太陽能保證在10 %以下。此外，由于不同生產(chǎn)商所提供的集熱器存在差異，因此，在確定集熱器單位面積流量的時候，需要結(jié)合生產(chǎn)商提供的設備參數(shù)進行考量。其次，需要結(jié)合當?shù)匾约敖ㄖこ虒嶋H情況合理選擇太陽能集熱器。再次，集熱器陣列以及連接的方式對于太陽能的獲取情況也有一定影響。最后，集熱器不同的安裝角度和方位等對于其集熱效果有著較大的影響;此外太陽能集熱器都安裝在建筑物的頂部，需要考慮一定的安全性，并采取相應的防凍措施[2]。

1.4 電鍋爐側(cè)設計

隨著我國綠色環(huán)保理念的逐步深入，電采暖逐漸成為了供暖系統(tǒng)設計過程中的重要考量類型，市面上也逐漸推出了各種各樣的電鍋爐。電鍋爐主要是通過高壓電進行供電，因此普通的電網(wǎng)難以滿足電鍋爐需求，需要配備專用的變壓和配電設備，在使用電鍋爐的過程中，是通過對水流量和水位的控制，進而實現(xiàn)對于加熱功率的控制的。通常情況下，小型建筑物采用電鍋爐方式進行供暖的時候，可以選用普通電阻鍋爐就能夠滿足供熱需求，若是供熱面積較大，那么則可以酌情選用電極鍋爐。

2 光電互補供暖系統(tǒng)性能分析

2.1 設備參數(shù)

本文以某北方城市中一幢700 m2的獨棟建筑作為案例進行分析，借助相關建筑參數(shù)以及計算機軟件等，對該建筑光電互補供暖系統(tǒng)進行模擬。其中太陽能集熱器面積為120 m2，集熱器傾斜角度為45°，玻璃管外徑為0.1 m，比例管透射率為0.92，涂層吸收率為0.92，涂層發(fā)射率為0.08，循環(huán)流量為1.3 kg/s，電鍋爐的額定功率為60 kW，熱效率為0.95。

2.2 模擬仿真計算

該城市的供暖時間為11月1日，到第二年的3月31日，共計供暖151天。通過對該建筑整個供暖期的實際情況進行仿真，并結(jié)合當?shù)夭膳诘氖彝鉁囟茸兓?、太陽能輻射強度以及每個時間段下建筑的熱負荷為基礎依據(jù)。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個供暖期間，該城市的室外溫度隨著時間的推移不斷降低，在一月份的時候，該地氣溫達到最低范圍，最低氣溫在零下17℃左右，從一月往后，氣溫逐漸升高。針對太陽能輻射情況進行分析，在該地區(qū)供暖過程中，從十一月到一月期間太陽能輻射變化逐漸降低，但是能夠維持在一個穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，隨著時間的推移，太陽能輻射逐漸變大。而建筑物的熱負荷隨著外界氣溫以及太陽輻射強度也在不斷發(fā)生變化，其變化情況與室外溫度變化成反比，是先增大再減小，在一月份氣溫和太陽輻射都相對較低的情況下，建筑負荷相對較大。

為進一步加強對于光電互補供暖系統(tǒng)性能的分析，本文結(jié)合了當?shù)貙嶋H情況，主要針對溫度極寒天氣和過渡期中的典型日的光電互補供暖系統(tǒng)情況展開分析和研究。根據(jù)分析可知，由于供暖期間太陽輻射的強度隨天氣、季節(jié)變化，因此集熱量也會發(fā)生較大變化。

除此之外，相較于太陽能而言，在供暖期間，該建筑的供暖主要依靠的仍然是電鍋爐，但是隨著太陽輻射強度的不斷提高，太陽能量供給情況逐漸提升，因此在三月的時候，太陽能量供給甚至已經(jīng)超過了電鍋爐。通過對整個供暖時期進行分析和計算，可以發(fā)現(xiàn)整個供暖期，由電鍋爐提供的熱量高達75.46 %。經(jīng)過對電鍋爐運行進行分析，發(fā)現(xiàn)在供暖季節(jié)中，電鍋爐每天運行的時間存在一定差異，其主要表現(xiàn)為外界溫度較低的時候，由于建筑對于供暖的需求量增加，因此，電鍋爐運行時間會有所延長，隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)暖，太陽輻射逐漸加強，建筑所需的供暖量有所下降，同時太陽供給的能量不斷提升，電鍋爐運行時間逐漸減少[3]。

2.3 經(jīng)濟性分析

在光電互補供熱系統(tǒng)運行的過程中，太陽能不僅是清潔能源，而且其供能的過程中所需要消耗的成本相對較少，但是，在電鍋爐運行的過程中，需要高壓電進行供能，因此，在系統(tǒng)實際運行的過程中，電鍋爐運行的時間越長、其提供的能量越多，整個系統(tǒng)運行的費用也會越高。但是若單純地考慮電鍋爐運行過程中所支付的成本，提高太陽能供熱，那么就需要擴大集熱器的面積，但是集熱器面積的進一步擴大也會增加系統(tǒng)建設的投資，因此，為了進一步確保系統(tǒng)運行的成本及其所提供的能量能夠滿足建筑供熱需求，就需要合理的對系統(tǒng)中各個部件進行合理的設計。針對本案例的實際情況，分別為不同面積情況下集熱器的運行情況以及電鍋爐的運行情況進行模擬，并經(jīng)過計算分析提供了費用相對較小的系統(tǒng)運行方案。在進行費用計算的過程中，主要需要進行兩部分的分析：①系統(tǒng)建設初期所投資的費用，其主要來源于太陽能集熱器、電鍋爐等相關設備的費用;②就是在系統(tǒng)運行過程中所支付的費用，電費在其中占有較大比例。以本建筑為例，經(jīng)計算，系統(tǒng)的設計、安裝前期投入的材料費用約為16000元左右，集熱器的價格為1200元/m3，電鍋爐為400元/m3，蓄熱水箱為每1500元/m3，水泵為180元/m3。并針對不同電價情況下的系統(tǒng)運行年費用進行計算，由于電鍋爐在運行過程中所需要的電量相對較高，因此不同電價對于系統(tǒng)年費用支出影響較大。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)當電價在0.4元/kw·h以下的時候，集熱器面積設計在80 m2時，整個系統(tǒng)的費用支出為最低值;當電價在0.4～0.8元/kw·h范圍內(nèi)時，將集熱器面積設計在120 m2最佳;當電價高于0.8元/kw·h，需要將集熱器的面積設計為160 m2。

2.4 控制策略

在進行光電互補供暖系統(tǒng)的設計時，為進一步確保供暖量滿足要求，并且進一步控制供暖成本，需要結(jié)合當?shù)仉妰r情況進行討論。當不存在分時電價的情況下，太陽能部分應該使用溫差來進行控制循環(huán)，并在夜間期間，為防止太陽能部分受到寒流侵襲，需要采取排空防凍措施。而電鍋爐部分則需要進行自動控制，通過設置水箱溫度，對電鍋爐進行控制，電鍋爐的控制策略如圖1，本文通過將最低水溫設置在40 ℃，當水溫低于40 ℃的時候，且太陽能部分集熱量不足時，就會自動開啟電鍋爐進行供暖，以此保障室內(nèi)溫度。

當供暖期間城市存在分時電價的情況，就需要對電鍋爐部分進行適當調(diào)整，結(jié)合分時電價時間，在電價較低的情況下，加強電鍋爐運行，使其能夠為蓄熱水箱進行能量存儲，并在電價高峰時期控制好電鍋爐運行情況，使用蓄水箱所蓄能量進行供熱，以此確保室內(nèi)溫度達到相應標準[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，在國家大力支持之下，光電互補供暖系統(tǒng)的設計不僅能夠有效節(jié)約資源，而且能夠提高我國寒冷地區(qū)的環(huán)保水平，通過對光電互補供暖系統(tǒng)的性能進行分析，提出了相應的電價控制策略和最優(yōu)供熱方案。相信隨著對光電互補供暖系統(tǒng)的深入研究，我國供暖事業(yè)以及環(huán)保水平將會得到進一步的發(fā)展和進步。

參考文獻

[1] 牛彥旭，馬原，王媛哲.張家口地區(qū)光電互補供暖系統(tǒng)性能研究[J].福建質(zhì)量管理，2019（9）：267.

[2] 楊捷媛，李金平.寒冷地區(qū)冬季熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化[J].中國農(nóng)機化學報，2018，39（11）：79-84.

[3] 劉馨，魯倩男，梁傳志，等.嚴寒地區(qū)生態(tài)節(jié)能實驗樓土壤源熱泵供暖系統(tǒng)的實例研究[J].建設科技，2019（10）：32-38.

[4] 郭凌云，馬超，陳龍.太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)特性研究[J].自動化與儀表，2019，34（2）：95-98.