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        吉林省冬季太陽(yáng)能供暖氣候可行性研究

        2016-12-31 00:00:00姚立鑫張亮
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年30期

        摘 要:2013-2014年冬季,在吉林省長(zhǎng)春市進(jìn)行了太陽(yáng)能供暖試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用吉林省50個(gè)觀(guān)測(cè)站的氣溫和輻射量,研究在全省推廣使用陶瓷太陽(yáng)能板供暖的可行性。結(jié)果表明,太陽(yáng)能供暖在吉林省可以提供45%以上的節(jié)能效果,具有良好的推廣價(jià)值。但是其成本較高,若想達(dá)到18℃的城市供暖要求,供暖成本普遍在30元/m2以上??赏ㄟ^(guò)改良供暖系統(tǒng)、選擇經(jīng)濟(jì)的能量補(bǔ)充方式、政府補(bǔ)貼等方法降低其成本。

        關(guān)鍵詞:吉林??;冬季;太陽(yáng)能供暖;氣候可行性

        1 概述

        東北地區(qū)冬季非常寒冷,供暖是需要在冬季解決的重點(diǎn)問(wèn)題。目前東北城市供暖以熱電聯(lián)供為主,農(nóng)村地區(qū)則以燒火爐、火炕為主。這兩種方式都是以燃燒礦物質(zhì)和秸稈為主,污染較大,是目前東北地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)的重要原因。

        為探尋新型的供暖方式,我們?cè)诩质¢L(zhǎng)春市進(jìn)行了太陽(yáng)能供暖試驗(yàn)。太陽(yáng)能是取之不盡的清潔能源,但同時(shí)它也存在能量密度低、轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題,如果解決好這些問(wèn)題,太陽(yáng)能供暖將很有發(fā)展前途。材料方面我們選用了新型的陶瓷太陽(yáng)能板[1][2];采光面積與供暖面積為1:2。經(jīng)過(guò)1個(gè)供暖季的試驗(yàn)(2013年11月-2014年4月),結(jié)果表明在不低于10℃的供暖要求下,太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)提供了整個(gè)房屋供暖期需求熱量的70%,陶瓷太陽(yáng)能板的平均轉(zhuǎn)換效率為19%,高于目前常用的太陽(yáng)能熱水器的玻璃真空管[3][4]。試驗(yàn)較好的完成了預(yù)定任務(wù)。

        文章在供暖試驗(yàn)基礎(chǔ)上,研究了太陽(yáng)能供暖與各氣象參數(shù)的關(guān)系,得出通用性計(jì)算方法,計(jì)算出吉林省全省各地區(qū)使用太陽(yáng)能供暖的成本和能量供給比例,在不同氣候狀態(tài)下研究太陽(yáng)能供暖的可行性。

        2 資料與方法

        2.1 資料

        本文主要用到下列資料:

        吉林省全省50站各月氣溫資料;

        吉林省乾安氣象站2009-2014年輻射量資料。

        2.2 方法

        為得出供暖與氣候條件的關(guān)系,我們需構(gòu)建熱量平衡方程,并將等式兩邊轉(zhuǎn)換為以氣象參數(shù)為變量的函數(shù)。

        熱量平衡方程: QH=Q

        方程中QH為熱量散失速度,Q為熱量補(bǔ)充速度。[5]

        2.2.1 計(jì)算QH

        QH=QHT+QINF

        其中QHT為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量,QINF為單位時(shí)間內(nèi)建筑物空氣滲透耗熱量。

        QHT=Td×K×A

        QINF=Td×V×?籽×C×N

        其中Td為室內(nèi)外溫差,K為熱傳導(dǎo)系數(shù),A為熱傳導(dǎo)面積,V為房屋換氣體積,ρ為空氣密度,C為空氣比熱熔,N為換氣次數(shù)。[5]

        QH=Td×K×A+Td×V×?籽×C×N 公式1[5]

        公式1較為復(fù)雜,為盡可能的減少變量,我們建立一個(gè)簡(jiǎn)單的房屋模型,設(shè)定其室內(nèi)面積為5m×10m=50m2,室內(nèi)高度為3m,其墻壁厚度均為300mm,屋面厚度為200mm。窗戶(hù)面積取JGJ26-2010中規(guī)定的最大面積(南面窗戶(hù)占南墻的45%,北面窗戶(hù)占北墻的25%,東西面不設(shè)窗戶(hù))。

        計(jì)算得熱傳導(dǎo)面積A,并查得各部位熱傳導(dǎo)系數(shù)K。K取JGJ26-2010中規(guī)定的房屋傳熱系數(shù)上限限值,以計(jì)算在最不利條件下太陽(yáng)能的供暖能力。結(jié)果見(jiàn)表1。

        2.2.2 計(jì)算Q

        (1)計(jì)算太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)提供的熱量Qs

        公式2中Qs為太陽(yáng)能供熱量,q為月平均輻射,b為轉(zhuǎn)換效率,As為采光面積。

        將采光與供暖面積之比設(shè)定為1:2和1:1兩種,則S1=25m2、S2=50m2;月平均輻射q為乾安氣象站觀(guān)測(cè)所得斜面月平均太陽(yáng)總輻射;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,整個(gè)供暖期,陶瓷板太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)換效率在19%左右,在晴天情況下,氣溫、輻射量較低時(shí),轉(zhuǎn)換效率為14%,在輻射較好、溫度較高的天氣可以達(dá)到24%,則As=19%。

        將各變量代入公式2,計(jì)算得供暖系統(tǒng)在不同月份供給的熱量值,見(jiàn)表3。

        (2)計(jì)算需要補(bǔ)充的熱量△Q

        太陽(yáng)能供暖提供的熱量不足以支撐整個(gè)冬季的取暖,為此還需要有其他的供暖方式進(jìn)行補(bǔ)充。

        (3)計(jì)算供暖成本

        為計(jì)算方便,我們選用電熱作為太陽(yáng)能供暖的補(bǔ)充熱源。電熱的熱效率可取100%,將熱量轉(zhuǎn)換為電量并計(jì)算電費(fèi)(吉林省電供暖電價(jià)為0.329元/kWh),電費(fèi)與太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的安裝和維護(hù)費(fèi)相加(陶瓷太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)安裝費(fèi)用為600元/m2,維護(hù)費(fèi)用每年約200元,使用壽命為50年),則為供暖成本,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

        可見(jiàn)如果能將采光面積提高到與供暖面積相同,在10℃的供暖要求下,供暖成本將低于城市集中供暖(29元/m2)。其他的幾種配置,供暖成本都較高。

        利用上述方法計(jì)算出全省太陽(yáng)能供暖的供熱量及供熱成本,以研究太陽(yáng)能供暖在吉林省的氣候可行性。各地區(qū)氣溫可以直接從氣象臺(tái)站獲取,而輻射觀(guān)測(cè)站較少,需要通過(guò)一定的方法推算全身輻射量分布情況。

        (4)計(jì)算斜面輻射

        根據(jù)劉新安[6]、于秀晶[7]等人的研究,計(jì)算得吉林省50個(gè)氣象觀(guān)測(cè)站的平均月總輻射量(1981-2010年)。

        利用乾安縣歷史輻射資料(2009-2014年),計(jì)算得斜面輻射與平面輻射的比值。將該比值推廣到全省使用,利用推算出的月總輻射量計(jì)算斜面平均月輻射量。

        3 太陽(yáng)能供暖在吉林省的氣候可行性

        利用吉林省各縣斜面平均月輻射量、月平均氣溫、公式1、2、3,計(jì)算在吉林省全省使用太陽(yáng)能供暖所能提供的熱量和供暖成本。結(jié)果如下。

        3.1 太陽(yáng)能供暖所提供的熱量

        從圖1可以看出,太陽(yáng)能供暖供給的熱量在吉林省呈現(xiàn)西部高(白城、松原、四平)、東南部高(白山)、中東部(長(zhǎng)春、吉林、延邊、通化)較低的形勢(shì)。

        需要注意的是,東南部山區(qū)的輻射分布很不均勻,山地的南坡輻射量較大,而北坡輻射量較小,因此實(shí)際中太陽(yáng)能提供熱量的分布也應(yīng)隨地形呈現(xiàn)出較大的變化,與圖1的分布形式有較大區(qū)別。圖1中所呈現(xiàn)的東南部山區(qū)的熱量分布形式,可以代表輻射較充足的向陽(yáng)坡的實(shí)際情況,具有參考價(jià)值。

        而對(duì)于中西部來(lái)說(shuō),熱量分布形式與總輻射量分布形式基本一致,計(jì)算所得結(jié)果對(duì)大部分地區(qū)都有較好的代表性。

        3.2 太陽(yáng)能供給熱量占需求熱量的比例(如圖2)

        可以看出,太陽(yáng)能供熱比例與太陽(yáng)能供給能量的分布形式基本一致。在10℃的供暖要求下,采光面積與供暖面積之比為1:2時(shí),太陽(yáng)能供暖在全省都能提供43%以上的熱量;而在18℃供暖要求下,采光面積與供暖面積之比為1:1時(shí),太陽(yáng)能供暖在全省都能提供57%以上的熱量,在輻射較高的地區(qū)可以達(dá)到73%。僅就節(jié)能來(lái)看,太陽(yáng)能供暖能夠起到巨大的作用。

        3.3 供暖成本(如圖3)

        可見(jiàn)太陽(yáng)能-電熱聯(lián)合供暖的成本相對(duì)較高。如果想達(dá)到18℃的城市供暖要求,供暖系統(tǒng)的建設(shè)成本和電供暖的電費(fèi)成本都會(huì)上升,對(duì)于吉林省大部分地區(qū)來(lái)說(shuō),供暖成本都會(huì)超過(guò)集中供暖的費(fèi)用,在輻射較低的吉林市和延邊市部分地區(qū)將達(dá)到40元/m2以上。

        如果以10℃為供暖要求,采光面積與供暖面積設(shè)定為1:1,則供暖成本在20元/m2以下。

        較高的成本主要是由電熱成本高導(dǎo)致的,經(jīng)計(jì)算,太陽(yáng)能供暖的成本僅占總成本的32%-50%,所以如果采用其他更經(jīng)濟(jì)的熱量補(bǔ)充方式,總體供暖成本可以控制在20元以下。

        4 結(jié)論及討論

        (1)利用陶瓷太陽(yáng)能板采集太陽(yáng)能進(jìn)行冬季供暖,在吉林省全省都可以達(dá)到45%以上的節(jié)能效果,節(jié)能效果較好。

        (2)輻射是影響太陽(yáng)能供暖效果最直接也是最重要的因素,輻射較高的地區(qū)供熱量大,供暖成本低。氣溫也起到一定的影響作用,氣溫較高的地區(qū)供暖效果更好。

        (3)試驗(yàn)中所利用的太陽(yáng)

        能-電熱聯(lián)合供暖方式,成本過(guò)高,不具備推廣價(jià)值。這是由電熱成本較高導(dǎo)致的,如果采用其他方式進(jìn)行熱量補(bǔ)充,成本可控制在20元以下。

        (4)試驗(yàn)中得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率仍與陶瓷板的吸收效率有較大差距,應(yīng)重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保溫層,改進(jìn)循環(huán)系統(tǒng),預(yù)期可達(dá)到40%的轉(zhuǎn)換效率。供暖成本又可極大的下降。

        (5)經(jīng)走訪(fǎng),農(nóng)村居民可接受的采暖費(fèi)為10元/m2左右,我們的試驗(yàn)結(jié)果還有較大差距。東北地區(qū)太陽(yáng)能供暖試驗(yàn)仍任重而道遠(yuǎn),提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)化能量補(bǔ)償方式是未來(lái)的努力方向。

        參考文獻(xiàn)

        [1]許建華,蔡濱,王啟春,等.陶瓷太陽(yáng)能房頂在建筑行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷,2014,7:4-6.

        [2]陳賢偉,范新暉,周子松.陶瓷太陽(yáng)能房頂在建筑行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷,2014,2:1-5.

        [3]趙玉蘭,張紅,戰(zhàn)棟棟,等.CPC熱管式真空管集熱器的集熱效率研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)2007,28(9):1022-1025.

        [4]田琦.U型管式全玻璃真空管集熱器熱效率及性能研究[J].能源工程,2006,6:36-40.

        [5]JGJ26-2010.嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

        [6]劉新安,范遼生,王艷華,等.遼寧省太陽(yáng)輻射的計(jì)算方法及其分布特征[J].資源科學(xué),2002,24(1):82-87.

        [7]于秀晶,胡軼鑫,梁洪海,等.吉林省太陽(yáng)能資源及其利用區(qū)劃的探討[J].吉林氣象,2008,3:29-31+48.

        作者簡(jiǎn)介:姚立鑫(1985-),男,工程師,主要從事新能源開(kāi)發(fā)利用工作。

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