高亞南,祖文超,盛肖利

濟南高新區(qū)某辦公樓復合式太陽能供熱系統(tǒng)設計與實驗研究

高亞南1,祖文超2,盛肖利3

1 山東職業(yè)學院城市軌道交通系, 山東 濟南 250104 2. 山東省建筑設計研究院有限公司, 山東 濟南 250001 3. 山東建筑大學熱能工程學院, 山東 濟南 250101

為了對濟南高新區(qū)某二層辦公樓進行供熱系統(tǒng)設計，本文首先利用DeST軟件對對辦公樓動態(tài)熱負荷進行模擬計算，確定了太陽能集熱器的安裝面積。利用Origin對曲線進行擬合，確定水箱容積；然后進行經(jīng)濟性分析，得出最優(yōu)的輔助熱源，并闡述了末端散熱系統(tǒng)的蓄熱特性。最后，對系統(tǒng)的性能進行測試，研究了影響該系統(tǒng)供暖的影響因素和供熱規(guī)律。測試結果表明，該系統(tǒng)運行效果良好。

建筑設計; 太陽能供熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)上供暖是采用電力、天然氣或煤等傳統(tǒng)能源作為熱源[1,2]，而復合式太陽能采暖系統(tǒng)是利用太陽能集熱器當做系統(tǒng)的熱源，其可以將自然界中的太陽能通過太陽能設備收集并轉(zhuǎn)換成熱能，然后將轉(zhuǎn)換后的熱能以散熱系統(tǒng)傳輸至室內(nèi)，從而達到采暖的目的[3-6]。如果集熱器性能不能滿足室內(nèi)供暖要求或者是天氣不好的時，可以利用系統(tǒng)中的輔熱系統(tǒng)進行補償[7]。復合式太陽能供熱系統(tǒng)采用天然太陽能作為熱源，不僅可以避免傳統(tǒng)熱源帶來的環(huán)境污染，還可以節(jié)約成本[8]。本文結合濟南某二層辦公樓，分別進行了理論計算、工程設計和系統(tǒng)測試，對復合式太陽能供熱系統(tǒng)進行研究。

1 工程概況

位于濟南高新區(qū)的某二層辦公樓的平面尺寸為14.9 m×32.5 m，其建筑面積和需采暖的面積分別為968 m2和747 m2。規(guī)定的供暖時間7:30~19:30。該辦公樓一層和二層的平面圖如圖1~2所示。

圖 1 建筑一層平面圖

圖 2 建筑二層平面圖

圖 3 建筑模型立體圖

2 復合式太陽能供熱系統(tǒng)設計

2.1 熱負荷理論計算

本文基于有限元軟件DeST建立該建筑的有限元模型[9]，有限元模型如圖3所示，有限元模型的性能參數(shù)如表1所示。

表 1 圍護結構的材料及導熱系數(shù)

根據(jù)有限元軟件計算結果可得該辦公樓一年8760個小時室溫如圖4所示。

將負荷計算對象選定為每個需要供暖的房間，并將它們逐時相加，可得全面的熱負荷，其中需要進行供暖的季節(jié)熱負荷如圖5所示。一年的總負荷如表2所示，采暖季每月的數(shù)據(jù)如表3所示。

圖 4 一年中室溫變化圖

圖 5 供暖時間段的逐時熱負荷圖

表 2 供暖時間段的負荷統(tǒng)計表

通過以上數(shù)據(jù)可知，辦公樓采暖季每個月的熱負荷是有很大差別的，根據(jù)上述圖表可知，該建筑每個月熱負荷值相差較大，如果按照傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱負荷計算方法會造成能源的較大浪費，本文利用文獻[10]的算法，可知建筑日生活熱水負荷為115 MJ。

2.2 復合式太陽能集熱系統(tǒng)的設計

在進行復合式太陽能系統(tǒng)設計時，集熱器的位置、連接方式、傾角、型號和集熱面積均會直接影響到系統(tǒng)的集熱效果。根據(jù)該地區(qū)以往研究成果[11]，結合熱力學原理和太陽輻射強度，本文選用的真空U形管式的集熱器，其價格合適、具有較好的防凍性和抗壓性，濟南地區(qū)的安裝傾角宜為62°。

2.2.1 集熱面積根據(jù)選用的集熱系統(tǒng)的型號，集熱面積可用式（1）進行計算。

根據(jù)有限元計算結果可知，該建筑的日平均耗熱量大小為Q=2125.32 MJ，當安裝角度為62°時，太陽在供暖季的日平均輻射量為13.951 MJ/(m2·d)，根據(jù)式（1）可得集熱器面積A=142 m2。

2.2.2 各個集熱器的之間的連接與系統(tǒng)流量該建筑的屋頂為平面，且該辦公樓周圍沒有任何遮擋。屋頂?shù)某休d力和面積可以滿足集熱器的要求。本工程共在房頂設置50個集熱器，集熱器之間的連接方式為串聯(lián)和并聯(lián)。其中每三個集熱器串聯(lián)成一個單元，然后各個單元再通過并聯(lián)的方式組成大的集熱器單元，各個大的集熱器單元之間通過并聯(lián)的方式與熱水箱連接，具體如圖6所示。

圖 6 辦公樓房頂集熱器連接圖

集熱器中水的流速不宜過小，其原因為過小的流速會導致集熱器內(nèi)的水處于層流狀態(tài)，會影響集熱器的換熱效果，結合本系統(tǒng)的實際情況，選用的水流流量為6 m3/h。

2.3 太陽能儲熱水箱的設計

2.3.1 儲熱水箱本系統(tǒng)儲熱水箱的結構圖如圖7所示。本系統(tǒng)的蓄熱方式為兩個儲熱水箱，分別為生活和采暖水箱，可以達到水箱溫度分層的目的。

圖 7 儲熱水箱結構示意圖

2.3.2 儲熱水箱的容積當系統(tǒng)運行狀態(tài)時，該建筑的熱負荷在某些特定時間段內(nèi)會出現(xiàn)小于太陽能集熱的熱量的情況，根據(jù)文獻[12]，熱水箱容量可以利用式（2）求得。

利用專業(yè)圖表軟件Origin，對熱負荷和集熱量進行擬合，經(jīng)過多次試算可知，五階多項式擬合精度最高，擬合結果如圖8所示。

2.4 輔熱源的設計

由于太陽能為不持續(xù)能源，在天氣不好，光照不足的情況下，系統(tǒng)集熱量較小，無法滿足供熱需求，需要對系統(tǒng)進行輔熱設計。其中主要是確定其位置和形式。經(jīng)過比選本文選擇圖9中1處作為輔熱源的位置。

圖 9 輔助熱源的位置

本文對四種常見的輔熱方式[13]進行對比，其經(jīng)濟性指標如表4所示，通過表可知，太陽能和集中蒸汽的組合方式最為經(jīng)濟，故本文采用該輔熱方式。

表 4 四種常見的輔熱方式的經(jīng)濟性對比表

2.5 散熱系統(tǒng)的設計

本建筑的地面采用的結構由下到上分別為樓板、保溫層、豆石混凝土、砂漿找平層和面層。具體具體結構和尺寸如圖10所示，其中在豆石混凝土層中，布設交聯(lián)聚乙烯管（孔徑為2cm）。

圖 10 樓層地面構造示意圖

2.6 控制系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)的自動控制和系統(tǒng)檢測原理圖如圖11所示。當溫差大于6 ℃時，啟動系統(tǒng)，當溫差小于2 ℃，系統(tǒng)停止工作。在需要供暖的季節(jié)，系統(tǒng)收集到的熱量通過水流的形式輸送到溫度較低的水箱。當生活水箱的差值小于采暖水箱和出口溫度差時，則系統(tǒng)向采暖水箱傳輸熱量。反之，系統(tǒng)將熱量傳送至生活水箱。

圖 11 系統(tǒng)自動控制和系統(tǒng)檢測原理圖

3 實驗測試

一般情況下，對復合式太陽能供熱系統(tǒng)進行測試，主要測試以下參數(shù)[14-15]：儲熱水箱中水的溫度變化；需采暖的房間不同高度的溫度梯度；當系統(tǒng)開始工作和停止工作時，室內(nèi)和地板的溫度變化；集熱器附近太陽的輻射強度；自然環(huán)境溫度。

3.1 測點的布置

針對上述需要測試的指標，本系統(tǒng)的測點布置如圖12所示。

圖 12 本系統(tǒng)的測點布置圖

為了得到室內(nèi)不同高度的溫度，本次測試將溫度傳感器布置在以下各處：室內(nèi)不同高度、屋頂處、地板處和墻面等。室內(nèi)測點如圖13所示。

圖 13 實驗室測點布置實圖

Fig.13 Laboratory measurement point layout

3.2 數(shù)據(jù)分析

本測試的時間單位為24 h，集熱系統(tǒng)的的流量為6±0.3 m3/h，環(huán)路流量的平均值為7.2 m3/h。本實驗對儲熱水箱、室內(nèi)溫度和太陽輻射強度進行了測試。

3.2.1 系統(tǒng)進、出口溫差測試測試日期為2018年11月27日，測試時間段為9:00-17:30，每半個小時進行一次溫度測試。開始測試時系統(tǒng)的進口處水的溫度為28 ℃，具體測試結果如圖14所示。

圖 14 統(tǒng)進、出口溫差測試結果

由圖14可知，進水口和出水口溫度隨時間的變化規(guī)律基本一致，且進口水溫均大于出口水溫，這說明系統(tǒng)有效將吸收的太陽能的熱量轉(zhuǎn)換為熱能，兩者差值最大值出現(xiàn)在13:30，最大溫差為5.5 ℃，在10:30-16:30時間段內(nèi)進水口與出水口的溫差大于4.5 ℃。

3.2.2 系統(tǒng)的熱水箱保溫性能測試系統(tǒng)停止運行后，熱水箱溫度隨著時間的變化規(guī)律如圖所示。根據(jù)圖15可知，隨著時間的推移，熱水箱的水溫不斷下降，但經(jīng)過17:00-次日8:00，長達15 h的靜置后，水箱溫度由47.2 ℃降至42.0 ℃，溫度僅降低了5.2 ℃，因此可說明系統(tǒng)熱水箱的保溫性能較好。

圖 15 熱水箱溫度隨著時間的變化規(guī)律

3.2.3 太陽輻射強度測試以2018年11月27日為例，圖16~17分別為太陽的總輻射強度和散射輻射強度隨時間的變化曲線。根據(jù)圖可知，兩類輻射強度隨時間的變化規(guī)律基本一致，全天的最大總輻射值出現(xiàn)在12:39，最大值為994.12 W/m2，一天中總輻射的平均值為614.86 W/m2，總輻射量為17.32 MJ/m2。全天的最大散射輻射值出現(xiàn)在12:08，最大值為154.72 W/m2，一天中總輻射的平均值為118.65 W/m2，總輻射量為3.84 MJ/m2。

圖 16 11月27日總輻射強度曲線

Fig.17 Scattered radiation intensity curve on Nov. 27

4 結論

本文依托濟南市高新區(qū)某二層辦公樓的實際工程，設計了一套復合式太陽能供熱系統(tǒng)，首先基于有限元軟件進行熱負荷模擬理論計算，然后從集熱系統(tǒng)、儲熱水箱、輔熱源、散熱系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等多方面對系統(tǒng)進行了詳細的設計。最后為了對系統(tǒng)的性能進行測試，從系統(tǒng)進出水溫差、水箱保溫性能和太陽輻射強度等角度進行了性能測試，測試結果表明，該系統(tǒng)具有良好的性能，可滿足供熱要求。

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Design and Experimental Study on the Composite Solar Heating System for a Office Building in Jinan

GAO Ya-nan1, ZU Wen-chao2, SHENG Xiao-li3

1.250104,2.250001,3.250101,

In order to design the heating system for a second-floor office building in Jinan, this paper firstly uses DeST software to simulate the dynamic thermal load of the office building and determine the installation area of the solar collector. The curve was fitted with Origin to determine the volume of the tank; then economic analysis was carried out to obtain the optimal auxiliary heat source, and the heat storage characteristics of the end heat dissipation system were described. Finally, the performance of the system was tested, and the influencing factors affecting the heating of the system and its heating law were studied. The test results show that the system works well.

Building design; solar heating system

TU832.1+7

A

1000-2324(2019)04-0642-06

2019-04-12

2019-05-25

山東職業(yè)學院院級重點科研項目:復合式太陽能供熱系統(tǒng)設計與實驗研究(KY-XY-201801)

高亞南(1983-),女,碩士研究生,講師,主要研究方向:太陽能供熱應用、地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能. E-mail:ningning1226@163.com