張昱翀， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 牛艷， 陳雪嬌

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南 昆明 6500092)

1 引 言

云南麗江位于太陽能資源二類資源較富區(qū)[1]，屬高原型西南季風(fēng)氣候，但冬季月平均溫度也低于10 ℃，且早晚溫差較大；為改善該地區(qū)冬季的居住舒適度，可以利用太陽能給房間供暖，為房間提供熱量同時減少能源消耗[2-4].

太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)是利用太陽能加熱水，以熱水為熱媒加熱地板，然后通過輻射和對流向室內(nèi)供熱的供暖方式[5-7].由于各地氣候條件的不同，在太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)中，房間的預(yù)設(shè)采暖溫度是太陽能采暖系統(tǒng)中一個十分關(guān)鍵的參數(shù)，基于麗江地區(qū)氣候條件，本文比較了不同的房間預(yù)設(shè)采暖溫度下太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的太陽能保證率、儲熱水箱溫度和耗電量，從而得出既能保證房間舒適性又能兼顧經(jīng)濟性與節(jié)能性的預(yù)設(shè)采暖溫度.

2 環(huán)境參數(shù)及系統(tǒng)

2.1 環(huán)境參數(shù)

由POLYSUN軟件輸出麗江環(huán)境參數(shù)得表1，可以發(fā)現(xiàn)麗江的1、2、3、11月和12月的環(huán)境平均溫度分別為6.7、8.9、11.3、10.3 ℃和7.4 ℃，低于人體衛(wèi)生要求的下限環(huán)境溫度12 ℃,因此在麗江地區(qū)，11、12、1、2月和3月五個月室內(nèi)需要供暖.

表1 麗江典型氣象數(shù)據(jù)

2.2 系統(tǒng)設(shè)計及部件參數(shù)

圖1為所設(shè)計太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)原理圖；采用真空管集熱器[8]+輔助能源熱泵作為系統(tǒng)的熱源.在利用POLYSUN軟件模擬過程中發(fā)現(xiàn)：對于太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，在麗江地區(qū)普通雙層建筑(日用水量設(shè)為200 L/d)中，1 m2采暖面積至少需要0.05 m2的集熱器采光面積，否則系統(tǒng)熱量無法得到滿足,因此在所設(shè)計的模擬系統(tǒng)中將集熱器采光面積與建筑采暖面積之比設(shè)為0.05.系統(tǒng)部件參數(shù)具體如表2所示.

1.真空管集熱器 2.空氣源熱泵 3.控制器 4.儲熱水箱 5.三通混水閥 6.普通建筑 7.水泵 8.采暖銅管

圖1太陽能熱水低溫地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖

Fig.1Schematicdiagramofsolarheatingsystemforlowtemperaturefloorradiantheatingsystem

表2 采暖系統(tǒng)各部件參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

在確定太陽能采暖系統(tǒng)及建筑傳熱系數(shù)和采暖面積等參數(shù)后，利用POLYSUN軟件進行模擬，研究不同預(yù)設(shè)采暖溫度對系統(tǒng)太陽能保證率、耗電量和水箱溫度的影響.根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883-2016》要求的16-24 ℃供暖標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置17、18、19 ℃和20 ℃四個不同預(yù)設(shè)采暖溫度進行模擬.

3.1 太陽能保證率

太陽能保證率是系統(tǒng)總負(fù)荷中由太陽能承擔(dān)的百分?jǐn)?shù)，是評價太陽能系統(tǒng)好壞的一個重要指標(biāo).由圖2的太陽能保證率變化曲線可以看出，月平均環(huán)境溫度較高的3月和11月系統(tǒng)具有較高的太陽能保證率，月平均環(huán)境溫度較低的1月系統(tǒng)太陽能保證率相對較低；隨預(yù)設(shè)采暖溫度升高，11月太陽能保證率保持在100%，而1月太陽能保證率急劇下降，但3月太陽能保證率在采暖溫度由19 ℃提高到20 ℃才發(fā)生明顯下降，12月和2月太陽能保證率則在采暖溫度由18 ℃提高到19 ℃時就發(fā)生明顯下降.

圖2 太陽能保證率變化曲線

3.2 系統(tǒng)每月耗電量

在太陽能保證率不足的情況下，系統(tǒng)將開啟輔助能源熱泵，需要消耗一部分電能.圖3為系統(tǒng)每月耗電量，隨著采暖溫度的提高，系統(tǒng)每月耗電量與圖2太陽能保證率呈相反的變化趨勢；值得注意的是，采暖溫度若從18 ℃提高到19 ℃，太陽能保證率較低的1、2月和12月耗電量將開始大大增加.

圖3 系統(tǒng)耗電量

3.3 儲熱水箱溫度

圖3是四種不同預(yù)設(shè)采暖溫度下儲熱水箱的溫度變化圖，可以看出不同預(yù)設(shè)采暖溫度條件下，系統(tǒng)基本都能保證提供50 ℃的生活熱水，但在平均環(huán)境溫度最低的1月，采暖溫度高于18 ℃時，隨采暖溫度的提高水箱溫度將大大降低，盡管水箱溫度仍保持在50 ℃以上，但這是建立在消耗大量電能的前提下.綜合考慮系統(tǒng)太陽能保證率、每月耗電量和水箱溫度，在麗江地區(qū)使用本文設(shè)計的采暖系統(tǒng)，預(yù)設(shè)采暖溫度設(shè)置為18 ℃既能滿足室內(nèi)熱舒適性要求、提供足夠的生活熱水，又能兼顧節(jié)能性和經(jīng)濟性.

圖4 儲熱水箱溫度變化

4 結(jié) 語

利用POLUSYN在麗江地區(qū)設(shè)計一個太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，通過對太陽能保證率、耗電量和水箱溫度進行對比分析，得到以下結(jié)果：

1)麗江地區(qū)采用文中設(shè)計的系統(tǒng)，模擬結(jié)果顯示1月份太陽能保證率急劇下降；2月和12月太陽能保證率在采暖溫度從18 ℃提升到19 ℃會出現(xiàn)明顯下降.

2)采暖溫度若從18 ℃提高到19 ℃，太陽能保證率較低的1、2月和12月耗電量將大大增加.

3)麗江地區(qū)采用所設(shè)計的太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，在集熱器采光面積與建筑采暖面積之比為0.05時,采暖溫度設(shè)為18 ℃既能滿足室內(nèi)熱舒適性要求、提供足夠的生活熱水，又能兼顧節(jié)能性和經(jīng)濟性.