中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 許安琪 楊春方 周 敏陜西昊晨偉業(yè)建設(shè)工程有限公司 段廣勝

0 引言

常規(guī)能源過去是人類舒適生活的必需品，但其數(shù)量的減少及價(jià)格的上漲迫使各國政府探索新的能源。太陽能作為取之不盡的清潔可再生能源，被歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)認(rèn)為是未來世界能源發(fā)展的方向[1]。

太陽能熱水作為一種成熟的可再生能源技術(shù)，已經(jīng)在世界上許多國家得到應(yīng)用[2]。由于太陽能具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，如何提高太陽能系統(tǒng)的效率，是當(dāng)前研究的焦點(diǎn)問題[3]。目前有大量學(xué)者對太陽能集熱器[4]、換熱系統(tǒng)[5]等進(jìn)行了研究。這些研究幾乎都是在恒定的供暖溫度下進(jìn)行的，未考慮供暖熱舒適性。

保證人體熱舒適是建筑供暖的初衷，近些年不少學(xué)者開始研究睡眠熱舒適。張騰對嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村冬季睡眠環(huán)境熱舒適進(jìn)行了研究，認(rèn)為睡眠溫度在13.4 ℃時(shí)受試者的睡眠質(zhì)量最佳[6]。宋聰研究認(rèn)為，冬季睡眠狀態(tài)下被褥微氣候?qū)θ梭w的熱舒適性存在影響，在滿足人體熱舒適性的條件下，所需室內(nèi)溫度在睡眠狀態(tài)的高限值較清醒活動(dòng)狀態(tài)的低限值降低5 ℃[7]。Liu等人對西北地區(qū)農(nóng)村居民冬季室內(nèi)不同供暖需求的研究表明，在23:00至次日05:00時(shí)段有90%以上的居民處于睡眠階段，且睡眠狀態(tài)的舒適溫度范圍比活動(dòng)狀態(tài)低5 ℃[8]。

基于眾多學(xué)者對人體熱舒適的研究，本文以地板輻射供暖與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖為研究對象，通過控制白天與夜間的供暖溫度，分析太陽能保證率。該研究對建筑節(jié)能和太陽能供熱的進(jìn)一步推廣將產(chǎn)生積極影響。

1 研究方法

1.1 研究對象

研究對象位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，坐標(biāo)為東經(jīng)109.80°、北緯39.62°。該地區(qū)太陽能資源較豐富，年均日照時(shí)間為3 008.9 h/a，年均太陽輻照量為5 929 MJ/(m2·a)，年均氣溫為5.3～8.7 ℃。

本研究搭建了集裝箱式太陽能實(shí)驗(yàn)房，該實(shí)驗(yàn)房有效面積為12 m2，實(shí)際高度為2.4 m。外墻敷設(shè)了厚度為75 mm的鋼板保溫芯(玻璃絲綿)板材，同時(shí)搭建了太陽能地板輻射供暖系統(tǒng)與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表1。此外，選用了2組熱管式真空管型太陽能集熱器(總采光面積為8 m2)，配套設(shè)置了容積為1 m3的蓄熱水箱，輔助熱源為額定功率4 kW的電鍋爐。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

測試在2018年12月26日至2019年1月17日完成，測試參數(shù)包括太陽輻照度、室內(nèi)外溫濕度、水箱溫度、集熱器溫度、2種供暖末端的供回水溫度和流量。數(shù)據(jù)采集間隔為5 min，測試儀器和技術(shù)參數(shù)見表2，實(shí)驗(yàn)房供暖系統(tǒng)原理圖見圖1。

表2 測試儀器和技術(shù)參數(shù)

1.集熱器；2.溫度傳感器；3.熱繼電器；4.輔助電鍋爐；5.膨脹罐；6.蓄熱水箱；7.控制單元；8.實(shí)驗(yàn)房。圖1 實(shí)驗(yàn)房供暖系統(tǒng)原理圖

測試工況包括4種：工況1，控制全天房間溫度為20 ℃的地板輻射供暖；工況2，控制白天室內(nèi)溫度為20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)溫度為15 ℃的地板輻射供暖；工況3，控制全天房間溫度為20 ℃的低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖；工況4，控制白天室內(nèi)溫度為20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)溫度為15℃的低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖。

2 運(yùn)行效果比較

2.1 4種工況下的測試結(jié)果分析

根據(jù)室外氣象參數(shù)，篩選出4種工況下的典型日(全天24 h)進(jìn)行分析。4種工況下的大氣溫度、太陽輻照度、房間溫度、太陽能集熱器出水口溫度、蓄熱水箱溫度、電鍋爐運(yùn)行時(shí)長如圖2所示。

圖2 4種工況下的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

由于測試條件有限，不同工況選取的典型日的氣象參數(shù)有一定的差異，如圖2a、b所示。房間溫度由自控裝置控制，4種工況在白天都存在一定的溫度波動(dòng)，見圖2c。工況2和工況4夜間的溫度比白天低5 ℃。對于工況2，在23:00—24:00期間停止供暖，當(dāng)房間溫度降到15 ℃以下時(shí)，蓄熱水箱開始供熱。對于工況4，在23:00—23:40期間停止供暖，隨后蓄熱水箱開始工作。4種工況的太陽能集熱器溫度相差較大，其全天平均溫度分別為20.6、18.1、23.0、22.0 ℃，如圖2d所示。從圖2e、f可以看出，對于地板輻射供暖系統(tǒng)，工況1在22:30時(shí)，蓄熱水箱溫度已不能保證，電鍋爐開始工作。而調(diào)整夜間溫度后，恰好可以保證蓄熱水箱在溫度降低后可以繼續(xù)出力一段時(shí)間。從圖2d可以看出，盡管工況2集熱器平均溫度比工況1低2.5 ℃，但其蓄熱水箱一直持續(xù)工作到次日04:30才需要開啟電鍋爐輔助供暖，電鍋爐的運(yùn)行時(shí)間縮短至工況1的1/2。對于低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖，工況3蓄熱水箱持續(xù)工作到次日05:30才需要開啟電鍋爐輔助供暖。在調(diào)整夜間供暖溫度后，盡管工況4的集熱器平均溫度比工況3低1 ℃，由于蓄熱水箱溫度要求降低，系統(tǒng)持續(xù)到07:40才需要開啟電鍋爐輔助供暖，且電鍋爐的運(yùn)行時(shí)間縮短至工況3的63%。從能量守恒的角度來看，夜間降低5 ℃帶來的熱損失減小量等于電鍋爐的節(jié)能量。由于建筑總熱需求減小，而太陽能的供熱量不變，從而間接提高了太陽能保證率。

太陽能集熱器系統(tǒng)和電鍋爐提供的有效熱量見表3。根據(jù)式(1)計(jì)算得到4種工況下的太陽能保證率?？梢钥闯?，低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率比地板輻射高14%左右。而夜間降低房間溫度后，地板輻射供暖的太陽能保證率提高16.7%，低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖的太陽能保證率提高13.8%。

表3 4種工況的太陽能保證率

(1)

式中f為太陽能保證率；A為集熱器面積，m2；q為平均太陽輻照度，W/m2；η為集熱器集熱效率；β為管路及蓄熱水箱熱損失率；K為墻體傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；t0為房間設(shè)定供暖溫度，℃；t為室外溫度，℃；Q1為太陽能集熱器系統(tǒng)供熱量，kJ；Q2為電鍋爐供熱量，kJ。

考慮到4種工況的大氣溫度與太陽輻照度存在差異，本文對以上測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。從式(1)中可以看出，影響f的變量主要是t與q，采用式M=q/(t0-t)可以反映2個(gè)變量對f的影響。修正結(jié)果見表4，可以看出，低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率相對地板輻射供暖高7%左右。而夜間降低房間溫度后，地板輻射與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖的太陽能保證率均提高11.5%。

表4 太陽能保證率修正結(jié)果

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

對于地板輻射供暖，調(diào)整夜間溫度后，電鍋爐縮短了160 min的運(yùn)行時(shí)間。對于低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖，電鍋爐縮短了60 min的運(yùn)行時(shí)間。若考慮表4中的修正系數(shù)，則2種方式的電鍋爐運(yùn)行時(shí)間分別縮短127、65 min。假設(shè)典型日的運(yùn)行狀況為供暖季的平均水平，居民電價(jià)按0.5元/(kW·h)計(jì)算，則地板輻射供暖與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖分別節(jié)省用電1 016、520 kW·h，分別減少運(yùn)行費(fèi)用508、260元。

3 結(jié)論

1) 低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖工況下的太陽能保證率相對地板輻射高7%左右。

2) 夜間降低房間溫度后，地板輻射與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖的太陽能保證率均提高11.5%。

3) 假設(shè)典型日的運(yùn)行狀況為供暖季的平均水平，地板輻射供暖與低溫強(qiáng)制對流散熱器供暖分別節(jié)省用電量1 016、520 kW·h，分別減少運(yùn)行費(fèi)用508、260元。

單從以上研究結(jié)果來看，彈性供暖下2種末端供暖方式的太陽能保證率均提高10%以上，地板輻射供暖提高效果更明顯。但是對于不同的運(yùn)行狀況或者改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，2種供熱系統(tǒng)的運(yùn)行效果如何？需要進(jìn)一步實(shí)測研究。