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空气源热泵地板辐射采暖十年历程的回顾之六

2013/05/17

  ——太阳能与空气源热泵的综合利用

清华大学教授李元哲

一、在空气源热泵地板采暖系统中为什么要引进太阳能?

作者在前几期的文章中,已经从理论与实践上全面阐述了在以北京为代表的我国北方寒冷地区用空气源热泵地板辐射采暖的节能、减排与技术的可靠性,包括经济可行性。它适用于住宅的中央空调中小型公共建筑,尤其是高大空间的采暖如宾馆大堂、展览大厅等。其热舒适性也是无可替代的。

那么,为什么还要引进太阳能?在什么类型的建筑中,以什么方式进行综合利用是合理的?下面加以论述。

二、对太阳能采暖的分析:

1、  太阳能利用,应当首选太阳能资源丰富地区,在《被动式太阳房热工设计手册》中,对我国可利用太阳能采暖的地区气象指标,进行了划分。北京等华北地区位居前列。太阳能是唾手可得的清洁、可再生能源,上世纪七十年代以来,我国已投入了大量的人力、物力,培养了一批研发人员,建造了许多示范工程,推广了大量的先进技术产品,也具有深厚的理论基础。但摆在面前的是如何克服现存的缺点不足,更完美地用在建筑、工业等领域中去。本文主要讨论太阳能在建筑上的应用(先讨论采暖)。太阳能采暖划分为主动式和被动式两大类。两者的区别是前者不包含电能、机械能的介入,下面分别加以讨论。

2、  被动式采暖,被动式采暖是指利用建筑本身的构件实现太阳能的收集、传递、蓄存、放热等过程。达到为房间供暖的效果。经过多年的考验,到目前为止,在北京地区,最能被使用者接受的是直接受益式和暖廊式。

在《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ-26-2010)中,规定了南向窗的窗墙面积比及其传热系数Kw/.k)。但没有给出在不同传热系数对应于不同的节能建筑中,太阳能对采暖负荷的贡献率或称保证率。

1995年实施的《被动式太阳房技术条件和热性能测试方法》(GB/T15405-94)中给出了量化值,即北京地区等,当外围护结构的传热系数为0.45~0,50w/,南向单层玻璃窗,夜间保温帘热阻为0.86 w/℃时,冬季太阳能采暖可保证40%以上的室温在14 以上。

当然,实现该效果的建筑应符合《被动式太阳房热工设计手册》中的有关规定。上述文件中的量化结果是对典型建筑、典型气象条件,进行计算机动态模拟得出的。为了更具体的说明,做以下举例

例一、   北京地区三九天两种典型晴天被动式太阳房供暖性能描述。

建筑举例:某平房10长、5宽、2.8高,保温墙体传热系数 为0.71w/m2,屋顶传热系数为 0.75w/m2,南向有19平米双层塑钢窗,以数值模拟方法[2]对该直接受益式太阳房的热传递与转换过程进行计算获得结果示于图12,数量列于表1

 

 

 

1112被动式太阳房采暖特性

21220被动式太阳房采暖特性

1、图2所示皆为“三九”天气,由图可见:一天中清晨678时采暖耗热量最大;太阳能形成有效的供热量比光射入时间延迟一小时并且有衰减;白天10001800左右有过热,该部分热在围护结构内蓄存并在落日后逐渐放出。

该图说明:在北京地区最冷天,往往太阳辐照度也高。在白天7~8个小时中,室温可以保证12以上,且中午前后有很大的过热,过热量蓄存在建筑表面的重质材料中,在夜间逐渐放出直至清晨。清晨也是采暖负荷最大的时刻。最低室温就出现在该时刻。如果仅计白天,太阳能的供暖保证率不到30%

上述举例不够典型,原因一是维护结构传热系数过大,窗墙比也很大。室外温度也是以前的数值,太低。但说明了太阳能在建筑中的热过程。

1给出了图1、图2的数字结果

1:两种天气被动式太阳房供暖性能数值模拟结果

  

112

晴天

1220

晴间多云

全天南垂直日辐照量MJ/m².d

20.25

14.8

外气温

-5-11

0-6

南向直射双玻窗面积

19

19

南窗全天总辐照量KJ/m²

20250×0.625×19=240468

14800×0.625×19=175750

全天采暖负荷KJ

287114

162698

太阳能供热量

(白天)KJ

1000—1700

80107

1000—2000

43333

太阳能供热量(夜晚)KJ

82076

36738

太阳过热量KJ

52156

69743

太阳能供暖保证率%

仅计白天27.9

26.6

注:上述太阳房由于外保温不够仅能保证室内温度12以上,且仅计白天,太阳能保证率不足30%

例二、京郊200㎡,二层楼房、南北向、体形系数为0.67的居住建筑为例加以说明;图6.2.1为一层平面布置参考图,图6.2.2为立面布置参考图, 6.2.3为剖面布置参考图,该建筑外墙传热系数为0.45w/㎡℃,

屋顶传热系数为0.4w/㎡℃

南向窗为12×2,25㎡共27

北向高窗为双层窗传热系数为2.8w/㎡℃   6×0.5㎡共15

南向保温门传热系数为3.7w/㎡℃   2×2.2㎡共4.4

上述参数除南窗外,符合近期的节能减排建筑技术规范。有关建筑负荷参数列于表2

3:一层平面布置参考图

4:立面布置参考图

                        5剖面布置参考图

2 二层楼房采暖负荷相关参数

名称

尺寸

m×m

面积

m2

传热系数

W/ m2·℃

UA

W/

东墙

5.6×5.0

28

0.45

12.6

西墙

5.6×5.0

28

0.45

12.6

北墙

6.6×3×5.6

107

0.45

48.15

屋顶

6.6×5.0×3

100

0.4

40

 

4.4

3.7

16.4

地面

 

104

0.23

23.9

冷风渗透(考虑半次换气)

 

 

92.7

北窗

6

2.5

15

总计

NLC=276W/

在表3、表4中根据表2中的基本数据,参照《被动式太阳房热工设计手册》计算出两种直接受益式太阳房的供暖保证率,列于表3和表4

3     建筑采暖负荷相关参数

序号

项目

单位

月份

备注

11

12

1

2

3

1

每月日数

D

30

31

31

28

31

 

2

月度日值

℃·d

351

487

502

364

298

 

3

单玻透过窗及被玻璃吸收后进入室内的总日射月平均日辐照量

KJ/m2d

11056

11047

11847

11711

10168

 

4

月太阳有效得热量

MJ/

8955

9246

9915

8853

85101

27×③×①

5

月采暖负荷

MJ/

8370

11613

11970

8680

7106

NLC×DD×①××3.6

6

太阳得热负荷比

SLR

1.06

0.8

0.82

1.02

1.19

 

7

由窗获得太阳能保证率

%

63

58

58

60

70

 

8

南窗获得的月太阳供暖量

MJ/

5273

6735

6943

5208

4974

=29133MJ

8092.5kwh

由表3可以看出全冬季维持该建筑室内最低14的情况下,太阳能供暖量共计8092.5kwh。折合单位面积采暖耗热量为11.2w/

4双玻直接受益式太阳房的计算结果

序号

项目

单位

月份

备注

11

12

1

2

3

1

每月日数

D

30

31

31

28

31

 

2

月度日值

℃·d

351

487

502

364

298

 

3

双玻透过窗及被玻璃吸收后进入室内的总日射月平均日辐照量

KJ/m2d

9351

9381

10029

9737

8150

 

4

月太阳有效得热量

MJ/

7574

7852

8394

7361

6821

27×③×①

5

月采暖负荷

MJ/

8370

11613

11970

8680

7106

NLC×②×24×3.6

6

太阳得热负荷比

SLR

0.9

0.67

0.7

0.85

0.95

4/5

7

由窗获得太阳能保证率

%

47

40

40

42

47.5

 

8

南窗获得的月太阳供暖量

MJ/

3934

4645

4788

3645

3339

20351=5653kw/h

由本建筑举例和表3、表4结果可以得出以下结论:

1、  利用简单的技术改造,如将南向窗稍加大一些,将双玻窗改为单玻+热阻足够大的夜间保温帘(不是帘子加厚),则在冬季可多获供暖量2439.5kwh,折合每㎡多获得供热量12.2kwh;夏季保温帘还能遮挡太阳辐射,减少冷负荷。

2、  上述技术改造增加的初投资不多,大约每㎡建筑面积15元,但是可以大大减少用户的采暖运行费(4/㎡季)。

3、  引进被动式太阳能采暖对白天使用的建筑,可以使作为辅助热源的空气源热泵减少容量和初投资,并减少更多的运行费。