山东建筑大学 王莲莲 刘学来 李永安
摘 要：本文以济南寒冷地区的典型气象参数为依据，通过建立标准的建筑模型，对供暖面积与太阳能集热器面积、蓄热水箱体积之间的匹配进行了分析。随后,从保温层厚度方面出发，研究了三者之间的数量关系。研究结果表明,选择合适的保温层厚度，不仅会减少蓄热水箱的全年热损失，而且会使集热器面积与蓄热水箱之间的匹配达到最优。绘制出了供暖面积与集热器面积、蓄热水箱体积之间的拟合曲线图，为研究在相同保温层厚度下的供暖面积提供了一种有参考价值的方法。
关键词：跨季节蓄热的太阳能; 供暖面积 ;蓄热体体积; 集热器面积; 优化匹配
基金项目：山东建筑大学博士基金（1224021）；建设部发展计划（939212） 。
0 引言
跨季节蓄热的太阳能技术已相对成熟，但仍然存在着许多问题，在跨季节蓄热的太阳能系统中，存在着集热器和水箱不匹配的问题，造成了能量不能合理有效的得到利用。传统的计算集热器面积与水箱体积的方法是先收集几个月的热量，按照规范提供的容积选择范围来选择集热器的采光面积[1]，为1400~2100L/m2。这种方法会使得蓄热水箱的体积与集热器的面积过度的不匹配，从而导致许多故障。同时会改变水箱内的蓄热状态[2]，在水箱体积过小的情况下，会使得水箱内水温高于 85℃而汽化，严重影响蓄热效果。若水箱体积过大，水温过低，无法满足直供水温的条件，就会增加辅助热源的用量，造成能量的浪费。
国内外有许多学者就集热器面积和水箱体积方面给出了一定的优化。Mo. Chung 等人利用 Trnsys 模拟[3]，研究出了最佳水箱容积、集热器面积和太阳能保证率之间的关系；张时聪、姜益强等人对哈尔滨一栋示范楼做数值模拟[4]，得到了在哈尔滨地区与 100m2的集热器相匹配的地下水池半径推荐值；王选设计了太阳能蓄热供热系统优化设计软件[5]，通过输入相关的条件，从而给出推荐蓄热水箱蓄集热比。他们从不同的角度研究了集热器面积与蓄热体体积之间的关系，对跨季节太阳能蓄热技术的完善有重要的意义。
本文主要研究建筑的供暖面积、集热器面积、蓄热水箱体积之间的具体关系，就寒冷地区济南的气象条件为基础，以济南某小学建筑作为一个结构单元，通过计算比较，给出了集热器面积与蓄热水箱体积之间关系的一种计算方法，避免了由于传统的计算方法造成的集热器面积与水箱体积过度不匹配，而造成的能量浪费。同时，从蓄热水箱的保温层厚度方面出发，给出了三者之间的关系。为集热器面积、蓄热体体积的选择提供了一种方法。
1 系统的组成及工作原理
设计的系统由太阳能集热器、蓄热装置、辅助热源、末端等几部分组成。工作原理为在非供暖季，建筑不需供热，集热器只需把太阳能收集起来，储存在蓄热装置中；在供暖季，太阳能集热器一方面收集太阳能供给建筑，同时，将蓄热装置中的热量也供给建筑。若此时还不能满足建筑的热负荷，就需要借助辅助热源来满足建筑的供暖需求。图1是跨季节太阳能供暖系统的工作流程图。
图1 跨季节太阳能供暖系统运行的工作流程图
2 热负荷、集热器面积、蓄热体体积三者的关系
2.1 热负荷分析
建筑热负荷的消耗与建筑的围护结构、当地的气候条件有密切关系。济南地区属于寒冷地区，冬季的供暖期为120天，即11月15号至3月15号。根据《供暖通风设计手册》济南地区小学建筑的采暖热指标为58W/m2。
本设计通过利用标准建筑模型来分析跨季节太阳能系统的集热器面积和蓄热体体积之间的匹配关系和系统的经济性，下面选取标准建筑进行热负荷的估算。以建筑面积为500m2的建筑为标准单元结构，分别选定采暖面积为1000m2、1500m2、2000m2、2500m2、3000m2的建筑为研究对象，分析跨季节太阳能供暖系统在对不同供暖面积下，最佳蓄热体积与集热器面积之间数量关系。不同供暖面积下的建筑冬季供暖所需总的热量如下表1所示。
表1 不同面积的建筑冬季供暖所需总热量
2.2 蓄热体体积的设计计算
跨季节太阳能蓄热系统根据蓄热介质可分为显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热。在实际工程中，应用最多还是显热蓄热。显热蓄热分为四种：热水蓄热、砾石–水蓄热、埋管蓄热、含水层蓄热[6]。选择哪种蓄热方式，应该因地制宜，根据当地的气候条件，系统形式等因素来决定。在这四种蓄热方式中，用的较多的蓄热介质是水、土壤、砂砾。由于水资源的匮乏和初投资比较大等问题，所以蓄热介质中最常用的是土壤和砂砾。
根据济南地区的实际情况，选择土壤和砾石的混合介质作为本系统的蓄热介质（土壤具有传热、隔热、储热的功能，是良好的传热材料和储热材料）。该蓄热体的热容量约为水的0.65倍，（每立方米蓄热介质的热容量为2800kJ/m3℃）[7]。蓄热体的温度范围为15℃~65℃。若采暖季所需总热量全部由蓄热装置提供，则不同供暖面积所需蓄热介质总体积（暂不考虑蓄热体的蓄热损失），详见表2。
表2 提供全部热量时蓄热体总体积
在冬季供暖期，建筑供暖所需热负荷大部分由太阳能集热器直接供给，只有不足部分的热量由蓄热体提供，所以蓄热体的体积可以进一步得到优化。
2.3 集热器面积的设计计算
集热器是系统的主要热源，不仅在供暖季直接给建筑供热，而且在非供暖季，向蓄热体提供热量，合理的计算集热器面积对整个系统是至关重要的。
济南地区属于太阳能丰富的三类地区，该小学在夏季最炎热时期放两个月的暑假，而冬季的寒假时间则比较短，显而易见，供暖时间远大于供冷时间，可以将夏季多余的热量存储起来以供冬季使用，所以采用跨季节蓄热的太阳能系统是正确的选择。
根据济南地区典型气象年的数据可以得到倾角等于当地纬度倾斜面上的太阳辐射的月总辐射量（图2根据国家气象中心气象信息中心气象资料室提供的数据资料绘制）。
图2 济南地区纬度倾斜面上的太阳辐射的月总辐射量
在4至10月份为非采暖季，太阳的月总辐射量500MJ/m2以上，而在采暖季的11月至3月，太阳的月总辐射量约为264.41MJ/m2。此系统主要是将非采暖季的太阳辐射量通过蓄热体蓄存起来。在采暖季，太阳辐射不能满足采暖需求时，可将蓄热体中的热量加以利用。
11月至3月的太阳能月总辐射量为1322.04MJ/m2，4月至10月的太阳能月总辐射量为3525.28MJ/m2。在不考虑系统热损失的情况下，假定太阳能集热器的集热效率为50%，根据建筑的总需热量得出不同采暖面积下的太阳能集热器的面积，如下表3。
表3 太阳能集热器的面积
根据以上数据分析，建筑的采暖面积、蓄热体体积、集热器的面积之间关系约为4:17:1，这是在不考虑系统的热损失的情况下得出的。但是在实际的工程中，要考虑到的内容要比这复杂的多。不仅要考虑到管道热损失，还要考虑蓄热体的保温层厚度，蓄热体的保温层厚度不同也会直接影响到蓄热体体积和集热器的面积的变化。
3 保温层厚度的选择
蓄热体周围要做保温措施，合理的保温措施会减少热量的损失，保证系统的高效性。保温措施包括保温材料的选择、厚度的选择。这里重点介绍在不同的保温层厚度下，热负荷、集热器面积、蓄热体体积之间的关系。本实验选择的保温材料为建筑保温材料岩棉板，岩棉板的导热系数为0.036W/(m·℃)，蓄热体内部的平均温度为40℃，蓄热体外表面土壤的平均温度为15℃[7]。保温层的厚度选择为50mm、100mm、200mm，相对应的50mm厚的保温材料单位面积上的热损失为18W/m2，100mm厚的保温材料单位面积上的热损失为9W/m2，而200mm厚的保温材料单位面积上的热损失为4.6W/m2。
3.1 保温层的厚度为50mm
假设采暖期总的供热量为Q，集热器的集热面积为A，蓄热体的长宽高均为b，根据前面的分析可得出，采暖期总的供热量等于采暖季集热器的直接供热量乘以集热器的面积与蓄热体单位体积的蓄热量乘以蓄热体体积的和：
Q =661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
集热器在非采暖季蓄存的热量等于蓄热体在非采暖季蓄存的热量和蓄热体的全年热损失之和：
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+3405.9MJ/m2·b2
661.02MJ/m2为集热器在供暖季单位面积上的吸热量；140MJ/m3为蓄热体单位体积上的蓄热量；1762.64MJ/m2为集热器在非供暖季单位面积上的吸热量；3405.9MJ/m2为保温层厚度为50mm的全年热损失之和（蓄热体的热损失只跟蓄热体的外表面积有关）。
根据上述两式，可以得出不同采暖面积下，热负荷、蓄热体体积、集热器面积之间的关系。（考虑到管道的热损失，可以将集热气的面积附加5%）如下表4所示。
表4 跨季节太阳能蓄热系统评价
根据上表分析可得，蓄热体的热损失比较大，损失的热量约为蓄热量的二倍，为了较少系统的热损失，就需要增加保温层的厚度。同时，我们也可以得出，采暖面积、蓄热体体积、集热器面积之间的关系约为2:4:1。详见图3。
由所得的建筑采暖面积、集热器面积、蓄热体体积的各对应数值，将三者进行拟合，如图3所示，得到采暖面积与蓄热体体积之间的拟合曲线为：
Y=-3×10-0.7×x2+2.0225x-1.2
采暖面积与集热器面积之间的拟合曲线为：
Z=3×10-0.7×x2+0.5043x+1.6
有这两条拟合曲线，可以求出当保温层厚度为50mm时，其他面积下各自对应的集热器面积、蓄热体体积。
3.2 保温层厚度为100mm
当保温层的厚度为100mm时，前述的两个公式改为：
G=661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+1778.16MJ/m2·b2
根据这两个公式，可以得出不同供暖面积下的蓄热体体积、集热器面积。如下表5所示。
表5 跨季节太阳能蓄热系统评价
从图表中可以计算出，当保温层的厚度为100mm时，蓄热体的全年热损失约等于蓄热体在非供暖季蓄存的热量，相比于保温层的厚度为50mm时，蓄热体的热损失和集热器面积都减少了，而蓄热体体积增大了，提高了蓄热系统的热效率。详见图4。
当保温层厚度为100mm时，由不同的采暖面积，得到三者之间的拟合曲线图，见图4，采暖面积与蓄热体体积之间的拟合曲线为：
Y=3×10-0.7×x2+2.4695x+0.2
采暖面积与集热器面积之间的拟合曲线为：
Z=-1×10-0.6×x2+0.4098x-2.8
有这两条拟合曲线，可以求出当保温层厚度为100mm时，其他面积下各自对应的集热器面积、蓄热体体积。
3.3 保温层厚度为200mm
当保温层的厚度为200mm时，相对应的公式改为：
G=661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+876.33MJ/m2·b2
由上述两式可以得出不同采暖面积下的集热器面积的值，如下表6所示。
表6 跨季节太阳能蓄热系统评价
从图表中可以看出，当保温层的厚度为200mm时，会使得蓄热体的热损失进一步减少，相应的集热器面积也减少，但是蓄热体的体积会继续增大。若保温层厚度过大，会使得系统的初投资大大增加，综合考虑，保温层的厚度不宜过大。根据实际情况选择合适的保温层厚度，不仅可以减少系统的热损失，而且会使得初投资比较小，增加系统整体的效益性。详见图5。
图5 保温层200mm时采暖面积、蓄热体体积、集热器面积之间的拟合曲线
当保温层厚度为200mm时，由不同的采暖面积，得到三者之间的拟合曲线图，见图5，采暖面积与蓄热体体积之间的拟合曲线为：
Y=6×10-0.7×x2+2.7733x+2
采暖面积与集热器面积之间的拟合曲线为：
Z=-1×10-0.6×x2+0.3418x-2.8
有这两条拟合曲线，可以求出当保温层厚度为200mm时，其他面积下各自对应的集热器面积、蓄热体体积。
4 结论
通过以上对跨季节太阳能蓄热系统的供暖面积、热负荷、蓄热体体积、集热器面积的计算分析可得如下结论：
（1）在太阳能比较丰富的地区，如济南地区，非供暖季的太阳能月总辐射量为3525.28MJ/m2，若不能充分利用，则会被浪费。将非供暖季的太阳能热量通过集热器、蓄热体等装置得到充分的利用，来满足冬季供热量的不足，这既有经济效益，又具有一定的环保效益。
（2）根据当地的实际状况来选择合适的保温层厚度，在不同的保温层厚度下，相同的供暖面积对应不同的集热器面积，蓄热体体积。同时，在保温层厚度为50mm、100mm、200mm时，分别对应的热损失为3405.9MJ/m2、1778.16MJ/m2、876.33MJ/m2。蓄热体的热损失不同，会直接影响到系统的整体经济性。
（3）通过给出保温层厚度为50mm、100mm、200mm下供暖面积、集热器面积、蓄热体体积三者之间拟合曲线图，在相应的保温层厚度下，不仅可以合理的匹配三者之间的数量关系，而且也给在其他的保温层厚度下，匹配三者之间的关系，提供了一种方法。
参考文献
[1] 刘美杉,李祥立等.跨季节蓄热太阳能集中供热工程与优化综述[J].建筑热能通风空调,2015,34(6):26–30.
[2] 王磊, 袁磊, 朱长鸣, 等. 主动式太阳能供暖系统全过程调试必要性研究[J]. 暖通空调,2012,42(2):53–5606.
[3] Mo Chung, Jun-Un Park,Hyung-Kee Yoon. Simulation of a centr-al solar heating system with seasonal storage in Korea [J]. Solar Energy, 1998,64: 163–178.
[4] 张时聪, 姜益强, 姚杨. 太阳能季节性地下水池蓄热供热系统的模拟研究[J]. 太阳能学报,2008,(1): 40–45.
[5] 王选. 太阳能热水蓄热采暖系统优化设计研究[D]. 北京: 中国建筑科学研究院, 2010.
[6] 韩旭, 卢铁江等.跨季节蓄热太阳能供暖系统的技术进展[J]，制冷与空调，2012.26(3):288–233.
[7] 常立存.跨季节太阳能供暖系统设计，西安建筑科技大学，2013.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
