严寒地区典型村镇住宅的太阳能供热采暖系统设计
西安建筑科技大学 邓带丽 李安桂
0 引 言
村镇太阳能的有效利用方式与气候区及建筑形式密切相关。我国太阳能资源丰富,年平均太阳辐射在3340~8400MJ/m2,年日照时数超过2200h的地区约占全国国土面积的2/3以上[1]。同时我国疆域广阔,气候多样,因地域、气候和生活方式不同而异彩纷呈的多种建筑形式。本文以太阳能资源区划指标Ⅲ类(太阳辐照量4200~5400MJ/(m2·a) [8],属严寒气候区的辽宁省沈阳市东陵区朝鲜族的典型住宅为例,对其进行供热采暖系统设计。
1 典型建筑的基本概况
沈阳市东陵区处于我国东北地区,月平均最低气温达-12℃,属严寒区,采暖期长达151天,采暖负荷占整个建筑负荷的60%。沈阳市的太阳能水平面年辐射量在5000-5400 MJ/㎡,年日照时数在2200-3000h,属于Ⅲ类太阳能资源区[8]。
本设计中所选建筑是沈阳市典型的建筑形式[5],如图1-1所示,底层采用传统的布局形式,以满足老年人对传统环境的喜好,为了合理的利用太阳能将主要功能房间布置于南向,同时考虑充分利用太阳能,加大南向窗面积,以及添加阳光间,作为冬季。在组合形式上,为了节能省地,本建筑取缔了独院式建筑布局形式,选择4-6户相连的组合式布局。本图选择联排式中冬季最不利的一户为例。
由于经济条件的差异辽宁省村镇建筑的结构形式多样,其中砖混结构占主要部分[2],根据《辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则》DB 21/1007-1998(采暖部分)规定,建筑维护结构的基本信息如表1-1.
(a)一层平面图 (b) 二层平面图
图1-11 典型住宅
表1-1典型住宅维护结构基本信息[6]
外墙材料层
|
厚度
|
导热系数
|
热阻
|
总传热系数W/(㎡、K)
|
(mm)
|
W/(m、K)
|
(㎡、K)/W
|
0.49
|
|
白灰砂浆
|
20
|
0.81
|
0.02
|
|
承重空心砖墙
|
240
|
0.58
|
0.41
|
|
聚苯板
|
80
|
0.05
|
1.6
|
|
承重空心砖墙
|
120
|
0.58
|
0.21
|
|
水泥砂浆
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
屋顶材料层
|
厚度
|
导热系数
|
热阻
|
总传热系数
|
(mm)
|
W/(m、K)
|
(㎡、K)/W
|
W/(㎡、K)
|
|
防水层
|
10
|
0.17
|
0.06
|
0.44
|
水泥砂浆找平层
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
干炉渣找坡
|
100
|
0.435
|
0.23
|
|
水泥聚苯板
|
80
|
0.081
|
0.99
|
|
加气混凝土条板
|
200
|
0.25
|
0.8
|
|
混合砂浆抹面
|
20
|
0.87
|
0.02
|
|
带玻璃阳台外门双层金属框
|
3.26
|
|||
单框二层玻璃窗
|
3.49
|
|||
双面抹灰24砖墙
|
1.72
|
2 热负荷
2.1 生活热水负荷
根据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003的规定,住宅建筑中当有集中热水供应和沐浴设备时,每人每日最高日用水定额为60~100L[3],农村地区用水相对较少,取小值60L。考虑目前农村家庭总人数为4人,则总热水量为240L/d.
根据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003的规定,热水系统的热水供水温度宜控制在55~60℃为好。温度超过60℃,管道易结垢及腐蚀,温度低于55℃,不易杀死水中的各种细菌。但太阳能集热器在低温状态下的热效率高,其在热水出水温度为45℃时,热效率最高。而对于生活热水使用的水温一般为37-45℃ ,且采用地板辐射的末端散热系统,热水温度一般为35 -55℃ 较合适[1],因此在此选择集热器出水温度时采暖地区为45℃。由于沈阳市农村饮水多取自井水,年平均水温在6-10℃[3],取中值8℃热负荷按式(2.1.1)计算:
(2.1.1)
式中 Qh——设计小时耗热量, J;
m——用水计算单位数,人数或床位数;
qr——热水用水定额,L/人.D或L/床.d等。
C——水的比热,c=4187J/(Kg.℃);
tr——热水温度,一般取tr=60℃ ;
tL——冷水温度,沈阳地区取8℃;
——热水密度,Kg/L。
则日生活热水负荷为37.18MJ,各月热水负荷如表2-1。
表2-1 各月生活热水负荷 单位:MJ
月份
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
生活热水负荷
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
2.2采暖热负荷
为了适应不同经济条件下建筑热舒适性的要求,设计了室内采暖设计温度分别为18℃的标准型和室内设计温度为10℃的基本型两种采暖模式。根据《采暖通风与空气调节设计规范规范》(GB 50019-2003)及《简明供热设计手册》的要求,选取各参数,计算各房间耗热量,以老人居室及儿童间为例其计算值如表2-2,其他房间类同.
表2-2 老人居室、儿童间耗热量计算表
维护结构
|
标准型
|
基本型
|
|||||||||||
老人居室
|
儿童间
|
老人居室
|
儿童间
|
||||||||||
南外墙
|
南外窗
|
南外墙
|
南外门
|
屋顶
|
南外窗
|
南外墙
|
南外窗
|
南外墙
|
南外门
|
屋顶
|
南外窗
|
||
面积 ㎡
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
|
传热系数 W/(㎡、K)
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
|
室内温度 ℃
|
18
|
10
|
|||||||||||
室外温度 ℃
|
-19
|
-19
|
|||||||||||
温差 ℃
|
37
|
29
|
|||||||||||
温差修正系数
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
|
基本耗热量 (w)
|
119.66
|
325.67
|
107.69
|
289.71
|
217.58
|
180.93
|
93.79
|
255.26
|
84.41
|
227.07
|
170.54
|
141.81
|
|
耗热量修正
|
朝向 %
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
风向 %
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
高度附加(%)
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
|
修正后耗热量 (w)
|
95.7
|
260.5
|
86.2
|
231.8
|
217.6
|
144.7
|
75.0
|
204.2
|
67.5
|
181.7
|
170.5
|
113.4
|
|
高度修正
|
0.0
|
2.0
|
0.0
|
2.0
|
|||||||||
维护结构耗热量w
|
95.7
|
260.5
|
87.9
|
236.4
|
221.9
|
147.6
|
75.0
|
204.2
|
68.9
|
185.3
|
173.9
|
115.7
|
|
空气渗透耗热量 w
|
147.8
|
138.3
|
115.8
|
108.4
|
|||||||||
总耗热量 w
|
504.0
|
832.1
|
395.1
|
652.2
|
将各房间的耗热量叠加算出月耗热量,得采暖期月负荷,月负荷如表2-3
表2-3 采暖负荷 单位:MJ
月份
|
11
|
12
|
1
|
2
|
3
|
月平均温度 ℃
|
0.0
|
-8.5
|
-12.0
|
-8.4
|
0.1
|
采暖天数
|
30.0
|
31.0
|
31.0
|
28.0
|
31.0
|
倾斜面月平均日太阳辐射量MJ/(㎡、d)
|
13.9
|
11.4
|
12.165
|
15.9
|
18.3
|
标准型供暖热负荷指标 MJ/㎡
|
25.6
|
37.7
|
42.7
|
37.6
|
25.5
|
标准型供暖热负荷 MJ
|
8828.0
|
13429.9
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
基本型供暖热负荷指标 MJ/㎡
|
15.3
|
21.1
|
33.7
|
28.2
|
15.2
|
基本型供暖热负荷 MJ
|
4706.0
|
6689.5
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
综合表2-1、2-3得月平均总负荷,如表2-4.
表2-4 月平均总负荷
总负荷 MJ
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
生活热水负荷 MJ
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
标准型采暖负荷 MJ
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
基本型采暖负荷 MJ
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
标准型总负荷 MJ
|
16356.7
|
13125.5
|
10224.5
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
基本型总负荷 MJ
|
11851.3
|
9122.7
|
5967.2
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
总负荷 MJ
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
生活热水负荷 MJ
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
标准型采暖负荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
8828
|
13429.9
|
基本型采暖负荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
4706
|
6689.5
|
标准型总负荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
9943.4
|
14582.9
|
基本型总负荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
5821.4
|
7842.5
|
3 太阳能系统设计
3.1 集热器选择
目前我国应用较多的集热器有平板式和真空管式,平板式价格便宜易与建筑结合,维修费用低,但在环境温度低于零度时需考虑防冻。在得热量方面,夏季平板型略高于真空管型,过度季持平,在北方地区的冬季低于真空管,因此平板型的年得热量小于全玻璃真空管集热器[8]。真空管有热管式与玻璃管式,但真空管价格高,由于出水水温高易结垢,影响集热效果。综合考虑以上因素选择玻璃真空管集热器。
3.2集热面积的确定
根据《太阳能供热采暖应用技术手册》的规定,直接式太阳能集热器面积计算式为:
(3.1.1)
式中 Ac——直接系统太阳能集热面积,m2;
Q——热负荷,W ,方案一取年热水平均负荷,方案二取采暖期内平均采暖负荷;
f——太阳能保证率,无量纲,一般在0.30~0.80,沈阳地区短期蓄热系统取10%-30%,,在此取10%;
JT——采暖期内当地集热器总面积上平均日太阳能辐射量, J/m2;
——太阳能集热器设计月平均集热效率,无量纲,经验取值为0.25~0.50,具体数值由实际测定选取,在此选中间值0.37;
——管路、贮热水箱热损失率,无量纲,根据经验取0.20~0.30,取中间值0.25。
间接式太阳能系统集热面积按式(3.1.2)计算:
(3.1.2)
式中 AIn——间接系统太阳能集热总面积,m2;
AC——直接系统集热总面积,m2;
FRUL——集热器总热损失,W/(m2.℃),因集热器类型及制造厂家不同取值而不同,一般平板型集热器取4~6,真空管型取1~2,具体数值由实际测定选取。
Uhx——换热器传热系数,W/(m2.℃);
Ahx——间接系统热交换器换热面积,m2。
虽然在防冻方面间接式具有较大优势,但直接式系统控制简单、维修方便、投资低、集热效率远高于间接式系统,综合考虑上述各方因素在此选直接系统。
(1) 方案一 由2.1计算可知全年热水平均日负荷为37.2MJ,太阳能资源Ⅲ类区热水系统太阳能保证率推荐选用值为40%-50%[7],本方案中取50%。由此计算太阳能集热面积为4.2㎡,取4㎡。
(2) 方案二 舒适型与基本型采暖期内采暖日平均负荷分别为425MJ,269MJ,太阳能资源Ⅲ类区供热采暖采暖系统太阳能保证率推荐选用值为10%-30%[8],取最小值10%。
经计算得直接式集热器面积为11㎡(标准型)、7㎡(基本型)。根据月平均太阳辐射量计算得出11㎡(标准型)、7㎡(基本型)集热面积产热量。见图3-1.
图3-1 太阳能集热面积产热量
从图上可看出:(1)采暖负荷是生活热水负荷近10-20倍。(2)月平均太阳能产热量变化不大。(3)太阳能集热器面积为11㎡,在采暖季的2、3、11月除能提供100%的生活热水负荷外,还能提供近2%的采暖负荷,但在非采暖季节热水大量过剩,在5月份甚至达到生活热水负荷的153%,因此若采用此太阳集热面积为了保证系统的安全需采取,如遮挡1/3以上的太阳能集热面积;7㎡的太阳能集热器面积能满足全年生活热水负荷的83%,其中在3、4、5月份能满足生活热水负荷的95%。
3.3 辅助热源
由于天气的影响,太阳能系统具有很大的不确定性,为了保证系统的可靠性,必须设计辅助热源。辅助热源应根据当地的条件选择,可选择电加热,燃油、燃气,工业余热、热泵或生物质能等。沈阳市秸秆、柴薪丰富,在其生活用能中,生物质能也占总生活用能的60%以上[4],因此优先考虑生物质作为辅助能源。对于经济条件较好,生物质少的家庭也可利用热泵、电或煤炭作为辅助能源。
4 系统经济性分析
根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》的规定,计算得太阳能系统年节能量为:方案一年节能量8420MJ;方案二年节能量14562.7MJ(标准型)/11233.5MJ(基本型),如果取锅炉的效率为80%,则方案一节约标准煤287.3kg,方案二节约标准煤496.9kg/383.3kg。若集热器的使用寿命为15年,则寿命期内方案一可节约标准煤4309.4kg,方案二可节约标准煤7453.3kg/5749.4kg。取沈阳市的电价为0.5元/(KW、h),加热设备效率按95%,则折算的热价为0.15元/MJ,取单位集热器面积为1200元,维修费用取为投资费用的1%,则寿命期内方案一可节省费用17053.1元,方案二可节省费用7187.6元/7591.0元。投资回收年限为:方案一4.6年,方案二8.6年/6.7年。寿命期内CO2减排量分别为:方案一12.1t,方案二20.9t/16.1t。
5 结论
通过以上的计算分析可以得出:
1.方案一与方案二相比(即热水系统比采暖系统),在寿命期内节省的总费用及动态投资回收年限方面,前者更具优势。
2.方案二中,按室内设计温度为18℃的标准型太阳能供热采暖系统与设计温度为10℃的基本型太阳供热采暖系统相比,在寿命期内节省的总投资费用及动态投资回收年限方面,后者更优,且前者在非采暖季节热水大量过剩,需采取防过热措施。
6 致谢
本文为国家“十一五”科技支撑计划重大课题“村镇住宅设备标准化设计技术与软件开发”( 2008BAJ08B07)及国家自然科学基金资助(资助号No.50778145)的部分内容,特此鸣谢。
参考文献
[1] 国家住宅与居住环境工程技术研究中心著.住宅建筑太阳能热水系统整合设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[2] 陈士芹.我国太阳能采暖和供水系统经济性研究与开发[J].科学决策,2008(11):6
[3] 建筑给排水设计规范[S].GB 50015-2003.
[4] 清华大学建筑节能研究中心 著.中国建筑节能年度发展研究报告2009[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[5] 刘军、刘玉军、白芳编。新农村住宅图集精选[M].北京:中国社会出版社,2008.
[6] 辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则[S]. DB 21/1007-1998
[7] 郑瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2006.
[8] 何梓年、朱敦知主编.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京:化学工业大学出版社,2009。