严寒地区太阳能水箱蓄热供暖系统设计节能探讨

强龙

【摘要】乌鲁木齐地区地属中国新疆，位于中国严寒气候区，冬季采暖期长达6个月，但该地区太阳能资源较为丰富，高达5.4×109～6.2×109J/M2·y，为太阳能热利用提供了有利条件。在太阳能日辐射强度利用价值高的时段，如何选择与当地气候条件真空热管式集热元器件并设计高集热效率的太阳能热水供暖系统，将直接影响太阳能热利用技术的效果。如果充分结合乌鲁木齐冬季供暖的实际情况，加之设计建筑物为如果为低能耗建筑，建筑低温热水辐射采暖系统的单位面积指标为23w/m2，太阳能地板辐射供暖系统，可以有效地利用太阳能，减少降低冬季供暖能耗，减少冬季供暖二氧化碳排放量及其他大气污染。

【关键词】太阳能；供暖；节能

1 太阳能采暖系统

太阳能采暖系统由太阳能集热器（平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器、U型管太阳能集热器、热管太阳能集热器）、蓄热水箱、连接管道、控制系统、换热器、一次侧防冻液等辅材构成。是指将分散的太阳能通过集热器，把太阳能转换成45℃热水，将热水储存在水箱内，然后通過热水输送到发热末端地板辐射采暖，提供建筑供热的需求。本设计中太阳能采暖系统只用于低温地板辐射采暖。太阳能集热系统（燃气锅炉辅助热源），作为整个系统的重要热源，主要由热管式真空管集热器、水泵、阀门、高位水箱、管路、测温装置以及板式换热器构成。设计中热管式真空管太阳能集热器，位于建筑物房顶，朝向为南向倾斜角度为乌鲁木齐当地纬度角43°47′，通过防冻液吸收太阳辐射热来加热贮热水箱供暖用水，当一天中太阳辐射为零时向房间热水辐射采暖系统供暖。

2 蓄热水箱容积计算

本设计中太阳能蓄热所采用的贮热水箱不锈钢保温水箱，保温层厚度为10cmEPS保温，外加铝箔反射膜，提高蓄热水箱的保温效果。

本设计采用乙二醇防冻液强制循环间接加热太阳能系统（承压）。太阳能集热器所产热水当做热媒白天储存于楼顶贮热水箱内。

太阳能集热系统选用热管式真空管型太阳能集热器，屋顶可放置集热面积85 。本工程选用QR-102×2000型热管式真空管型太阳能集热器。单组面积为4.40 ，采光面积3.21 。真空管规格：102×2000，真空管根数16根。集热器水容量2kg，集热器自重110kg。集热器运行重量112kg，集热效率约为45%。

根据楼顶布置太阳能集热器面积来选择系统所需贮热水箱的容积。

选取10月15号至12月15号实验数据进行计算分析，在此期间室外气象参数：集热器倾斜面所接受的平均辐射值为1166W/m2，室外平均温度为-3.5℃。考虑方案设计的可行性，本设计中选用太阳能瞬时辐射平均值进行计算。根据相关实验数据查得太阳能集热器平均集热效率约为45%，另由《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495-2009）附录B查得乌鲁木齐年平均每日的日照小时数为7.3h。则可得在不考虑天气影响和热损失影响的前提下楼顶太阳能集热器一天所蓄热量： J （2-1）

式中 ——太阳能集热器倾斜面所接受的瞬时太阳辐射，w/m2；

——太阳能集热器面积，m2；

——年平均每日的日照小时数，h；

——太阳能集热器平均集热效率，%。

代入数值可得：

本设计中，太阳能集热器所蓄热量用于低温热水地板辐射采暖系统，经前面介绍，低温热水地板辐射采暖系统的供回水温度为45℃/35℃，供回水温差 ℃，则可由此计算贮热水箱容积。 （2-2）

式中 ——太阳能集热器一天所蓄热量，MJ；

——水的定压比热，KJ/（kg.℃），取4.18 KJ/（kg.℃）；

——供回水温差，℃。

代入数值可得： 因此本设计中所选用外形尺寸为4000×3000×2500mm，有效水深为2.8m。贮热水箱的有效容积为28

3 太阳能采暖系统热交换器选型计算

查《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495-2009）附录E得太阳能采暖间接系统热交换器换热面积可按下式计算：

（3-1）

式中 ——贮热水箱到热交换器的管路热损失率，一般可取0.02～0.05；

——热交换器换热量，kw；

——结垢影响系数，取0.6～0.8；

——热交换器传热系数，kw/（ .℃），本设计中所选取换热器取4.0 kw/（ .℃）；

——传热温差，宜取5～10℃。

热交换器换热量可按下式计算：

kw （3-2）

式中 ——太阳辐照度时变系数，取1.5～1.8；

——太阳能保证率，查《太阳能供热采暖工程技术规范》附录B，取10%～30%；

——太阳能供热采暖系统负担的采暖季平均日供热量，KJ；

——当地的年平均每日的日照小时数，h，乌鲁木齐地区取7.3。

本设计中，经前面计算太阳能供热采暖系统负担的采暖季平均日供热量 ，则可得热交换器换热量：

热交换器换热面积：

根据计算所得热交换器换热面积，查取板式换热器选型手册，最终可选板式换热器DN20不锈钢管，长度为296m。在水箱内5层，每层60米，15折回。

4 太阳能采暖系统可供热时数计算结论

本设计中，太阳能采暖系统所采用的运行模式为：

a. 清晨太阳未升起时，太阳能采暖系统停止运行，低温热水地板辐射采暖负荷由低温锅炉承担；

b. 太阳升起后，太阳辐射可以利用时，太阳能集热系统启动，将热量储存在楼顶贮热水箱中，低温热水地板辐射采暖负荷仍由低温锅炉承担；

c. 傍晚太阳辐射不能再利用时，太阳能采暖系统启动，建筑物低温热水地板辐射采暖热负荷由白天太阳能集热器所储存热量承担，即由贮热水箱经过换热承担，此时低温锅炉停止运行。

d. 当贮热水箱所蓄热量不足以承担低温热水地板辐射采暖负荷时，整个太阳能采暖系统停止运行，低温锅炉重新启动。

根据以上运行模式，需计算出每天太阳能采暖系统可供热时数。已知，太阳能集热器每天所蓄热量为1172MJ，建筑物低温热水地板辐射采暖总热负荷为120135W，由此可计算得出太阳能采暖系统每天的可供热时数： ，如果以全天24小时供暖，太阳能采暖系统的节能率为11.25%。