寒冷地区光电互补供暖系统性能分析

刘宇红

[摘    要]当前，我国生态环境遭受的破坏较为严重，而传统燃煤等供暖方式已然不能够满足当前社会发展需求，光电能源得以被开发和应用。在此基础之上，寒冷地区逐渐开始采用光电互补的形式进行供暖系统的设计，本文简要介绍了光电互补系统的设计，并围绕光电互补供暖系统性能展开分析。期望能够为相关从业者提供参考。

[关键词]寒冷地区;光电互补;性能分析

[中图分类号]TM61 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）10–000–03

Performance Analysis of Photoelectric Complementary Heating System in Cold Area

Liu Yu-hong

[Abstract]At present， China's ecological environment is seriously damaged， and traditional heating methods such as coal burning can no longer meet the needs of the current social development， so photoelectric energy can be developed and applied. On this basis， the form of photoelectric complementary heating system is gradually adopted in cold areas to design the heating system. This paper briefly introduces the design of the photoelectric complementary heating system， and analyzes the performance of the photoelectric complementary heating system. It is expected to provide references for relevant practitioners.

[Keywords]Cold region; Photoelectric complementary; Performance analysis

在我國生态环境不断恶化的情况下，国家大力推行可持续发展战略，清洁能源的使用逐渐成为我国供暖系统设计的新方向，在此情况之下，电采暖设计逐渐得以广泛应用，极大地降低了污染排放，符合我国环境保护发展目标。此外，由于寒冷地区对于供暖需求较大，因此太阳能作为常见清洁能源也被应用于供暖系统的设计当中。

1 光电互补供暖系统设计

在光电互补供暖系统当中，包含着多种结构，如太阳能集热器、电锅炉、蓄热水箱等，不同的结构、设备有着不同的设计规范，此外，在进行供暖系统设计的过程中，还需要结合设备的实际特点进行分析。

1.1 太阳能采暖系统选用

太阳能采暖系统的效果受到太阳能集热和末端供暖形式等多种因素的影响，因此，不同的太阳能供暖系统有着不同的特点和优势，在进行太阳能供暖系统选择的时候，需要结合当地实际情况，合理选择相应太阳能采暖系统。例如，严寒地区的低层建筑可以使用空气集热器和液体工质集热器，但是多层建筑就只能选择液体工质集热器;另外，在末端供热方式方面，低层建筑可以选用低温热水地板辐射和热风采暖两种方式，而多层建筑则只能够选择低温热水地板辐射。对于寒冷地区而言，低层和高层建筑可以选用的太阳能集热器与严寒地区相同，但是末端供热方式则都需要选用低温热水地板辐射。而夏热冬冷的地区，无论是低层建筑还是高层建筑，其末端供热方式的选择性都更多。在进行太阳能采暖系统设计的过程中，需要根据当地以及建筑的实际情况选择适用性更强的集热器和供热方式[1]。

1.2 建筑负荷计算

建筑负荷计算是光电互补供暖系统设计过程中的重要步骤，在实际设计的过程中，需要根据建筑的热负荷情况进行设备的选择。通常情况下，常用的热负荷计算方式有以下几种：①动态计算;②静态计算;③计算建筑耗热量指标。其中动态计算主要是通过对模拟软件的使用，结合建筑物相关参数在计算机中建模，同时还需要输入外界气象参数，在DEST、Energyplus等软件的支持下，进行建筑负荷的计算;静态计算就是指通过对建筑物的围护结构进行分析，经过计算分析得到其耗热量、冷风渗透量和建筑产热量;最后可以以相关建筑设计规范和不同地区中建筑物耗热量的指标为依据进行建筑负荷的计算，建筑耗热指标计算方式是获得建筑负荷最简便的方法。

1.3 太阳能侧设计

在光电互补供暖系统设计的过程中，太阳能侧作为整个系统中的重要组成部分，对太阳能集热系统的分析和计算是十分重要的。首先需要对集热器的面积和流量进行计算，由于在我国不同地区的太阳辐射情况不尽相同，因此，为确保太阳能的吸收情况，需要根据实际情况合理选择太阳能保证率，对于不同地区而言，其选用的最佳太阳能保证率各不相同，通常情况下，对于资源十分丰富的区域建议太阳能保证率选在40%～60 %之间，资源较为丰富的地区太阳能保证率选用20%～30 %，资源一般的地区应选用10%～20 %，对于资源较为贫乏的地区则应该选择的太阳能保证在10 %以下。此外，由于不同生产商所提供的集热器存在差异，因此，在确定集热器单位面积流量的时候，需要结合生产商提供的设备参数进行考量。其次，需要结合当地以及建筑工程实际情况合理选择太阳能集热器。再次，集热器阵列以及连接的方式对于太阳能的获取情况也有一定影响。最后，集热器不同的安装角度和方位等对于其集热效果有着较大的影响;此外太阳能集热器都安装在建筑物的顶部，需要考虑一定的安全性，并采取相应的防冻措施[2]。

1.4 电锅炉侧设计

随着我国绿色环保理念的逐步深入，电采暖逐渐成为了供暖系统设计过程中的重要考量类型，市面上也逐渐推出了各种各样的电锅炉。电锅炉主要是通过高压电进行供电，因此普通的电网难以满足电锅炉需求，需要配备专用的变压和配电设备，在使用电锅炉的过程中，是通过对水流量和水位的控制，进而实现对于加热功率的控制的。通常情况下，小型建筑物采用电锅炉方式进行供暖的时候，可以选用普通电阻锅炉就能够满足供热需求，若是供热面积较大，那么则可以酌情选用电极锅炉。

2 光电互补供暖系统性能分析

2.1 设备参数

本文以某北方城市中一幢700 m2的独栋建筑作为案例进行分析，借助相关建筑参数以及计算机软件等，对该建筑光电互补供暖系统进行模拟。其中太阳能集热器面积为120 m2，集热器倾斜角度为45°，玻璃管外径为0.1 m，比例管透射率为0.92，涂层吸收率为0.92，涂层发射率为0.08，循环流量为1.3 kg/s，电锅炉的额定功率为60 kW，热效率为0.95。

2.2 模拟仿真计算

该城市的供暖时间为11月1日，到第二年的3月31日，共计供暖151天。通过对该建筑整个供暖期的实际情况进行仿真，并结合当地采暖期的室外温度变化、太阳能辐射强度以及每个时间段下建筑的热负荷为基础依据。经分析可以发现，在整个供暖期间，该城市的室外温度随着时间的推移不断降低，在一月份的时候，该地气温达到最低范围，最低气温在零下17℃左右，从一月往后，气温逐渐升高。针对太阳能辐射情况进行分析，在该地区供暖过程中，从十一月到一月期间太阳能辐射变化逐渐降低，但是能够维持在一个稳定的范围之内，随着时间的推移，太阳能辐射逐渐变大。而建筑物的热负荷随着外界气温以及太阳辐射强度也在不断发生变化，其变化情况与室外温度变化成反比，是先增大再减小，在一月份气温和太阳辐射都相对较低的情况下，建筑负荷相对较大。

为进一步加强对于光电互补供暖系统性能的分析，本文结合了当地实际情况，主要针对温度极寒天气和过渡期中的典型日的光电互补供暖系统情况展开分析和研究。根据分析可知，由于供暖期间太阳辐射的强度随天气、季节变化，因此集热量也会发生较大变化。

除此之外，相较于太阳能而言，在供暖期间，该建筑的供暖主要依靠的仍然是电锅炉，但是随着太阳辐射强度的不斷提高，太阳能量供给情况逐渐提升，因此在三月的时候，太阳能量供给甚至已经超过了电锅炉。通过对整个供暖时期进行分析和计算，可以发现整个供暖期，由电锅炉提供的热量高达75.46 %。经过对电锅炉运行进行分析，发现在供暖季节中，电锅炉每天运行的时间存在一定差异，其主要表现为外界温度较低的时候，由于建筑对于供暖的需求量增加，因此，电锅炉运行时间会有所延长，随着天气逐渐转暖，太阳辐射逐渐加强，建筑所需的供暖量有所下降，同时太阳供给的能量不断提升，电锅炉运行时间逐渐减少[3]。

2.3 经济性分析

在光电互补供热系统运行的过程中，太阳能不仅是清洁能源，而且其供能的过程中所需要消耗的成本相对较少，但是，在电锅炉运行的过程中，需要高压电进行供能，因此，在系统实际运行的过程中，电锅炉运行的时间越长、其提供的能量越多，整个系统运行的费用也会越高。但是若单纯地考虑电锅炉运行过程中所支付的成本，提高太阳能供热，那么就需要扩大集热器的面积，但是集热器面积的进一步扩大也会增加系统建设的投资，因此，为了进一步确保系统运行的成本及其所提供的能量能够满足建筑供热需求，就需要合理的对系统中各个部件进行合理的设计。针对本案例的实际情况，分别为不同面积情况下集热器的运行情况以及电锅炉的运行情况进行模拟，并经过计算分析提供了费用相对较小的系统运行方案。在进行费用计算的过程中，主要需要进行两部分的分析：①系统建设初期所投资的费用，其主要来源于太阳能集热器、电锅炉等相关设备的费用;②就是在系统运行过程中所支付的费用，电费在其中占有较大比例。以本建筑为例，经计算，系统的设计、安装前期投入的材料费用约为16000元左右，集热器的价格为1200元/m3，电锅炉为400元/m3，蓄热水箱为每1500元/m3，水泵为180元/m3。并针对不同电价情况下的系统运行年费用进行计算，由于电锅炉在运行过程中所需要的电量相对较高，因此不同电价对于系统年费用支出影响较大。经分析可以发现当电价在0.4元/kw·h以下的时候，集热器面积设计在80 m2时，整个系统的费用支出为最低值;当电价在0.4～0.8元/kw·h范围内时，将集热器面积设计在120 m2最佳;当电价高于0.8元/kw·h，需要将集热器的面积设计为160 m2。

2.4 控制策略

在进行光电互补供暖系统的设计时，为进一步确保供暖量满足要求，并且进一步控制供暖成本，需要结合当地电价情况进行讨论。当不存在分时电价的情况下，太阳能部分应该使用温差来进行控制循环，并在夜间期间，为防止太阳能部分受到寒流侵袭，需要采取排空防冻措施。而电锅炉部分则需要进行自动控制，通过设置水箱温度，对电锅炉进行控制，电锅炉的控制策略如图1，本文通过将最低水温设置在40 ℃，当水温低于40 ℃的时候，且太阳能部分集热量不足时，就会自动开启电锅炉进行供暖，以此保障室内温度。

当供暖期间城市存在分时电价的情况，就需要对电锅炉部分进行适当调整，结合分时电价时间，在电价较低的情况下，加强电锅炉运行，使其能够为蓄热水箱进行能量存储，并在电价高峰时期控制好电锅炉运行情况，使用蓄水箱所蓄能量进行供热，以此确保室内温度达到相应标准[4]。

3 结束语

综上所述，在国家大力支持之下，光电互补供暖系统的设计不仅能够有效节约资源，而且能够提高我国寒冷地区的环保水平，通过对光电互补供暖系统的性能进行分析，提出了相应的电价控制策略和最优供热方案。相信随着对光电互补供暖系统的深入研究，我国供暖事业以及环保水平将会得到进一步的发展和进步。

参考文献

[1] 牛彦旭，马原，王媛哲.张家口地区光电互补供暖系统性能研究[J].福建质量管理，2019（9）：267.

[2] 杨捷媛，李金平.寒冷地区冬季热电联供系统性能分析与优化[J].中国农机化学报，2018，39（11）：79-84.

[3] 刘馨，鲁倩男，梁传志，等.严寒地区生态节能实验楼土壤源热泵供暖系统的实例研究[J].建设科技，2019（10）：32-38.

[4] 郭凌云，马超，陈龙.太阳能辅助燃煤发电系统的瞬态特性研究[J].自动化与仪表，2019，34（2）：95-98.