弹性供暖下2种太阳能供暖系统保证率对比研究*

中国建筑西北设计研究院有限公司 许安琪 杨春方 周 敏陕西昊晨伟业建设工程有限公司 段广胜

0 引言

常规能源过去是人类舒适生活的必需品，但其数量的减少及价格的上涨迫使各国政府探索新的能源。太阳能作为取之不尽的清洁可再生能源，被欧洲光伏产业协会(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)认为是未来世界能源发展的方向[1]。

太阳能热水作为一种成熟的可再生能源技术，已经在世界上许多国家得到应用[2]。由于太阳能具有间歇性、随机性等特点，如何提高太阳能系统的效率，是当前研究的焦点问题[3]。目前有大量学者对太阳能集热器[4]、换热系统[5]等进行了研究。这些研究几乎都是在恒定的供暖温度下进行的，未考虑供暖热舒适性。

保证人体热舒适是建筑供暖的初衷，近些年不少学者开始研究睡眠热舒适。张腾对严寒地区农村冬季睡眠环境热舒适进行了研究，认为睡眠温度在13.4 ℃时受试者的睡眠质量最佳[6]。宋聪研究认为，冬季睡眠状态下被褥微气候对人体的热舒适性存在影响，在满足人体热舒适性的条件下，所需室内温度在睡眠状态的高限值较清醒活动状态的低限值降低5 ℃[7]。Liu等人对西北地区农村居民冬季室内不同供暖需求的研究表明，在23:00至次日05:00时段有90%以上的居民处于睡眠阶段，且睡眠状态的舒适温度范围比活动状态低5 ℃[8]。

基于众多学者对人体热舒适的研究，本文以地板辐射供暖与低温强制对流散热器供暖为研究对象，通过控制白天与夜间的供暖温度，分析太阳能保证率。该研究对建筑节能和太阳能供热的进一步推广将产生积极影响。

1 研究方法

1.1 研究对象

研究对象位于内蒙古鄂尔多斯市，坐标为东经109.80°、北纬39.62°。该地区太阳能资源较丰富，年均日照时间为3 008.9 h/a，年均太阳辐照量为5 929 MJ/(m2·a)，年均气温为5.3～8.7 ℃。

本研究搭建了集装箱式太阳能实验房，该实验房有效面积为12 m2，实际高度为2.4 m。外墙敷设了厚度为75 mm的钢板保温芯(玻璃丝绵)板材，同时搭建了太阳能地板辐射供暖系统与低温强制对流散热器供暖系统，围护结构热工性能参数见表1。此外，选用了2组热管式真空管型太阳能集热器(总采光面积为8 m2)，配套设置了容积为1 m3的蓄热水箱，辅助热源为额定功率4 kW的电锅炉。

表1 围护结构热工性能参数

1.2 实验方案

测试在2018年12月26日至2019年1月17日完成，测试参数包括太阳辐照度、室内外温湿度、水箱温度、集热器温度、2种供暖末端的供回水温度和流量。数据采集间隔为5 min，测试仪器和技术参数见表2，实验房供暖系统原理图见图1。

表2 测试仪器和技术参数

1.集热器；2.温度传感器；3.热继电器；4.辅助电锅炉；5.膨胀罐；6.蓄热水箱；7.控制单元；8.实验房。图1 实验房供暖系统原理图

测试工况包括4种：工况1，控制全天房间温度为20 ℃的地板辐射供暖；工况2，控制白天室内温度为20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)温度为15 ℃的地板辐射供暖；工况3，控制全天房间温度为20 ℃的低温强制对流散热器供暖；工况4，控制白天室内温度为20 ℃、晚上(23:00至次日05:00)温度为15℃的低温强制对流散热器供暖。

2 运行效果比较

2.1 4种工况下的测试结果分析

根据室外气象参数，筛选出4种工况下的典型日(全天24 h)进行分析。4种工况下的大气温度、太阳辐照度、房间温度、太阳能集热器出水口温度、蓄热水箱温度、电锅炉运行时长如图2所示。

图2 4种工况下的系统运行参数

由于测试条件有限，不同工况选取的典型日的气象参数有一定的差异，如图2a、b所示。房间温度由自控装置控制，4种工况在白天都存在一定的温度波动，见图2c。工况2和工况4夜间的温度比白天低5 ℃。对于工况2，在23:00—24:00期间停止供暖，当房间温度降到15 ℃以下时，蓄热水箱开始供热。对于工况4，在23:00—23:40期间停止供暖，随后蓄热水箱开始工作。4种工况的太阳能集热器温度相差较大，其全天平均温度分别为20.6、18.1、23.0、22.0 ℃，如图2d所示。从图2e、f可以看出，对于地板辐射供暖系统，工况1在22:30时，蓄热水箱温度已不能保证，电锅炉开始工作。而调整夜间温度后，恰好可以保证蓄热水箱在温度降低后可以继续出力一段时间。从图2d可以看出，尽管工况2集热器平均温度比工况1低2.5 ℃，但其蓄热水箱一直持续工作到次日04:30才需要开启电锅炉辅助供暖，电锅炉的运行时间缩短至工况1的1/2。对于低温强制对流散热器供暖，工况3蓄热水箱持续工作到次日05:30才需要开启电锅炉辅助供暖。在调整夜间供暖温度后，尽管工况4的集热器平均温度比工况3低1 ℃，由于蓄热水箱温度要求降低，系统持续到07:40才需要开启电锅炉辅助供暖，且电锅炉的运行时间缩短至工况3的63%。从能量守恒的角度来看，夜间降低5 ℃带来的热损失减小量等于电锅炉的节能量。由于建筑总热需求减小，而太阳能的供热量不变，从而间接提高了太阳能保证率。

太阳能集热器系统和电锅炉提供的有效热量见表3。根据式(1)计算得到4种工况下的太阳能保证率。可以看出，低温强制对流散热器供暖工况下的太阳能保证率比地板辐射高14%左右。而夜间降低房间温度后，地板辐射供暖的太阳能保证率提高16.7%，低温强制对流散热器供暖的太阳能保证率提高13.8%。

表3 4种工况的太阳能保证率

(1)

式中f为太阳能保证率；A为集热器面积，m2；q为平均太阳辐照度，W/m2；η为集热器集热效率；β为管路及蓄热水箱热损失率；K为墙体传热系数，W/(m2·℃)；F为围护结构面积，m2；t0为房间设定供暖温度，℃；t为室外温度，℃；Q1为太阳能集热器系统供热量，kJ；Q2为电锅炉供热量，kJ。

考虑到4种工况的大气温度与太阳辐照度存在差异，本文对以上测试数据进行修正。从式(1)中可以看出，影响f的变量主要是t与q，采用式M=q/(t0-t)可以反映2个变量对f的影响。修正结果见表4，可以看出，低温强制对流散热器供暖工况下的太阳能保证率相对地板辐射供暖高7%左右。而夜间降低房间温度后，地板辐射与低温强制对流散热器供暖的太阳能保证率均提高11.5%。

表4 太阳能保证率修正结果

2.2 经济效益分析

对于地板辐射供暖，调整夜间温度后，电锅炉缩短了160 min的运行时间。对于低温强制对流散热器供暖，电锅炉缩短了60 min的运行时间。若考虑表4中的修正系数，则2种方式的电锅炉运行时间分别缩短127、65 min。假设典型日的运行状况为供暖季的平均水平，居民电价按0.5元/(kW·h)计算，则地板辐射供暖与低温强制对流散热器供暖分别节省用电1 016、520 kW·h，分别减少运行费用508、260元。

3 结论

1) 低温强制对流散热器供暖工况下的太阳能保证率相对地板辐射高7%左右。

2) 夜间降低房间温度后，地板辐射与低温强制对流散热器供暖的太阳能保证率均提高11.5%。

3) 假设典型日的运行状况为供暖季的平均水平，地板辐射供暖与低温强制对流散热器供暖分别节省用电量1 016、520 kW·h，分别减少运行费用508、260元。

单从以上研究结果来看，弹性供暖下2种末端供暖方式的太阳能保证率均提高10%以上，地板辐射供暖提高效果更明显。但是对于不同的运行状况或者改变围护结构参数情况下，2种供热系统的运行效果如何？需要进一步实测研究。