高原太阳能供暖蓄热系统保温及容积设计方法*

王登甲 刘 慧 殷庭强 张睿超 刘艳峰1,

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

西藏高原年平均气温低,冬季供暖期长,供暖需求迫切,但高原太阳能辐射资源丰富[1]。因此,为保护高原脆弱的生态环境,同时满足冬季长时间的供暖需求,西藏高原发展太阳能供暖具有先天优势。

由于太阳能具有周期性波动、辐射不连续等特征,因此,蓄热系统是太阳能供暖系统稳定运行的关键[2]。过大的蓄热容积将导致系统迟滞效应增加,蓄热难且供暖温度提升慢,而过小的蓄热容积又无法满足蓄存周期内的蓄热量要求,因此,迫切需要太阳能供暖蓄热系统的设计指导[3]。现行的标准规范为确定蓄热容积提供了初步设计参考,推荐太阳能短期蓄热的集热蓄热比(即单位集热面积的蓄热容积)为40～300 L/m2、长期蓄热的集热蓄热比大于3 m3/m2[4]。国际能源署供热制冷组织(IEA SHC)建议基于各地区的情况及经济性,对系统部件进行多参数优化来寻求蓄热系统的匹配规模[5]。然而,高原地区气候条件与平原地区差异较大,影响了太阳能系统的集热负荷规律和热损失规律,太阳能蓄热系统设计难以照搬平原地区或国际上的通用技术方法。2021年的数据统计发现,现有的高原地区太阳能供暖示范项目的蓄热系统所采用的集热蓄热比约为0.07～0.67 m3/m2,蓄热选型设计差异较大,缺乏基于高原地区特殊气候的蓄热系统精细化设计方法[6]。

西藏高原地区由于强太阳辐射、大温差及低气压的特殊气候条件,导致蓄热体的散热特性发生变化,进而影响蓄热容积设计,因此亟需寻求适宜于高原地区蓄热系统的设计方法。本研究分析了高原地区太阳能蓄热系统的年热损失规律,并在回收期短于使用年限的情况下得到了蓄热体的保温厚度;计算给出了考虑阴晴天气概率、蓄热周期和不同供暖末端形式的高原太阳能供暖蓄热系统容积的精细化设计范围。

1 太阳能供暖蓄热系统理论分析

太阳能供暖蓄热系统的设计受到太阳能集热量、建筑热负荷、蓄热体热损失及蓄热周期等因素影响。本研究主要对西藏高原7个典型地区的蓄热系统进行详细分析。

1.1 太阳能供暖系统蓄热原理

太阳能供暖系统主要包括集热系统、蓄热系统、辅助热源循环系统及末端循环系统,如图1所示。在不同的蓄热周期条件下,太阳能集热与热负荷所决定的系统蓄热量不同。蓄热温差为蓄热水箱设计温度和供暖供水温度的差值。因此对应不同供暖供水温度的末端形式也将影响蓄热容积。在蓄热容积计算中,蓄热体的热损失规律也不可忽视。蓄热体的热损失是由罐壁与外界环境之间的对流和辐射传热引起的。高原地区的低大气压力、较小空气密度导致对流换热系数与平原地区相比差异较大,长波辐射严重和天空当量温度改变也影响了辐射换热,如图2所示。因此本研究从蓄热损失及蓄热容积两方面进行分析研究。

图1 太阳能供暖系统原理图

图2 高原地区特殊条件的蓄热体热损失原理

1.2 蓄热系统容量设计影响因素

西藏高原地区供暖季太阳能充足,能满足一定的建筑热负荷需求。因此本研究未考虑跨季节蓄热,主要以典型日及连续阴天为蓄热周期来讨论高原太阳能系统的蓄热容积。在蓄热周期内,忽略辅助热源,假定设计太阳能保证率fn为1,则热量平衡如式(1)所示。其中系统的热损失占有效太阳能集热量的比例为ηL,两者的综合热量如式(2)所示。因此以典型日为蓄热周期,对太阳能系统的蓄热量在时间段τ1～τ2(考虑系统损失的有效太阳能集热量大于建筑热负荷的时间段)进行积分[7]。若以连续阴天为蓄热周期,则蓄热量为预先存储的能安全度过连续阴天的需热量,积分时间段为最长连续阴天时长。

(1)

Qu(τ)-Qloss(τ)=AcIθ(τ)ηcd(1-ηL)

(2)

(3)

(4)

集热蓄热比是单位集热面积的蓄热容积,定义为k=Vs/Ac。

当以连续阴天为蓄热周期时,按晴空指数Kt判断天气情况,0

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中H为水平面日总太阳辐射量,MJ/m2;H0为水平面日总天文辐射量,MJ/m2;I0为太阳常数,W/m2,I0=1 367 W/m2;f为日地距离修正系数;φ为当地纬度,rad;δ为赤纬角,rad;ωs为日落时角,rad;n为当前日期在一年中所处的日期序号。

1.3 蓄热体热损失及静态回收期

将蓄热体从上到下划分为N个节点,通过对某时间段蓄热体内所有节点的热损失进行积分得到蓄热体的总热损失Qloss。

(8)

式中AS,i为蓄热体第i个节点的表面积,m2;US,i为蓄热体第i个节点的热损失系数,W/(m2·K);Ttank,i(τ)为当前时刻蓄热体第i个节点的水温,K;Ta(τ)为当前时刻环境温度,K。

蓄热体的保温材料越厚,节能效果越好,那么是否可以无限制地增加保温厚度呢?由于初投资随着保温厚度的增加而增加,因此保温厚度的设计要同时兼顾经济性及节能性。

(9)

式中Pt为静态回收期,a;Wbw为保温初投资,元;Ql0和Qlδ分别为蓄热体不设保温时的年热损失换算成的资金及保温厚度为δ时的年热损失换算成的资金,元/a。

本研究采用蓄热体保温材料的静态回收期作为限制参数,在静态回收期短于使用年限的情况下取最节能的保温厚度,即为推荐采用的保温厚度。

2 高原地区的特殊气候条件

2.1 高原地区蓄热体对流与辐射热损失

西藏高原地区的特殊气候条件从对流换热及长波辐射两方面影响蓄热体的热损失。对流换热方面,低气压导致较低的空气密度[9];辐射换热方面,空气透明度高导致长波辐射较大,影响天空当量温度[10]。

(10)

(11)

式(10)、(11)中ρ为空气密度,kg/m3;pH、p0分别为所在海拔的大气压力和海平面标准大气压力,hPa;R为空气的比气体常数,287.05 J/(kg·K);e为水蒸气分压力,hPa;S为月平均日照百分率。

外壁面的对流换热系数用下式计算,辐射换热系数用天空当量温度Tsky和罐壁温度Tw等效换算[11]。

(12)

(13)

(14)

式(12)～(14)中αC,top、αC,edge分别为顶部和侧壁的对流换热与保温材料导热的综合换热系数,W/(m2·K);λ、λr分别为空气和保温材料的导热系数,W/(m·K);Re为雷诺数,与空气密度成正比;Pr为普朗特数;l为定型尺寸,m;Gr为格拉晓夫数,与空气密度的二次幂成正比;C为辐射系数,W/(m2·K4),取4.7 W/(m2·K4)。

将保温材料导热、外壁面对流换热及长波辐射换热累积可得到各节点的总换热系数。

2.2 供暖期内阴天概率

根据典型年气象参数中日平均温度≤5 ℃的起止日期及当地实际的供暖时间,设定供暖期并计算西藏典型地区供暖期的晴空指数,结果见表1。可以看出：相比平原地区,如北京,西藏地区的供暖季阴天概率较小;拉萨的阴天占供暖季总时长的比例(Kt<0.3)最小;那曲供暖季的阴天占比(Kt<0.3)最大,为11.2%,最长连续阴天时长为3 d。

表1 典型地区供暖期及连续阴天概率

2.3 太阳辐射及建筑热负荷规律

统计归纳典型日、阴天的太阳辐射和热负荷规律(如图3和图4所示),计算蓄热量。典型日的选取原则为：最冷月的某个晴天作为典型日,且当天的平均温度与最冷月月平均温度近似;典型阴天的太阳辐射选择为最冷月的某个阴天的太阳辐射。纬度倾斜面的太阳辐射在13：00—15：00达到最大值,太阳辐射大于0的时长达到11 h。山南、日喀则1月份典型日的总太阳辐射较高,纬度倾斜面的太阳辐射达到26.6 MJ/(m2·d)。

图3 西藏地区不同典型天气下太阳辐射

图4 西藏地区典型建筑逐时热负荷规律

结合西藏地区的典型居住建筑和气候条件,利用负荷模拟软件对当地某建筑面积为485 m2的3层居住建筑进行计算,得到典型建筑的热负荷规律。选取典型日进行分析,如图4所示。建筑热负荷受环境温度影响较大,受太阳辐射影响较小。根据空气温度的变化规律,西藏高原的热负荷约在09：00达到峰值,15：00—17：00达到谷值。其中那曲、阿里的最冷月月平均温度较低,因此其热负荷相应较低。日喀则、林芝和阿里的热负荷波动较大,那曲的热负荷波动较小。

3 蓄热系统容积及热损失计算分析

根据上述高原地区蓄热体热损失影响因素计算蓄热系统的年热损失特性,结合常用保温材料在高原地区的使用寿命和回收期得到蓄热体的推荐保温厚度。并根据晴天和阴天的太阳辐射及热负荷规律,得到推荐蓄热容积。

3.1 蓄热系统年热损失特性及保温厚度

研究在全年蓄热体水温动态变化下的年热损失随保温厚度的变化关系,以拉萨地区采用橡塑保温材料为例,改变集热蓄热比和蓄热容积,利用TRNSYS模拟太阳能供暖蓄热系统典型年蓄热体的单位体积年热损失Qv,结果如图5所示。当保温厚度增加时,单位体积年热损失下降趋势变缓;相同集热蓄热比下,蓄热容积增大时,单位体积表面积减小,导致单位体积年热损失也减小。因此,得到单位体积年热损失Qv与保温厚度、集热蓄热比和蓄热容积的函数关系为

0.004 9Vs+0.012 5 (R2>0.95)

(15)

蓄热体保温厚度增加时,年热损失减少,但初投资增加,以蓄热体不设保温时运行整个典型年得到的热损失为基准,将保温厚度增加带来的初投资除以节省的能耗换算成的资金,得到静态回收期,如图6所示。当蓄热容积为5 000 m3、集热蓄热比为0.5 m3/m2时,在橡塑保温厚度小于等于70 mm的范围内,静态回收期在材料的使用寿命年限内。因此推荐70 mm橡塑保温厚度为静态回收期满足材料使用寿命的最节能的保温厚度。根据上述推荐保温厚度的选择原则,得到不同蓄热容积时常用保温材料的推荐厚度,如表2所示。

图6 不同保温厚度的静态回收期(橡塑保温)

表2 拉萨地区保温材料推荐厚度

3.2 典型日及连续阴天的蓄热容积

典型晴天的蓄热容积主要与太阳辐射及热负荷的波动规律有关。拉萨地区不同供暖供水温度及蓄热水体设定温度条件下的集热蓄热比见图7和图8。设定地暖盘管、风机盘管和散热器的工作温度分别为30～40 ℃、40～60 ℃、50～75 ℃,可得到不同散热末端形式对应的集热蓄热比。从图中可知,蓄热温差越大,所需蓄热容积越小。计算连续阴天所需的蓄热容积时采用了连续最长阴天和多云天时长。因此连续阴天的蓄热容积除了与太阳辐射及热负荷的波动规律有关外,还与热负荷平均值及连续阴天时长有关。其中拉萨的供暖季阴天所占比例小于1%,其连续阴天时长按1 d计算。

图7 拉萨典型日的集热蓄热比

图8 拉萨连续阴天的集热蓄热比

根据高原地区水的低沸点温度及太阳能供暖末端的工作温度,取蓄热温差为10～20 ℃,计算其他典型城市的集热蓄热比并给出推荐范围,如表3所示。以典型日为蓄热周期时,日喀则、山南及拉萨的集热蓄热比较大,而昌都和阿里的集热蓄热比较小。这是因为日喀则、山南及拉萨的太阳辐照度波动幅度和热负荷波动幅度较大,系统所需的蓄热量大,导致蓄热容积较大。

表3 不同蓄热周期的集热蓄热比推荐范围 L/m2

以连续阴天为蓄热周期时,10 ℃的蓄热温差条件下,日喀则和林芝的集热蓄热比较小,分别为205 L/m2和222 L/m2。这是因为林芝和日喀则典型日的热负荷较小,且最长连续阴天时长为1 d,导致度过阴天所需的蓄热量及蓄热容积较小。而那曲和山南的集热蓄热比较大,分别为688 L/m2和900 L/m2。这是因为它们的最长连续阴天时长相比其他地区大。

4 结论

本研究分析计算了高原太阳能供暖蓄热系统保温厚度的推荐取值范围和以典型日及连续阴天为蓄热周期的蓄热容积范围,得出以下结论：

1) 高原地区特殊条件下太阳能蓄热体采用聚氨酯保温综合性能最佳,其次为岩棉,最后为橡塑。基于静态回收期的约束条件得到拉萨地区蓄热容积不大于5 000 m3时,保温厚度推荐取50～70 mm;蓄热容积大于5 000 m3时,保温厚度推荐取70～110 mm。

2) 通过理论分析得到了集热蓄热变化规律。当热负荷相同、太阳辐照度等比例变为原来的m倍时,集热面积变为原来的1/m,蓄热量不变,集热蓄热比变为原来的m倍。当太阳辐照度相同、热负荷等比例变为原来的m倍时,集热面积变为原来的m倍,蓄热量变为原来的m倍,集热蓄热比不变。

3) 蓄热周期越长,所需的集热蓄热比越大。西藏地区典型日的集热蓄热比范围为55～140 L/m2,连续阴天的集热蓄热比范围为100～900 L/m2。