楊忠國(guó) 王兆宇+ 葛冠男
摘 要 隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的不斷加大,農(nóng)民生活水平顯著提升,生活用能不斷增加,能源商品化特征顯著,對(duì)農(nóng)村住宅太陽(yáng)能供熱技術(shù)的研究有助于利用我國(guó)寒冷地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源?;诖耍x用平板集熱器,在TRNSYS平臺(tái)下,以太陽(yáng)能蓄熱和熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)兩種形式下無(wú)太陽(yáng)能對(duì)住宅的供暖效果進(jìn)行比較研究,得出我國(guó)寒冷農(nóng)村地區(qū)更適宜推廣利用太陽(yáng)能集熱蓄熱系統(tǒng)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能供熱;太陽(yáng)能蓄熱;空氣源熱泵
中圖分類號(hào):TU18;TU833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1673-890X(2015)18--02
我國(guó)幅員遼闊,太陽(yáng)能資源極為豐富。尤其是位于北緯30~40°的寒冷地區(qū),更是擁有相當(dāng)豐富的太陽(yáng)能資源,具備推廣利用太陽(yáng)能供熱技術(shù)的自然優(yōu)勢(shì)。我國(guó)寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)溫度普遍較低,夜間更會(huì)低至0 ℃以下,為法定供暖地區(qū)。但是農(nóng)村地區(qū)居住分散,多為單戶式住宅,難以集中供暖。加之農(nóng)村供暖設(shè)備簡(jiǎn)陋落后,供熱效率低,會(huì)在很大程度上浪費(fèi)能源、污染環(huán)境。這種情況下,迫切需要引用新型的供暖用能方式以改善寒冷地區(qū)農(nóng)民采暖條件。太陽(yáng)能供暖作為新型自然的供能方式,非常適宜寒冷地區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅建設(shè),有利于解決農(nóng)村住宅能耗問(wèn)題,改善寒冷地區(qū)住宅室內(nèi)舒適度。但是對(duì)于寒冷地區(qū)而言,何種太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)是最適宜、最有效、最經(jīng)濟(jì)的是現(xiàn)階段農(nóng)村住宅太陽(yáng)能供熱研究的重要內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能蓄熱供熱系統(tǒng)及空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的對(duì)比研究,探究最適宜寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的太陽(yáng)能供熱技術(shù)。
1 單戶式農(nóng)村住宅能耗分析
我國(guó)農(nóng)村住宅基本上為單戶式住宅,此類住宅體量小、耗能低,可控性強(qiáng),空余空間大,這些都為太陽(yáng)能供熱技術(shù)的運(yùn)用提供了便利。現(xiàn)如今,農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高,農(nóng)村能源使用步入商品化進(jìn)程,尤其是我國(guó)寒冷地區(qū)農(nóng)村,每年在采暖上都會(huì)耗費(fèi)大量能源,加劇了能源資源負(fù)擔(dān)。單戶式農(nóng)村住宅的分散性、緊湊性、住宅內(nèi)居民用熱總量的有限性及住宅周圍空閑空間多等特征與太陽(yáng)能分布廣、密度低、獲取方便、經(jīng)濟(jì)清潔等特點(diǎn)相適應(yīng),為寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅使用太陽(yáng)能提供了優(yōu)勢(shì)條件。
目前,太陽(yáng)能供熱應(yīng)著力解決的問(wèn)題為:一是熱量補(bǔ)充問(wèn)題,即沒(méi)有太陽(yáng)能時(shí),住宅仍需采暖供熱的問(wèn)題;二是安全性問(wèn)題,即集熱系統(tǒng)冬季面臨凍裂,夏季面臨過(guò)熱的問(wèn)題;三是太陽(yáng)能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于上述問(wèn)題,筆者選用平板型集熱器作為太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱部件,防止出現(xiàn)冬季凍裂、夏季過(guò)熱問(wèn)題,分別研究蓄熱和熱泵兩種供熱系統(tǒng)的夜間供熱效果。同時(shí),以TRNSYS平臺(tái)為依托建立的蓄熱與熱泵兩種系統(tǒng)作為研究模型,系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下:一是供熱季供熱,非供熱季供應(yīng)熱水,室內(nèi)自然通風(fēng);二是集熱系統(tǒng)一樣;三是各地區(qū)供熱、供水時(shí)間段一致;四是蓄熱系統(tǒng)以卵石床為介質(zhì),白天在平板集熱器作用下,熱空氣先由蓄熱床蓄熱,而后進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行供暖,夜間從蓄熱床取熱;五是空氣源熱泵僅用于供熱季夜晚,白天由太陽(yáng)能供熱;六是不用輔助熱源,不控室溫。兩種系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1所示。
2 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅太陽(yáng)能供熱技術(shù)對(duì)比研究
農(nóng)村分散式、低密度的住宅不宜進(jìn)行集中供暖,作為可再生能源的太陽(yáng)能以其經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為寒冷地區(qū)農(nóng)村保溫節(jié)能的重要資源。筆者認(rèn)為,應(yīng)竭力從環(huán)境中取熱,以提升室內(nèi)環(huán)境溫度,而上文所說(shuō)的太陽(yáng)能蓄熱和熱泵兩種系統(tǒng),無(wú)需輔助熱源,無(wú)需控溫,正契合這一要求。當(dāng)前主要的環(huán)境熱源有太陽(yáng)能和熱泵(空氣、水、土壤),筆者構(gòu)建太陽(yáng)能與蓄熱設(shè)備結(jié)合的系統(tǒng)研究通過(guò)太陽(yáng)能改善室溫的效果,構(gòu)建太陽(yáng)能與熱泵結(jié)合的系統(tǒng),研究夜間供熱效果,并進(jìn)行比較研究。
根據(jù)我國(guó)建筑氣候區(qū)劃圖和太陽(yáng)能資源分布圖,選取寒冷地區(qū)北京、拉薩、呼和浩特、阿勒泰作為代表城市,研究普通住宅保溫隔熱下的自然通風(fēng)、太陽(yáng)能蓄熱、太陽(yáng)能空氣源熱泵3種狀況下的室內(nèi)溫度情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不管是拉薩、北京,還是呼和浩特、阿勒泰,在使用蓄熱和熱泵系統(tǒng)后,其住宅室內(nèi)溫度都明顯上升與改善,相較于不供暖,室內(nèi)溫度均上升6~8 ℃。由于熱泵具有較為穩(wěn)定的制熱工況,空氣出口溫度要高于由蓄熱體換出的空氣溫度,同時(shí),白天的蓄熱量要少于夜間熱泵制熱量。另外,由于傍晚和凌晨,集熱和熱泵系統(tǒng)均由輻熱調(diào)控,有陽(yáng)光時(shí),即啟動(dòng)集熱系統(tǒng),關(guān)閉熱泵系統(tǒng)。屆時(shí),室外輻射量和溫度都較低,致使集熱系統(tǒng)溫度偏低,主要時(shí)間段為每天的08:00-10:00和19:00-20:00,由此,集熱、熱泵系統(tǒng)全年供熱有著較大幅度的波動(dòng)。
太陽(yáng)能集熱與熱泵進(jìn)行組合供暖時(shí),因兩系統(tǒng)在其運(yùn)行時(shí)間里有著較大的供熱溫度差異,太陽(yáng)能集熱有賴于瞬時(shí)輻射量,而夜晚的熱泵供熱則受制于瞬時(shí)空氣溫度,進(jìn)而使供熱空氣溫度變化大,供熱不穩(wěn)定,舒適度不夠。一般來(lái)說(shuō),夜晚時(shí),熱泵產(chǎn)熱量是蓄熱產(chǎn)熱量的2倍,因此,從供熱量看,熱泵更易在夜間發(fā)揮供熱效用。但是從供熱性能上看,寒冷地區(qū)使用蓄熱系統(tǒng)往往都優(yōu)于熱泵夜間供熱。因此,在選取太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)時(shí),應(yīng)參照當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射量及供熱時(shí)數(shù)進(jìn)行綜合考量。例如,在陽(yáng)光充沛的呼和浩特和拉薩等地,使用蓄熱系統(tǒng)就優(yōu)于熱泵系統(tǒng)。
3 結(jié)論
寒冷農(nóng)村地區(qū)使用太陽(yáng)能供熱系統(tǒng),應(yīng)在合理有效利用環(huán)境能源的基礎(chǔ)上,選取適宜的供熱系統(tǒng),通過(guò)上述對(duì)太陽(yáng)能蓄熱和太陽(yáng)能熱泵兩類供熱系統(tǒng)的分析對(duì)比得出以下結(jié)論:第一,在供暖季,太陽(yáng)能空氣源熱泵所供給的室內(nèi)溫度高于太陽(yáng)能集熱蓄熱,室內(nèi)溫度高、效果好,舒適性佳;第二,寒冷地區(qū),集熱蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行系數(shù)高于熱泵系統(tǒng);第三,由于兩類供暖系統(tǒng)在供暖季所供給室內(nèi)的溫度相差較小,都能保證室溫保持在0 ℃以上。因此,基于全年節(jié)能及能源消費(fèi)視角,應(yīng)在我國(guó)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅推廣太陽(yáng)能集熱蓄熱系統(tǒng)為最佳。
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(責(zé)任編輯:劉昀)