供熱系統(tǒng)中太陽(yáng)能和天然氣結(jié)合使用的研究

李想+侯樹杰

摘要：太陽(yáng)能是一種無(wú)污染的可再生能源，并且可以減少對(duì)常規(guī)能源的消耗，減輕對(duì)環(huán)境的污染。太陽(yáng)能可用來(lái)供暖，但是在太陽(yáng)能較弱的夜晚和冬天光靠它來(lái)滿足用戶的要求就比較困難。因此，作者提出將太陽(yáng)能和天然氣供熱相結(jié)合，建立太陽(yáng)能、天然氣供熱優(yōu)化模型并進(jìn)行研究，以確保加熱效率，降低能源消耗，減輕空氣污染，節(jié)省成本。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；太陽(yáng)能天然氣供熱優(yōu)化模型；燃?xì)?/p>

引言

近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起社會(huì)的廣泛重視，能源消耗問(wèn)題越來(lái)越突出，燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的排放物已經(jīng)嚴(yán)重影響居民環(huán)境，同時(shí)能源不斷短缺也將對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，能源開發(fā)利用已成為全球關(guān)注的問(wèn)題。采暖是能源消耗及環(huán)境污染問(wèn)題之一，可再生能源在該采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)有效地減少其他傳統(tǒng)能源的消耗，同時(shí)減輕環(huán)境污染。太陽(yáng)能是一種取之不盡、使用方便的可再生能源。近年來(lái)，許多研究者一直專注于研究應(yīng)用太陽(yáng)能加熱，模擬太陽(yáng)能集熱器的集熱方式；分析過(guò)程中的熱損失；用吸熱管將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱損失進(jìn)行研究；建立數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬研究太陽(yáng)能和熱能之間的轉(zhuǎn)換，將太陽(yáng)能并入到建筑材料或結(jié)構(gòu)，不僅使建筑美觀，而且節(jié)能環(huán)保。

目前，在加熱系統(tǒng)太陽(yáng)能應(yīng)用存在一些不足，如大量的熱損失、低效率和較低的溫度，在低溫區(qū)供熱的問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。盡管能源消耗大，燃?xì)饧訜崛杂衅鋬?yōu)點(diǎn)，如沒(méi)有時(shí)間約束的加熱，瞬間加熱，效率高、溫度高、零排放，可以很好地解決供暖問(wèn)題。本文研究了供熱系統(tǒng)并結(jié)合了太陽(yáng)能、燃?xì)鈨煞N供熱方式，提出了一種太陽(yáng)能燃?xì)饴?lián)合供熱優(yōu)化模型，其中可利用太陽(yáng)能和燃?xì)獾膬?yōu)勢(shì)保證供暖效果效率以降低能源消耗，減少空氣污染。

2供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能和天然氣聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、燃?xì)忮仩t、蓄熱水箱、熱交換器、水管道供熱設(shè)備和終端等構(gòu)成。目前，主要有三種常用的太陽(yáng)能集熱器，即平板式、真空管式和集中式。其中，集中式太陽(yáng)能集熱器有最高的集熱效率。本文采用這種太陽(yáng)能集熱器。

蓄熱水箱被設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)來(lái)自足夠多的太陽(yáng)輻射的剩余能量，以彌補(bǔ)輻射不足時(shí)的供熱。例如，在晚上，它可以釋放白天儲(chǔ)存的熱量，以滿足用戶對(duì)熱水的需求。蓄熱水箱的體積將決定集熱效率。如果體積過(guò)小，水溫會(huì)較高，集熱能力較小，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能滿足用戶需求；如果體積過(guò)大，水溫會(huì)降低，燃?xì)忮仩t需要較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間，不適應(yīng)天氣變化。

熱交換器主要用于傳遞熱量，即將熱量從太陽(yáng)能收集器傳遞到供熱系統(tǒng)。設(shè)計(jì)是否合理決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文采用油水板式換熱器。具體型號(hào)應(yīng)根據(jù)占期間的55.46%，這意味著輔助熱源的使用時(shí)間一般在一半以上，單獨(dú)的太陽(yáng)能在冬天是不足以滿足用戶的熱量需求。在本文中，根據(jù)住宅樓供熱系統(tǒng)的初步統(tǒng)計(jì)，每平方米的成本30.54元。如果采用燃?xì)夤嵯到y(tǒng)，每平方米的成本將近10元。因此，這種太陽(yáng)能和燃?xì)饨M合供熱系統(tǒng)顯然是具有成本效益的，同時(shí)能夠熱交換器兩側(cè)的溫度和液體流量來(lái)確定。還應(yīng)根據(jù)傳熱油流量和水流量并結(jié)合這些泵的規(guī)格來(lái)選擇油泵和水泵。

當(dāng)太陽(yáng)能單獨(dú)用于供熱時(shí)，具有熱損失大、效率低、溫度低等缺點(diǎn)，不能滿足用戶的要求。因此，建議將燃?xì)馀c太陽(yáng)能作為補(bǔ)充熱源結(jié)合使用。本文采用燃?xì)忮仩t，具體型號(hào)可根據(jù)建筑物的平均熱負(fù)荷選擇。

2供熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式

為了節(jié)能環(huán)保，隨時(shí)滿足用戶的熱需求，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供多種操作模式。

當(dāng)太陽(yáng)能或蓄熱水箱能夠滿足用戶的熱需求時(shí)，將盡可能少地使用燃?xì)饧訜峄蛲耆P(guān)閉。具體模式為：太陽(yáng)能供熱、太陽(yáng)能供熱+儲(chǔ)存、太陽(yáng)能儲(chǔ)罐組合供熱和燃?xì)夤帷ＤＪ街g的開關(guān)將根據(jù)太陽(yáng)能集熱器的溫度，儲(chǔ)熱水箱的溫度設(shè)定值和熱交換器兩側(cè)的溫差來(lái)控制。油泵、水泵和閥門連接到溫度傳感器上，使得在不同模式之間，它們將在各自的溫度設(shè)定點(diǎn)，觸發(fā)開關(guān)自動(dòng)地打開或關(guān)閉。

建筑物的熱消耗和有效的集熱能力與天氣有關(guān)，天氣越冷，消耗的熱量越多，太陽(yáng)能部分也隨著熱量消耗和集熱能力的變化而變化。在最冷的時(shí)期，太陽(yáng)能份額也很低，大概在20%以下。計(jì)算每日熱采集效率，其維持在58-60%之間，波動(dòng)小。太陽(yáng)能集熱器受到諸如天氣等外部因素的影響較小，表明該設(shè)計(jì)方案中的供熱系統(tǒng)具有良好的熱收集性能。

系統(tǒng)各模式的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料如表2所示：

表2顯示，在寒冷季節(jié)，燃?xì)夤岱绞降倪\(yùn)行時(shí)間滿足用戶的需求，節(jié)能環(huán)保。

3結(jié)論

為了減少供熱系統(tǒng)對(duì)常規(guī)能源的利用，減輕環(huán)境污染，本文研究了結(jié)合太陽(yáng)能和燃?xì)獾墓嵯到y(tǒng)，提出了一種太陽(yáng)能氣體組合供熱優(yōu)化模型。

（一）本文提出的太陽(yáng)能和燃?xì)饴?lián)合供熱系統(tǒng)，可以利用太陽(yáng)能和燃?xì)獾膬?yōu)點(diǎn)以適應(yīng)天氣和用戶需求的變化。通過(guò)切換六種供熱模式，可確保加熱效率，同時(shí)降低能耗，減輕空氣污染，節(jié)省成本。

（二）根據(jù)不同的住房條件，通過(guò)調(diào)節(jié)蓄熱水箱的蓄熱面積、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和控制方式，可以優(yōu)化系統(tǒng)，節(jié)約成本，同時(shí)滿足熱量需求endprint