太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能分析

丁力勤　馬超

【摘 要】在嚴(yán)寒地區(qū)，太陽(yáng)能—土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)能夠?yàn)榻ㄖ峁├洹樽畲蟪潭乳_發(fā)利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，論文利用復(fù)合式系統(tǒng)中的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑物非供暖期時(shí)的熱水供應(yīng)，通過與其他常規(guī)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，從而為太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣提供參考依據(jù)。

【Abstract】In cold regions， the solar - soil source heat pump complex system can provide heat and cooling for buildings. In order to maximize the development and utilization of solar energy collector system， this paper uses solar energy collector system in the compound system to realize the hot water supply during the non heating period of the building， and by comparing with other conventional hot water supply system， it is found that the solar water heating system has good economic and environmental protection. Thus it provides reference for the application and popularization of the solar-soil source heat pump complex system.

【關(guān)鍵詞】Trnsys動(dòng)態(tài)模擬;太陽(yáng)能熱水系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)性

【Keywords】 Trnsys dynamic simulation; solar water heating system; economy

【中圖分類號(hào)】TU822? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）08-0136-02

1 引言

太陽(yáng)能是指太陽(yáng)的熱輻射能[1]。隨著化石燃料等不可再生能源的數(shù)量日趨減少，同時(shí)世界各國(guó)對(duì)環(huán)保問題越來越重視，太陽(yáng)能和地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉春颓鍧嵞茉矗饾u成為人們使用能源的組成部分，并不斷得到發(fā)展。目前，太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換[2]兩種方式。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)[3]是一種將光轉(zhuǎn)換成熱的裝置，即通過集熱器吸收太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)換成的熱量存儲(chǔ)到水箱中，提供所需的生產(chǎn)或生活熱水。一般，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)按照動(dòng)態(tài)流動(dòng)方式可分為循環(huán)式和直流式。而循環(huán)式又可以按照循環(huán)動(dòng)力分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種。自然循環(huán)式[4]太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是依靠集熱器和水箱內(nèi)流體的溫差形成熱虹吸壓頭，使系統(tǒng)中的水循環(huán)流動(dòng)。強(qiáng)制循環(huán)式[5]是在集熱器系統(tǒng)中添加了水泵，泵提供系統(tǒng)中水循環(huán)的動(dòng)力。而直流式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是指集熱器吸收太陽(yáng)輻射后內(nèi)部水溫升高，系統(tǒng)中則形成熱虹吸壓頭，熱水通過上升管流入水箱中，補(bǔ)給水箱中的冷水后自動(dòng)下降進(jìn)入集熱器，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)流動(dòng)。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的搭建

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)水泵、存儲(chǔ)水箱以及控制系統(tǒng)等組成。在已建立的太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)只有在供暖季節(jié)使用，非供暖期則停止運(yùn)行，這樣就會(huì)降低系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性能，延長(zhǎng)投資回收期。論文提出在復(fù)合式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上非供暖期太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供應(yīng)生產(chǎn)或生活熱水的方案，這樣不僅可以最大限度利用太陽(yáng)能這種清潔能源，減少化石燃料的使用，而且能夠提高復(fù)合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)一舉兩得的效果。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)搭建初期，需要確定與熱水密切相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)，即設(shè)計(jì)冷水初溫、設(shè)計(jì)熱水溫度、設(shè)計(jì)日用水量和設(shè)計(jì)小時(shí)用水量。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)冷水溫度應(yīng)該以當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄疁刭Y料確定，此處冷水溫度取4℃。

假設(shè)辦公建筑中人員數(shù)量為5～7m2/人計(jì)算，大概估算人數(shù)為220人。根據(jù)《辦公室建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》及《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，可確定熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小時(shí)用水量及設(shè)計(jì)熱水溫度，如表1所示。

對(duì)于設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量，由于工作時(shí)間為早八點(diǎn)到晚六點(diǎn)，考慮到中午和晚上的滯留人員和加班人員，按照一定比例估算所需要的生活熱水量及設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量，表2為不同時(shí)間段熱水用量和設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量的情況。

在太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，建立太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，為建筑提供非供暖期所需的生產(chǎn)或生活熱水量，系統(tǒng)圖如圖1所示。

3 室外氣象參數(shù)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型中，需從外部導(dǎo)入建筑物所在地的氣象數(shù)據(jù)。本文中選取的建筑物所在地的地理位置為北緯33°39′～ 34°45′，東經(jīng)107°40′～109°49′。利用Trnsys瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模擬軟件[6]模擬了當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、水平面太陽(yáng)能日輻射量及太陽(yáng)日總輻射變化情況。易知，當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能年輻射總量水平約為4574MJ·m-2·a-1，太陽(yáng)能年均日輻射量12.53MJ·m-2。

4 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能分析

由于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在供暖期需要給建筑提供熱量，所以使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供熱水的時(shí)間是有要求的，即在非供暖期才可以使用，計(jì)算可知，通過太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供熱水的天數(shù)為245天。利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)后，建筑的年節(jié)能量達(dá)到123798.96MJ。相比于用煤、天然氣等常規(guī)的生產(chǎn)熱水方式，使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)熱水時(shí)可以不同程度地節(jié)約燃料，最大限度地開發(fā)利用太陽(yáng)能這種可再生清潔能源，年節(jié)約費(fèi)用和系統(tǒng)壽命期內(nèi)節(jié)約費(fèi)用具體如表3所示。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過收集太陽(yáng)能提供熱量，因不使用常規(guī)能源而減少了向環(huán)境排放的污染物，體現(xiàn)了其明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)在非供暖期利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)生活熱水的方式相比于用煤生產(chǎn)熱水方式而言，系統(tǒng)壽命期二氧化碳排放量減少了374841.01kg。

5 結(jié)論

利用太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)搭建太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，在非供暖期為建筑物提供熱水。此種熱水供應(yīng)方式與用煤生產(chǎn)熱水供應(yīng)方式相比，不僅能夠節(jié)約能源，減少運(yùn)行費(fèi)用，還能降低二氧化碳排放量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

【參考文獻(xiàn)】

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【3】譚德君，郭楓.某養(yǎng)老地產(chǎn)項(xiàng)目太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].給水排水，2017（10）：81-85.

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【6】付波.基于TRNSYS的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的模擬分析[J].區(qū)域供熱，2017（06）：94-98.