高原太陽能供暖蓄熱系統保溫及容積設計方法*

王登甲 劉 慧 殷庭強 張睿超 劉艷峰1,

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

西藏高原年平均氣溫低,冬季供暖期長,供暖需求迫切,但高原太陽能輻射資源豐富[1]。因此,為保護高原脆弱的生態環境,同時滿足冬季長時間的供暖需求,西藏高原發展太陽能供暖具有先天優勢。

由于太陽能具有周期性波動、輻射不連續等特征,因此,蓄熱系統是太陽能供暖系統穩定運行的關鍵[2]。過大的蓄熱容積將導致系統遲滯效應增加,蓄熱難且供暖溫度提升慢,而過小的蓄熱容積又無法滿足蓄存周期內的蓄熱量要求,因此,迫切需要太陽能供暖蓄熱系統的設計指導[3]。現行的標準規范為確定蓄熱容積提供了初步設計參考,推薦太陽能短期蓄熱的集熱蓄熱比(即單位集熱面積的蓄熱容積)為40～300 L/m2、長期蓄熱的集熱蓄熱比大于3 m3/m2[4]。國際能源署供熱制冷組織(IEA SHC)建議基于各地區的情況及經濟性,對系統部件進行多參數優化來尋求蓄熱系統的匹配規模[5]。然而,高原地區氣候條件與平原地區差異較大,影響了太陽能系統的集熱負荷規律和熱損失規律,太陽能蓄熱系統設計難以照搬平原地區或國際上的通用技術方法。2021年的數據統計發現,現有的高原地區太陽能供暖示范項目的蓄熱系統所采用的集熱蓄熱比約為0.07～0.67 m3/m2,蓄熱選型設計差異較大,缺乏基于高原地區特殊氣候的蓄熱系統精細化設計方法[6]。

西藏高原地區由于強太陽輻射、大溫差及低氣壓的特殊氣候條件,導致蓄熱體的散熱特性發生變化,進而影響蓄熱容積設計,因此亟需尋求適宜于高原地區蓄熱系統的設計方法。本研究分析了高原地區太陽能蓄熱系統的年熱損失規律,并在回收期短于使用年限的情況下得到了蓄熱體的保溫厚度;計算給出了考慮陰晴天氣概率、蓄熱周期和不同供暖末端形式的高原太陽能供暖蓄熱系統容積的精細化設計范圍。

1 太陽能供暖蓄熱系統理論分析

太陽能供暖蓄熱系統的設計受到太陽能集熱量、建筑熱負荷、蓄熱體熱損失及蓄熱周期等因素影響。本研究主要對西藏高原7個典型地區的蓄熱系統進行詳細分析。

1.1 太陽能供暖系統蓄熱原理

太陽能供暖系統主要包括集熱系統、蓄熱系統、輔助熱源循環系統及末端循環系統,如圖1所示。在不同的蓄熱周期條件下,太陽能集熱與熱負荷所決定的系統蓄熱量不同。蓄熱溫差為蓄熱水箱設計溫度和供暖供水溫度的差值。因此對應不同供暖供水溫度的末端形式也將影響蓄熱容積。在蓄熱容積計算中,蓄熱體的熱損失規律也不可忽視。蓄熱體的熱損失是由罐壁與外界環境之間的對流和輻射傳熱引起的。高原地區的低大氣壓力、較小空氣密度導致對流換熱系數與平原地區相比差異較大,長波輻射嚴重和天空當量溫度改變也影響了輻射換熱,如圖2所示。因此本研究從蓄熱損失及蓄熱容積兩方面進行分析研究。

圖1 太陽能供暖系統原理圖

圖2 高原地區特殊條件的蓄熱體熱損失原理

1.2 蓄熱系統容量設計影響因素

西藏高原地區供暖季太陽能充足,能滿足一定的建筑熱負荷需求。因此本研究未考慮跨季節蓄熱,主要以典型日及連續陰天為蓄熱周期來討論高原太陽能系統的蓄熱容積。在蓄熱周期內,忽略輔助熱源,假定設計太陽能保證率fn為1,則熱量平衡如式(1)所示。其中系統的熱損失占有效太陽能集熱量的比例為ηL,兩者的綜合熱量如式(2)所示。因此以典型日為蓄熱周期,對太陽能系統的蓄熱量在時間段τ1～τ2(考慮系統損失的有效太陽能集熱量大于建筑熱負荷的時間段)進行積分[7]。若以連續陰天為蓄熱周期,則蓄熱量為預先存儲的能安全度過連續陰天的需熱量,積分時間段為最長連續陰天時長。

(1)

Qu(τ)-Qloss(τ)=AcIθ(τ)ηcd(1-ηL)

(2)

(3)

(4)

集熱蓄熱比是單位集熱面積的蓄熱容積,定義為k=Vs/Ac。

當以連續陰天為蓄熱周期時,按晴空指數Kt判斷天氣情況,0

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中H為水平面日總太陽輻射量,MJ/m2;H0為水平面日總天文輻射量,MJ/m2;I0為太陽常數,W/m2,I0=1 367 W/m2;f為日地距離修正系數;φ為當地緯度,rad;δ為赤緯角,rad;ωs為日落時角,rad;n為當前日期在一年中所處的日期序號。

1.3 蓄熱體熱損失及靜態回收期

將蓄熱體從上到下劃分為N個節點,通過對某時間段蓄熱體內所有節點的熱損失進行積分得到蓄熱體的總熱損失Qloss。

(8)

式中AS,i為蓄熱體第i個節點的表面積,m2;US,i為蓄熱體第i個節點的熱損失系數,W/(m2·K);Ttank,i(τ)為當前時刻蓄熱體第i個節點的水溫,K;Ta(τ)為當前時刻環境溫度,K。

蓄熱體的保溫材料越厚,節能效果越好,那么是否可以無限制地增加保溫厚度呢?由于初投資隨著保溫厚度的增加而增加,因此保溫厚度的設計要同時兼顧經濟性及節能性。

(9)

式中Pt為靜態回收期,a;Wbw為保溫初投資,元;Ql0和Qlδ分別為蓄熱體不設保溫時的年熱損失換算成的資金及保溫厚度為δ時的年熱損失換算成的資金,元/a。

本研究采用蓄熱體保溫材料的靜態回收期作為限制參數,在靜態回收期短于使用年限的情況下取最節能的保溫厚度,即為推薦采用的保溫厚度。

2 高原地區的特殊氣候條件

2.1 高原地區蓄熱體對流與輻射熱損失

西藏高原地區的特殊氣候條件從對流換熱及長波輻射兩方面影響蓄熱體的熱損失。對流換熱方面,低氣壓導致較低的空氣密度[9];輻射換熱方面,空氣透明度高導致長波輻射較大,影響天空當量溫度[10]。

(10)

(11)

式(10)、(11)中ρ為空氣密度,kg/m3;pH、p0分別為所在海拔的大氣壓力和海平面標準大氣壓力,hPa;R為空氣的比氣體常數,287.05 J/(kg·K);e為水蒸氣分壓力,hPa;S為月平均日照百分率。

外壁面的對流換熱系數用下式計算,輻射換熱系數用天空當量溫度Tsky和罐壁溫度Tw等效換算[11]。

(12)

(13)

(14)

式(12)～(14)中αC,top、αC,edge分別為頂部和側壁的對流換熱與保溫材料導熱的綜合換熱系數,W/(m2·K);λ、λr分別為空氣和保溫材料的導熱系數,W/(m·K);Re為雷諾數,與空氣密度成正比;Pr為普朗特數;l為定型尺寸,m;Gr為格拉曉夫數,與空氣密度的二次冪成正比;C為輻射系數,W/(m2·K4),取4.7 W/(m2·K4)。

將保溫材料導熱、外壁面對流換熱及長波輻射換熱累積可得到各節點的總換熱系數。

2.2 供暖期內陰天概率

根據典型年氣象參數中日平均溫度≤5 ℃的起止日期及當地實際的供暖時間,設定供暖期并計算西藏典型地區供暖期的晴空指數,結果見表1。可以看出：相比平原地區,如北京,西藏地區的供暖季陰天概率較小;拉薩的陰天占供暖季總時長的比例(Kt<0.3)最小;那曲供暖季的陰天占比(Kt<0.3)最大,為11.2%,最長連續陰天時長為3 d。

表1 典型地區供暖期及連續陰天概率

2.3 太陽輻射及建筑熱負荷規律

統計歸納典型日、陰天的太陽輻射和熱負荷規律(如圖3和圖4所示),計算蓄熱量。典型日的選取原則為：最冷月的某個晴天作為典型日,且當天的平均溫度與最冷月月平均溫度近似;典型陰天的太陽輻射選擇為最冷月的某個陰天的太陽輻射。緯度傾斜面的太陽輻射在13：00—15：00達到最大值,太陽輻射大于0的時長達到11 h。山南、日喀則1月份典型日的總太陽輻射較高,緯度傾斜面的太陽輻射達到26.6 MJ/(m2·d)。

圖3 西藏地區不同典型天氣下太陽輻射

圖4 西藏地區典型建筑逐時熱負荷規律

結合西藏地區的典型居住建筑和氣候條件,利用負荷模擬軟件對當地某建筑面積為485 m2的3層居住建筑進行計算,得到典型建筑的熱負荷規律。選取典型日進行分析,如圖4所示。建筑熱負荷受環境溫度影響較大,受太陽輻射影響較小。根據空氣溫度的變化規律,西藏高原的熱負荷約在09：00達到峰值,15：00—17：00達到谷值。其中那曲、阿里的最冷月月平均溫度較低,因此其熱負荷相應較低。日喀則、林芝和阿里的熱負荷波動較大,那曲的熱負荷波動較小。

3 蓄熱系統容積及熱損失計算分析

根據上述高原地區蓄熱體熱損失影響因素計算蓄熱系統的年熱損失特性,結合常用保溫材料在高原地區的使用壽命和回收期得到蓄熱體的推薦保溫厚度。并根據晴天和陰天的太陽輻射及熱負荷規律,得到推薦蓄熱容積。

3.1 蓄熱系統年熱損失特性及保溫厚度

研究在全年蓄熱體水溫動態變化下的年熱損失隨保溫厚度的變化關系,以拉薩地區采用橡塑保溫材料為例,改變集熱蓄熱比和蓄熱容積,利用TRNSYS模擬太陽能供暖蓄熱系統典型年蓄熱體的單位體積年熱損失Qv,結果如圖5所示。當保溫厚度增加時,單位體積年熱損失下降趨勢變緩;相同集熱蓄熱比下,蓄熱容積增大時,單位體積表面積減小,導致單位體積年熱損失也減小。因此,得到單位體積年熱損失Qv與保溫厚度、集熱蓄熱比和蓄熱容積的函數關系為

0.004 9Vs+0.012 5 (R2>0.95)

(15)

蓄熱體保溫厚度增加時,年熱損失減少,但初投資增加,以蓄熱體不設保溫時運行整個典型年得到的熱損失為基準,將保溫厚度增加帶來的初投資除以節省的能耗換算成的資金,得到靜態回收期,如圖6所示。當蓄熱容積為5 000 m3、集熱蓄熱比為0.5 m3/m2時,在橡塑保溫厚度小于等于70 mm的范圍內,靜態回收期在材料的使用壽命年限內。因此推薦70 mm橡塑保溫厚度為靜態回收期滿足材料使用壽命的最節能的保溫厚度。根據上述推薦保溫厚度的選擇原則,得到不同蓄熱容積時常用保溫材料的推薦厚度,如表2所示。

圖6 不同保溫厚度的靜態回收期(橡塑保溫)

表2 拉薩地區保溫材料推薦厚度

3.2 典型日及連續陰天的蓄熱容積

典型晴天的蓄熱容積主要與太陽輻射及熱負荷的波動規律有關。拉薩地區不同供暖供水溫度及蓄熱水體設定溫度條件下的集熱蓄熱比見圖7和圖8。設定地暖盤管、風機盤管和散熱器的工作溫度分別為30～40 ℃、40～60 ℃、50～75 ℃,可得到不同散熱末端形式對應的集熱蓄熱比。從圖中可知,蓄熱溫差越大,所需蓄熱容積越小。計算連續陰天所需的蓄熱容積時采用了連續最長陰天和多云天時長。因此連續陰天的蓄熱容積除了與太陽輻射及熱負荷的波動規律有關外,還與熱負荷平均值及連續陰天時長有關。其中拉薩的供暖季陰天所占比例小于1%,其連續陰天時長按1 d計算。

圖7 拉薩典型日的集熱蓄熱比

圖8 拉薩連續陰天的集熱蓄熱比

根據高原地區水的低沸點溫度及太陽能供暖末端的工作溫度,取蓄熱溫差為10～20 ℃,計算其他典型城市的集熱蓄熱比并給出推薦范圍,如表3所示。以典型日為蓄熱周期時,日喀則、山南及拉薩的集熱蓄熱比較大,而昌都和阿里的集熱蓄熱比較小。這是因為日喀則、山南及拉薩的太陽輻照度波動幅度和熱負荷波動幅度較大,系統所需的蓄熱量大,導致蓄熱容積較大。

表3 不同蓄熱周期的集熱蓄熱比推薦范圍 L/m2

以連續陰天為蓄熱周期時,10 ℃的蓄熱溫差條件下,日喀則和林芝的集熱蓄熱比較小,分別為205 L/m2和222 L/m2。這是因為林芝和日喀則典型日的熱負荷較小,且最長連續陰天時長為1 d,導致度過陰天所需的蓄熱量及蓄熱容積較小。而那曲和山南的集熱蓄熱比較大,分別為688 L/m2和900 L/m2。這是因為它們的最長連續陰天時長相比其他地區大。

4 結論

本研究分析計算了高原太陽能供暖蓄熱系統保溫厚度的推薦取值范圍和以典型日及連續陰天為蓄熱周期的蓄熱容積范圍,得出以下結論：

1) 高原地區特殊條件下太陽能蓄熱體采用聚氨酯保溫綜合性能最佳,其次為巖棉,最后為橡塑。基于靜態回收期的約束條件得到拉薩地區蓄熱容積不大于5 000 m3時,保溫厚度推薦取50～70 mm;蓄熱容積大于5 000 m3時,保溫厚度推薦取70～110 mm。

2) 通過理論分析得到了集熱蓄熱變化規律。當熱負荷相同、太陽輻照度等比例變為原來的m倍時,集熱面積變為原來的1/m,蓄熱量不變,集熱蓄熱比變為原來的m倍。當太陽輻照度相同、熱負荷等比例變為原來的m倍時,集熱面積變為原來的m倍,蓄熱量變為原來的m倍,集熱蓄熱比不變。

3) 蓄熱周期越長,所需的集熱蓄熱比越大。西藏地區典型日的集熱蓄熱比范圍為55～140 L/m2,連續陰天的集熱蓄熱比范圍為100～900 L/m2。