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1、第2 6 卷第 1 期 2 0 0 7 年 2月 建 筑 热 能 通 风 空 调 B u i l d i n g E n e r g y ; 2 太原理工大学环境学院) 摘 要: 太阳能直接供暖系统在满足用户供热需求时, 通常需要补充一定量的一次常规能源。该文在系统能量平 衡的基础上, 引人太阳能倍率等参数, 同时考虑太阳能集热器采暖季利用系数的影响, 推导了太阳能直接供暖系 统与电压缩水源热泵系统的一次能耗比 计算公式。进而对以燃煤锅炉为辅助热源的太阳能直接供暖系统与水源 热泵的一次能源消耗进行了 对比 分析。 结果表明, 以 燃煤锅炉为辅助热源的太阳能直接供暖系统在其太阳能倍率 大于平衡太
2、阳能倍率时, 比水源热泵节约一次常规能源; 在其太阳能倍率小于平衡太阳能倍率时, 与水源热泵相 比, 起不到节约一次常规能源的作用。 关键词: 太阳能 供暖 水源热泵 一次能耗比 太阳能倍率 C o mp a r i s o n o f E n e r g y C o n s u mp t i o n wi t h D i r e c t S o l a r H e a t Wa t e r S o u r c e H e a t P u mp i n gS y s t e m a n d J i a n g Q i u j i n g a n d T i a n Q i z ( 1 T a
3、i y u a n E n v i r o n m e n t S c i e n c e R e s e a r c h a n d D e s i g n I n s t i t u t e 2 S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ) A b s t r a c t : S u p p l e m e n t o f p r i m a ry e n e r g y i s n e
4、 e d e d b y a D i r e c t S o l a r H e a t i n g S y s t e m ( D S H S ) i n o r d e r t o m e e t t h e h e a t i n g n e e d o f t h e u s e r s . O n t h e b a s i s o f e n e r g y e q u i l i b r i u m , e q u a t i o n s o f p r i m a ry e n e r g y d e m a n d r a t i o b e t w e e n a D S
5、H S a n d a Wa t e r S o u r c e H e a t P u m p ( WS H P ) a r e d e r i v e d b y i n t r o d u c i n g s o l a r m a g n i f i c a t i o n w i t h t h e w i n t e r s o l a r c o l l e c t o r e f f i c i e n c y b e i n g t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n . T h e p r i m a ry e n e r g
6、 y c o n s u m p t i o n o f a D S H S w i t h a c o a l - f i r e d b o i l e r s u p p l e m e n t s o u r c e i s c o m p a r e d w i t h t h a t o f a WS H P . T h e r e s u l t s h o w s t h a t a D S H S c a n s a v e m o r e p r i m a ry e n e r g y t h a n a WS H P w h e n t h e s o l a r m
7、a g n i f i c a t i o n i s g r e a t e r t h a n t h e e q u i l i b r i u m s o l a r m a g n i f i c a t i o n , b u t i t c o n s u m e s m o r e p r i m a ry e n e r g y t h a n a WS H P w h e n t h e s o l a r m a g n i f i c a t i o n i s l e s s t h a n t h e e q u i l i b r i u m s o l a r
8、m a g n i f i c a t i o n . K e y w o r d s : s o l a r e n e r g y , h e a t i n g , w a t e r s o u r c e h e a t p u m p , p r i m a ry e n e r g y c o n s u m p t i o n r a t i o , s o l a r m a g n i f i c a t i o n 0引言 近年来, 环境恶化和能源短缺问题日 益严重, 开 发太阳能等可再生能源已成为各国制定可持续发展 战略的重要内容。在建筑供热空调等能耗较大的领 域, 太
9、阳能应用的研究逐渐增多, 有些系统已建立了 样板工程, 但在太阳能供热空调系统的节能分析理论 方面 仍有许多工作要做。 L .F i l ip e M e n d s e s 等利用一次 能源消耗比对吸收式太阳能辅助制冷系统进行了节 能分析, 但在计算一次能源消耗比时, 没有考虑太阳能 集热器效率的影响川 。笔者已对太阳能集热器长期效 率的计算进行了理论研究2 。本文将引人平衡太阳能 倍率的概念对以燃煤锅炉为辅助能源的太阳能直接 供暖系统与电压缩水源热泵系统的一次能源消耗进 行对比研究, 并以太原为例, 确定太阳能直接供暖系统 的平衡太阳能倍率, 对建筑物利用太阳能直接供暖系 收稿日期 作者简
10、介 2 0 0 6 - 8 - 1 4 蒋秋静( 1 9 6 7 -) , 高级I程师, 硕士; 太原市桃园三巷2 7 号( 0 3 0 0 2 4 ) ; 0 3 5 1 - 4 2 2 7 2 0 7 ; E - m a i l :t q 幼 s o h u x o m 第2 6 卷第 1 期蒋秋静等: 太阳能直接供暖与水源热泵的能耗对比分析 统的节能性进行分析。 k (吐 4ik ) 灰 ( 5 ) 1 太阳能直接供暖与水源热泵一次能耗比2 集热器采暖期太阳能利用系数的计算 计算公式的理论推导 太阳能供热系统以太阳能集热器为热源供给用 户所需热量, 当太阳能不足以提供所需热量时, 由常
11、规能源供给, 这里采用燃煤锅炉为辅助能源。因此, 用 户所需热量( 热负荷) 来源于两部分: 太阳能和常规能 源。用公式表示如下: Q = L Q 5 + k tQ s,( 1 ) 式中: Q为用户热负荷; Q , 为太阳能集热器表面所接 收的太阳辐射能; Q , 为用户所需的一次辅助常规能 源 k , 为太阳能转化率, 太阳能集热器表面所接收的太 阳辐射能转化为供热系统输出有用能的份额, 对太阳 能直接供暖系统而言, 为集热器采暖期太阳能利用系 数; k . 为辅助供热系统一次常规能源转化率,即一次 常规能源转化为有用能的份额, 这里即燃煤锅炉的运 行平均效率。 水源热泵所用驱动能源为二次能
12、源电能, 这里假设电力来自于火力发电厂, 即电能由化石燃料 转化而来, 则水源热泵所输出的有用能可用一次常规 能源消耗量与转化系数来计算。可列如下公式: Q= k Q ( 2 ) 式中: Q t 为供热所需的 一次常规能源; k , 为供热系统一 次常规能源转化率, 即一次常规能源转化为供热系统 输出有用能的份额。 为便于分析, 引入太阳能倍率。太阳能倍率指太 阳 能供热系统为输出有用能Q而所需接收的太阳 辐 射能Q , 与有用能Q的比 值, 即: 必 = Q 4 ( 3 ) 式中: P 为太阳 能倍率。 在太阳能集热器效率一定时, 太阳能倍率可反应 太阳能系统利用的太阳能占热负荷的比例。在后
13、面的 分析中可以看到, 利用平衡太阳能倍率可方便地判断 太阳能供热系统是否比水源热泵节约一次常规能源。 由公式( 1 ) , ( 3 ) 可得太阳能供热系统所需的一次 常规能源Q . : 集热器太阳 能利用系 数是指一定时期内, 集热器 所获得的有效能量与集热器表面所接受的太阳辐射 量的比值。由定义, 采暖期太阳能利用系数计算式为: 、卫户、飞夕、声 61兄户 了、了口.、了.吸、 “ 二 介 ( T ) d T 式中: Q 为第i 天单位面积集热器获得的有用能量, M J / d - M 2 ; H ; 为集热器表面太阳辐照量, M J / d “ m 2 ; n 为 采暖期的天数; N为日
14、 照的时间; 丁 为计算时刻; 7 7 ( T ) 为 集热器瞬时效率, 可根据效率方程计算。 对由全玻璃真空管、 M2 型联接管、 漫反射板构成 的E - W型全玻璃真空管集热器而言, 其效率方程为3 : 。 ( : ) 二 0 .5 6 一 1 .7 ,T - T I ( T ) ( 9 ) 式中: I ( T ) 为 集热器表面太阳 辐照度, W / m . 根据文献 4 , 倾斜面( 集热面) 上太阳辐照度可按 下列公式计算: I o ( T ) = I b P ( T ) + I d O ( T ) + I P O ( T )( 1 0 ) 、,.尹、,诊、.沙 1.1,j 1.1曰
15、11.1 了.、/、了.、 I b e( r ) =人 ( T ) I d O( T ) 二I d( T ) ( 1 + C o s B ) 2 吞 。 ( 幻= P I , _ 、 1 - C o s o 戈 丁 少 Q . 二 Q ( 1 - O k ) kt ( 4 ) 当以燃煤锅炉为辅助能源的太阳能直接供暖系 统与水源热泵具有相同的供热负荷时, 由公式( 2 ) , ( 4 ) 可得两者所消耗的一次常规能源之比为: 式中: I e .为 倾斜面( 集热面) 上的 太阳总辐射辐照度, W / m 2 ; J W 行 ) 为倾斜面( 集热面) 上的太阳辐射直射辐 照度, W / m 2 ;
16、 坛( T ) 为倾斜面( 集热面) 上的 太阳 辐射散 射辐照 度, W / m 2 ; 几 。 ( 灼 为 倾斜面( 集热面) 上的 太阳 反 射辐射辐照度, W / m 2 ; I b ( T ) 为水平面上的太阳辐射直 射辐照度, W / m 2 ; I d ( T ) 为水平面上的太阳辐射散射辐 照度, W / m 2 ; I 行 ) 为水平面上的太阳辐射总辐射辐照 度, W / m 2 ; i 为倾斜面( 集热面) 太阳人射角; h 为太阳 高度角; B 为集热面倾角;+P 为 地面反射率。 根据上述计算公式, 采用Ma t l a b 语言编制了集热 器的太阳能利用系数计算程序T
17、 Y N L Y .m。对于 建 筑 热 能 通 风 空 调2 0 0 7年 太阳能直接供暖系统, 通常采用地板辐射采暖, 供热 温度为4 5 0C - 5 5 0C 。 太阳集热器进口温度为4 5 时, 在太原气象条件下, 利用T Y N L Y .m程序计算得全玻 璃真空管集热器太阳能利用系数如表 1 所示。 表 1冬季太阳能供暖系统集热器太阳能利用系数 ( 集热器进口温度t ; = 4 5 ) 时段1 1 月1 2月1 月2 月3 月冬季 太阳能利用系数0 . 3 8 4 2 0 .3 4 4 8 0 .3 3 6 8 0 . 3 8 5 9 0 . 3 9 6 5 0 . 3 6 7
18、2 3 太阳能直接供暖与水源热泵一次能耗对 比分析 由图1 可以看出,以 燃煤锅炉为辅助热源的太阳 能直接供暖系统一次能耗比 线与平衡线相交时, 太阳 能倍率为 1 .4 5 , 这说明, 当太阳能直接供暖系统集热器 所接收的太阳能大于热负荷的1 .4 5 倍时, 该供暖系统 才可能比电压缩水源热泵节约一次常规能源, 当太阳 能集热器所接收的太阳能小于热负荷的1 .4 5 倍时, 由 于辅助热量使用过多, 该系统不如电压缩水源热泵节 约一次常规能源。因此,只有当太阳能倍率到达一定 数值以上时, 太阳能直接供暖系统才可能比电压缩水 源热泵节约一次常规能源。 4 多层建筑太阳能直接供暖系统节能分析
19、 太阳能直接供暖系统采用太阳能全玻璃真空管 集热器为用户提供热量, 不足热量由燃煤锅炉提供。 根据公式( 5 ) 计算冬季太阳能直接供暖系统与电驱动 压缩式水源热泵一次能源消耗比。 计算参数见表2 。 其 中, 太阳能全玻璃真空管集热器冬季太阳能利用系数 ? I S 采用太原市冬季气象资料计算, 取自 表1 ; 电厂及电 力传输效率和水源热泵性能系数根据文献 1 确定; 燃 煤锅炉运行及管路传输效率刀 , 根据文献 5 l 确定。 表2冬季一次能耗比计算参数 系统类型与 ) nC OP ,凡 太阳能直接供暖 水源热泵 0 . 3 6 7 2 0 . 6 2 从上面的分析可以看出, 太阳能倍率在
20、一定范围 内取值时, 太阳能直接供暖系统才能达到节约一次常 规能源的目的。 而太阳能倍率在热负荷一定的情况下, 受到太阳能能流密度与集热器面积的限制。多层建筑 热负荷大, 而能装太阳能集热器的地方有限, 这就存在 多层建筑利用太阳能供暖系统是否比电压缩水源热 泵节约一次常规能源的问题。这里以典型的多层办公 建筑进行分析。 设太阳能集热器只在建筑屋顶布置, 根据太原气象资料, 依据公式( 3 ) 计算冬季供热时, 多 层办公建筑太阳能倍率, 结果如表3 , 表中的平衡太阳 能倍率为前面得出的太阳能直接供暖系统值。计算建 筑采暖能耗时, 能耗指标按2 2 W/ m 2 考虑。 0 . 3 3 4
21、. 0 3 1 . 3 2 9 9 根据表2 参数, 利用公式( 5 ) 计算绘制以燃煤锅 炉为辅助热源的太阳能直接供暖系统与电压缩式水 源热泵一次能源消耗比随太阳能倍率的变化曲线, 如 图1 所示。 图中, 平衡线是一次能源消耗比等于1 的直 线, 表示太阳能供暖系统与电压缩式水源热泵的一次 能源消耗量相等。 表3办公建筑冬季供暖太阳能倍率 服泌丝123 碟淞丝147 崛村丝184 弱淞丝246 服淞丝368 鳃村些736 太阳能倍率 平衡太阳能倍率 才 RH 接 供 ” 火 、尹” - - 0 0 5 图1一次能耗比与太阳能倍率关系曲 由 表3 可知, 以燃煤锅炉为辅助能源, 利用太阳能
22、直接供暖系统在冬季供暖时, 五层及五层以下办公建 筑太阳能倍率大于平衡太阳能倍率, 五层以上办公建 筑太阳能倍率小于平衡太阳能倍率。这说明, 只在建 筑屋顶安装太阳能集热器, 由太阳能直接供暖系统给 五层及五层以下办公建筑供热时, 该系统比利用电压 缩水源热泵系统节省一次常规能源; 但是给五层以上 建筑供热时, 该系统不如电压缩水源热泵系统节省一 次常规能源。 所以会出现这种现象, 主要是由于太阳 能直接供暖系统辅助热源( 燃煤锅炉) 的一次常规能源 的转化率低于电压缩水源热泵系统的一次常规能源 ( 下转 8 4 页) 1中 建 筑 热 能 通 风 空 调2 0 0 7 年 保持不变。 3 .
23、4 摩擦系数的选用 工程设计中,应根据设计供水温度和安装温度 差, 按式( 2 ) 选用摩擦系数值。对于不同的管径规格, 不同的回填方式, 式( 2 ) 中的系数A , B , C , D等值不 同。对于D N 8 0 0 的预制直埋保温管, 当安装温差小于 6 0 温差时, 取6 0 。当安装温差大于6 0 且温差 小于屈服温度时, 取屈服温差。周围回填中砂, 回填密 实度不小于0 . 9 3 时, 可采用式( 2 ) 进行选用。 4 结论及建议 建议增加对多种规格的直埋管道的实验研究, 获 得各种规格预制直埋供热管道摩擦系数计算式 ( 2 ) 中 的系数A , B , C , D值, 供设
24、计采用。 在此基础上对现行 规程 涉及到最大摩擦系数、 最小摩擦系数的相关条款进行修订, 如最大、 最小过渡 段长度应统一为设计温度下的过渡段长度; 最大摩擦 力、 最小摩擦力统一为设计温度下的摩擦力; 管道工作 循环最高温度下, 过渡段内任一截面上的最大轴向力、 最小轴向力统一为管道工作循环最高温度( 小于或等 于屈服温差) 下过渡段内任一截面上的轴向 力; 固定墩 的推力计算公式, 热伸长计算公式等等。 考虑到摩擦 系数受施工因素的影响, 按照摩擦系数区间估算确定 适当的安全余量。 对于任一供热系统, 直埋供热管道在最高供水温 度时和回填砂的摩擦力最大、 摩擦系数最大。 直埋供热管道和回填
25、砂的摩擦系数不会随使用 年限增加而变小, 几次往复移动摩擦系数由最大值逐 渐降低并稳定在某一“ 最小摩擦系数” 的结论不真实。 在预制保温管、 回填砂、 回填方式、 管道规格等一 定的条件下, 直埋供热管道和回填砂之间的摩擦系数 是运行温度和安装温度差的函数, 可以用式( 2 ) 描述, 但不同规格的管道系数不同。 对于D N 8 0 0 的预制直埋 保温管( 外护高密度聚乙烯保护壳) 和回填中砂的( 过 渡段平均) 摩擦系数可以用式( 2 ) 进行计算。 参考文献 I l l 张建伟, 王飞, 张贵成, 等. 大口 径预制直埋供热管摩擦系数的 研 究阴 太 原 理 T - 大 学 学 报,
26、2 0 0 3 , ( 6 ) : 7 0 3 - 7 0 6 2 C J J / T 8 1 - 9 8 城镇直埋供热管道工程技术规程 S . 北京: 中国 建 筑工 业出 版 社, 1 9 9 8 3 王飞. 直埋供热管砂箱实验台 研制及力学性能试验 D . 哈尔 滨: 哈 尔 滨 工 业大 学 , 1 9 8 9 4 北京煤气热力工程设计所. 热力管道直埋敷设试验研究 M . 北京: 中国 建筑工业出 版社, 1 9 8 0 . 3 8 - 3 9 5 ( 丹麦) 皮特 兰德劳夫著, 贺平, 于钢译. 区 域供热手册 M 哈 尔滨: 哈尔滨工程大学出 版社, 1 9 9 8 . 6 9
27、一卜 ”+ .州 卜一十 一州 卜- 卜”州 卜”, 卜“州 卜.州 卜- 一 卜 一 州卜一 叫卜.州卜. 卜. 州卜. 州卜. 州卜一 州卜. 州卜. 叫卜. 州卜一 叫卜 刁叶一 叫卜一 州卜一 州卜. 州卜一 州卜. 一 卜. 州卜- 卜 .州 卜- 卜 ” 卜一十 . 卜-一 卜.刊 卜一 刊一. 州卜. 州卜. 叫卜一 叫卜 一卜 ( 上接8 0 页) 转化率。 5结论 文中所提出的利用一次能耗比与平衡太阳能 倍率对太阳能直接供暖系统进行节能性分析的方法 也可用于其他太阳能系统的节能分析。 以燃煤锅炉为辅助能源的太阳能直接供暖系 统, 在其太阳能倍率大于平衡太阳能倍率时, 比电压
28、缩水源热泵系统节约一次常规能源; 在其太阳能倍率 小于平衡倍率时, 与电压缩水源热泵系统相比, 起不 到节约一次常规能源的作用。 以太原地区为例, 太阳能集热器安装在屋顶的 前提下, 从节约一次常规能源的角度看, 只冬季供暖 时, 以燃煤锅炉为辅助能源的太阳能直接供暖系统用 于五层及五层以下办公建筑, 其节能性优于电压缩水 源热泵。 参考文献 f 1 L . F i l i p e Me n d e s , M. C o l l a r e s - P e r e ir a , F . Z i e g l e r . S u p p l y o f c o o l i n g a n d h
29、e a t i n g w i t h s o l a r a s s i s t e d a b s o r p t i o n h e a t p u m p s : a n e n e r g e t i c a p p r o a c h J . I n t J . R e r i g . , 1 9 9 8 , 2 1 ( 2 ) : 1 1 6 - 1 2 5 2 田 琦, 张于峰, 李新禹, 等. 空调用太阳能集热器适用性探析. 暖通空调, 2 0 0 5 , 3 5 ( 2 ) : 8 9 - 9 2 3 李德坚, 唐轩, 殷志强, 等. 温室太阳能供暖 J l , 太阳能学报, 2 0 0 2 , 2 3 ( 5 ) : 5 5 7 - 5 6 3 4 J .R i c h a r d W i l l i a m s ( 美) 著, 赵玉文译 太阳 能 采暖和热水系统 的设计与安装 M . 北京: 新时代出 版社, 1 9 9 0 5 涂逢祥. 建筑节能技术 M . 北京: 中国 计划出 版社, 1 9 9 6
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