山東建筑大學 王蓮蓮 劉學來 李永安
摘 要：本文以濟南寒冷地區的典型氣象參數為依據，通過建立標準的建筑模型，對供暖面積與太陽能集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的匹配進行了分析。隨后,從保溫層厚度方面出發，研究了三者之間的數量關系。研究結果表明,選擇合適的保溫層厚度，不僅會減少蓄熱水箱的全年熱損失，而且會使集熱器面積與蓄熱水箱之間的匹配達到最優。繪制出了供暖面積與集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的擬合曲線圖，為研究在相同保溫層厚度下的供暖面積提供了一種有參考價值的方法。
關鍵詞：跨季節蓄熱的太陽能; 供暖面積 ;蓄熱體體積; 集熱器面積; 優化匹配
基金項目：山東建筑大學博士基金（1224021）；建設部發展計劃（939212） 。
0 引言
跨季節蓄熱的太陽能技術已相對成熟，但仍然存在著許多問題，在跨季節蓄熱的太陽能系統中，存在著集熱器和水箱不匹配的問題，造成了能量不能合理有效的得到利用。傳統的計算集熱器面積與水箱體積的方法是先收集幾個月的熱量，按照規范提供的容積選擇范圍來選擇集熱器的采光面積[1]，為1400~2100L/m2。這種方法會使得蓄熱水箱的體積與集熱器的面積過度的不匹配，從而導致許多故障。同時會改變水箱內的蓄熱狀態[2]，在水箱體積過小的情況下，會使得水箱內水溫高于 85℃而汽化，嚴重影響蓄熱效果。若水箱體積過大，水溫過低，無法滿足直供水溫的條件，就會增加輔助熱源的用量，造成能量的浪費。
國內外有許多學者就集熱器面積和水箱體積方面給出了一定的優化。Mo. Chung 等人利用 Trnsys 模擬[3]，研究出了最佳水箱容積、集熱器面積和太陽能保證率之間的關系；張時聰、姜益強等人對哈爾濱一棟示范樓做數值模擬[4]，得到了在哈爾濱地區與 100m2的集熱器相匹配的地下水池半徑推薦值；王選設計了太陽能蓄熱供熱系統優化設計軟件[5]，通過輸入相關的條件，從而給出推薦蓄熱水箱蓄集熱比。他們從不同的角度研究了集熱器面積與蓄熱體體積之間的關系，對跨季節太陽能蓄熱技術的完善有重要的意義。
本文主要研究建筑的供暖面積、集熱器面積、蓄熱水箱體積之間的具體關系，就寒冷地區濟南的氣象條件為基礎，以濟南某小學建筑作為一個結構單元，通過計算比較，給出了集熱器面積與蓄熱水箱體積之間關系的一種計算方法，避免了由于傳統的計算方法造成的集熱器面積與水箱體積過度不匹配，而造成的能量浪費。同時，從蓄熱水箱的保溫層厚度方面出發，給出了三者之間的關系。為集熱器面積、蓄熱體體積的選擇提供了一種方法。
1 系統的組成及工作原理
設計的系統由太陽能集熱器、蓄熱裝置、輔助熱源、末端等幾部分組成。工作原理為在非供暖季，建筑不需供熱，集熱器只需把太陽能收集起來，儲存在蓄熱裝置中；在供暖季，太陽能集熱器一方面收集太陽能供給建筑，同時，將蓄熱裝置中的熱量也供給建筑。若此時還不能滿足建筑的熱負荷，就需要借助輔助熱源來滿足建筑的供暖需求。圖1是跨季節太陽能供暖系統的工作流程圖。
圖1 跨季節太陽能供暖系統運行的工作流程圖
2 熱負荷、集熱器面積、蓄熱體體積三者的關系
2.1 熱負荷分析
建筑熱負荷的消耗與建筑的圍護結構、當地的氣候條件有密切關系。濟南地區屬于寒冷地區，冬季的供暖期為120天，即11月15號至3月15號。根據《供暖通風設計手冊》濟南地區小學建筑的采暖熱指標為58W/m2。
本設計通過利用標準建筑模型來分析跨季節太陽能系統的集熱器面積和蓄熱體體積之間的匹配關系和系統的經濟性，下面選取標準建筑進行熱負荷的估算。以建筑面積為500m2的建筑為標準單元結構，分別選定采暖面積為1000m2、1500m2、2000m2、2500m2、3000m2的建筑為研究對象，分析跨季節太陽能供暖系統在對不同供暖面積下，最佳蓄熱體積與集熱器面積之間數量關系。不同供暖面積下的建筑冬季供暖所需總的熱量如下表1所示。
表1 不同面積的建筑冬季供暖所需總熱量
2.2 蓄熱體體積的設計計算
跨季節太陽能蓄熱系統根據蓄熱介質可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學蓄熱。在實際工程中，應用最多還是顯熱蓄熱。顯熱蓄熱分為四種：熱水蓄熱、礫石–水蓄熱、埋管蓄熱、含水層蓄熱[6]。選擇哪種蓄熱方式，應該因地制宜，根據當地的氣候條件，系統形式等因素來決定。在這四種蓄熱方式中，用的較多的蓄熱介質是水、土壤、砂礫。由于水資源的匱乏和初投資比較大等問題，所以蓄熱介質中最常用的是土壤和砂礫。
根據濟南地區的實際情況，選擇土壤和礫石的混合介質作為本系統的蓄熱介質（土壤具有傳熱、隔熱、儲熱的功能，是良好的傳熱材料和儲熱材料）。該蓄熱體的熱容量約為水的0.65倍，（每立方米蓄熱介質的熱容量為2800kJ/m3℃）[7]。蓄熱體的溫度范圍為15℃~65℃。若采暖季所需總熱量全部由蓄熱裝置提供，則不同供暖面積所需蓄熱介質總體積（暫不考慮蓄熱體的蓄熱損失），詳見表2。
表2 提供全部熱量時蓄熱體總體積
在冬季供暖期，建筑供暖所需熱負荷大部分由太陽能集熱器直接供給，只有不足部分的熱量由蓄熱體提供，所以蓄熱體的體積可以進一步得到優化。
2.3 集熱器面積的設計計算
集熱器是系統的主要熱源，不僅在供暖季直接給建筑供熱，而且在非供暖季，向蓄熱體提供熱量，合理的計算集熱器面積對整個系統是至關重要的。
濟南地區屬于太陽能豐富的三類地區，該小學在夏季最炎熱時期放兩個月的暑假，而冬季的寒假時間則比較短，顯而易見，供暖時間遠大于供冷時間，可以將夏季多余的熱量存儲起來以供冬季使用，所以采用跨季節蓄熱的太陽能系統是正確的選擇。
根據濟南地區典型氣象年的數據可以得到傾角等于當地緯度傾斜面上的太陽輻射的月總輻射量（圖2根據國家氣象中心氣象信息中心氣象資料室提供的數據資料繪制）。
圖2 濟南地區緯度傾斜面上的太陽輻射的月總輻射量
在4至10月份為非采暖季，太陽的月總輻射量500MJ/m2以上，而在采暖季的11月至3月，太陽的月總輻射量約為264.41MJ/m2。此系統主要是將非采暖季的太陽輻射量通過蓄熱體蓄存起來。在采暖季，太陽輻射不能滿足采暖需求時，可將蓄熱體中的熱量加以利用。
11月至3月的太陽能月總輻射量為1322.04MJ/m2，4月至10月的太陽能月總輻射量為3525.28MJ/m2。在不考慮系統熱損失的情況下，假定太陽能集熱器的集熱效率為50%，根據建筑的總需熱量得出不同采暖面積下的太陽能集熱器的面積，如下表3。
表3 太陽能集熱器的面積
根據以上數據分析，建筑的采暖面積、蓄熱體體積、集熱器的面積之間關系約為4:17:1，這是在不考慮系統的熱損失的情況下得出的。但是在實際的工程中，要考慮到的內容要比這復雜的多。不僅要考慮到管道熱損失，還要考慮蓄熱體的保溫層厚度，蓄熱體的保溫層厚度不同也會直接影響到蓄熱體體積和集熱器的面積的變化。
3 保溫層厚度的選擇
蓄熱體周圍要做保溫措施，合理的保溫措施會減少熱量的損失，保證系統的高效性。保溫措施包括保溫材料的選擇、厚度的選擇。這里重點介紹在不同的保溫層厚度下，熱負荷、集熱器面積、蓄熱體體積之間的關系。本實驗選擇的保溫材料為建筑保溫材料巖棉板，巖棉板的導熱系數為0.036W/(m·℃)，蓄熱體內部的平均溫度為40℃，蓄熱體外表面土壤的平均溫度為15℃[7]。保溫層的厚度選擇為50mm、100mm、200mm，相對應的50mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為18W/m2，100mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為9W/m2，而200mm厚的保溫材料單位面積上的熱損失為4.6W/m2。
3.1 保溫層的厚度為50mm
假設采暖期總的供熱量為Q，集熱器的集熱面積為A，蓄熱體的長寬高均為b，根據前面的分析可得出，采暖期總的供熱量等于采暖季集熱器的直接供熱量乘以集熱器的面積與蓄熱體單位體積的蓄熱量乘以蓄熱體體積的和：
Q =661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
集熱器在非采暖季蓄存的熱量等于蓄熱體在非采暖季蓄存的熱量和蓄熱體的全年熱損失之和：
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+3405.9MJ/m2·b2
661.02MJ/m2為集熱器在供暖季單位面積上的吸熱量；140MJ/m3為蓄熱體單位體積上的蓄熱量；1762.64MJ/m2為集熱器在非供暖季單位面積上的吸熱量；3405.9MJ/m2為保溫層厚度為50mm的全年熱損失之和（蓄熱體的熱損失只跟蓄熱體的外表面積有關）。
根據上述兩式，可以得出不同采暖面積下，熱負荷、蓄熱體體積、集熱器面積之間的關系。（考慮到管道的熱損失，可以將集熱氣的面積附加5%）如下表4所示。
表4 跨季節太陽能蓄熱系統評價
根據上表分析可得，蓄熱體的熱損失比較大，損失的熱量約為蓄熱量的二倍，為了較少系統的熱損失，就需要增加保溫層的厚度。同時，我們也可以得出，采暖面積、蓄熱體體積、集熱器面積之間的關系約為2:4:1。詳見圖3。
由所得的建筑采暖面積、集熱器面積、蓄熱體體積的各對應數值，將三者進行擬合，如圖3所示，得到采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：
Y=-3×10-0.7×x2+2.0225x-1.2
采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：
Z=3×10-0.7×x2+0.5043x+1.6
有這兩條擬合曲線，可以求出當保溫層厚度為50mm時，其他面積下各自對應的集熱器面積、蓄熱體體積。
3.2 保溫層厚度為100mm
當保溫層的厚度為100mm時，前述的兩個公式改為：
G=661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+1778.16MJ/m2·b2
根據這兩個公式，可以得出不同供暖面積下的蓄熱體體積、集熱器面積。如下表5所示。
表5 跨季節太陽能蓄熱系統評價
從圖表中可以計算出，當保溫層的厚度為100mm時，蓄熱體的全年熱損失約等于蓄熱體在非供暖季蓄存的熱量，相比于保溫層的厚度為50mm時，蓄熱體的熱損失和集熱器面積都減少了，而蓄熱體體積增大了，提高了蓄熱系統的熱效率。詳見圖4。
當保溫層厚度為100mm時，由不同的采暖面積，得到三者之間的擬合曲線圖，見圖4，采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：
Y=3×10-0.7×x2+2.4695x+0.2
采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：
Z=-1×10-0.6×x2+0.4098x-2.8
有這兩條擬合曲線，可以求出當保溫層厚度為100mm時，其他面積下各自對應的集熱器面積、蓄熱體體積。
3.3 保溫層厚度為200mm
當保溫層的厚度為200mm時，相對應的公式改為：
G=661.02MJ/m2·A +140MJ/m3·b3
1762.64MJ/m2·A=140MJ/m3·b3+876.33MJ/m2·b2
由上述兩式可以得出不同采暖面積下的集熱器面積的值，如下表6所示。
表6 跨季節太陽能蓄熱系統評價
從圖表中可以看出，當保溫層的厚度為200mm時，會使得蓄熱體的熱損失進一步減少，相應的集熱器面積也減少，但是蓄熱體的體積會繼續增大。若保溫層厚度過大，會使得系統的初投資大大增加，綜合考慮，保溫層的厚度不宜過大。根據實際情況選擇合適的保溫層厚度，不僅可以減少系統的熱損失，而且會使得初投資比較小，增加系統整體的效益性。詳見圖5。
圖5 保溫層200mm時采暖面積、蓄熱體體積、集熱器面積之間的擬合曲線
當保溫層厚度為200mm時，由不同的采暖面積，得到三者之間的擬合曲線圖，見圖5，采暖面積與蓄熱體體積之間的擬合曲線為：
Y=6×10-0.7×x2+2.7733x+2
采暖面積與集熱器面積之間的擬合曲線為：
Z=-1×10-0.6×x2+0.3418x-2.8
有這兩條擬合曲線，可以求出當保溫層厚度為200mm時，其他面積下各自對應的集熱器面積、蓄熱體體積。
4 結論
通過以上對跨季節太陽能蓄熱系統的供暖面積、熱負荷、蓄熱體體積、集熱器面積的計算分析可得如下結論：
（1）在太陽能比較豐富的地區，如濟南地區，非供暖季的太陽能月總輻射量為3525.28MJ/m2，若不能充分利用，則會被浪費。將非供暖季的太陽能熱量通過集熱器、蓄熱體等裝置得到充分的利用，來滿足冬季供熱量的不足，這既有經濟效益，又具有一定的環保效益。
（2）根據當地的實際狀況來選擇合適的保溫層厚度，在不同的保溫層厚度下，相同的供暖面積對應不同的集熱器面積，蓄熱體體積。同時，在保溫層厚度為50mm、100mm、200mm時，分別對應的熱損失為3405.9MJ/m2、1778.16MJ/m2、876.33MJ/m2。蓄熱體的熱損失不同，會直接影響到系統的整體經濟性。
（3）通過給出保溫層厚度為50mm、100mm、200mm下供暖面積、集熱器面積、蓄熱體體積三者之間擬合曲線圖，在相應的保溫層厚度下，不僅可以合理的匹配三者之間的數量關系，而且也給在其他的保溫層厚度下，匹配三者之間的關系，提供了一種方法。
參考文獻
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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