嚴寒地區典型村鎮住宅的太陽能供熱采暖系統設計
西安建筑科技大學 鄧帶麗 李安桂
（2.1.1）
——熱水密度，Kg/L。
（3.1.1）
——太陽能集熱器設計月平均集熱效率，無量綱，經驗取值為0.25～0.50，具體數值由實際測定選取，在此選中間值0.37；
——管路、貯熱水箱熱損失率，無量綱，根據經驗取0.20～0.30，取中間值0.25。
（3.1.2）
0 引 言
村鎮太陽能的有效利用方式與氣候區及建筑形式密切相關。我國太陽能資源豐富，年平均太陽輻射在3340～8400MJ/m2，年日照時數超過2200h的地區約占全國國土面積的2/3以上[1]。同時我國疆域廣闊，氣候多樣，因地域、氣候和生活方式不同而異彩紛呈的多種建筑形式。本文以太陽能資源區劃指標Ⅲ類（太陽輻照量4200～5400MJ/(m2·a) [8],屬嚴寒氣候區的遼寧省沈陽市東陵區朝鮮族的典型住宅為例，對其進行供熱采暖系統設計。
1 典型建筑的基本概況
沈陽市東陵區處于我國東北地區，月平均最低氣溫達-12℃，屬嚴寒區，采暖期長達151天，采暖負荷占整個建筑負荷的60%。沈陽市的太陽能水平面年輻射量在5000-5400 MJ/㎡，年日照時數在2200-3000h，屬于Ⅲ類太陽能資源區[8]。
本設計中所選建筑是沈陽市典型的建筑形式[5]，如圖1-1所示，底層采用傳統的布局形式，以滿足老年人對傳統環境的喜好，為了合理的利用太陽能將主要功能房間布置于南向，同時考慮充分利用太陽能，加大南向窗面積，以及添加陽光間，作為冬季。在組合形式上，為了節能省地，本建筑取締了獨院式建筑布局形式，選擇4-6戶相連的組合式布局。本圖選擇聯排式中冬季最不利的一戶為例。
由于經濟條件的差異遼寧省村鎮建筑的結構形式多樣，其中磚混結構占主要部分[2]，根據《遼寧省民用建筑節能設計標準實施細則》DB 21/1007-1998（采暖部分）規定，建筑維護結構的基本信息如表1-1.
（a）一層平面圖 (b) 二層平面圖
圖1-11 典型住宅
表1-1典型住宅維護結構基本信息[6]
|
外墻材料層
|
厚度
|
導熱系數
|
熱阻
|
總傳熱系數W/(㎡、K)
|
|
（mm）
|
W/(m、K）
|
(㎡、K）/W
|
0.49
|
|
|
白灰砂漿
|
20
|
0.81
|
0.02
|
|
|
承重空心磚墻
|
240
|
0.58
|
0.41
|
|
|
聚苯板
|
80
|
0.05
|
1.6
|
|
|
承重空心磚墻
|
120
|
0.58
|
0.21
|
|
|
水泥砂漿
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
|
屋頂材料層
|
厚度
|
導熱系數
|
熱阻
|
總傳熱系數
|
|
（mm）
|
W/(m、K）
|
(㎡、K）/W
|
W/(㎡、K)
|
|
|
防水層
|
10
|
0.17
|
0.06
|
0.44
|
|
水泥砂漿找平層
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
|
干爐渣找坡
|
100
|
0.435
|
0.23
|
|
|
水泥聚苯板
|
80
|
0.081
|
0.99
|
|
|
加氣混凝土條板
|
200
|
0.25
|
0.8
|
|
|
混合砂漿抹面
|
20
|
0.87
|
0.02
|
|
|
帶玻璃陽臺外門雙層金屬框
|
3.26
|
|||
|
單框二層玻璃窗
|
3.49
|
|||
|
雙面抹灰24磚墻
|
1.72
|
|||
2 熱負荷
2.1 生活熱水負荷
根據《建筑給排水設計規范》GB50015-2003的規定，住宅建筑中當有集中熱水供應和沐浴設備時，每人每日最高日用水定額為60～100L[3]，農村地區用水相對較少，取小值60L。考慮目前農村家庭總人數為4人，則總熱水量為240L/d.
根據《建筑給排水設計規范》GB50015-2003的規定，熱水系統的熱水供水溫度宜控制在55～60℃為好。溫度超過60℃，管道易結垢及腐蝕，溫度低于55℃，不易殺死水中的各種細菌。但太陽能集熱器在低溫狀態下的熱效率高，其在熱水出水溫度為45℃時，熱效率最高。而對于生活熱水使用的水溫一般為37-45℃ ，且采用地板輻射的末端散熱系統，熱水溫度一般為35 -55℃ 較合適[1]，因此在此選擇集熱器出水溫度時采暖地區為45℃。由于沈陽市農村飲水多取自井水，年平均水溫在6-10℃[3]，取中值8℃熱負荷按式（2.1.1）計算：
（2.1.1）式中 Qh——設計小時耗熱量， J；
m——用水計算單位數，人數或床位數；
qr——熱水用水定額，L/人.D或L/床.d等。
C——水的比熱，c=4187J/(Kg.℃)；
tr——熱水溫度，一般取tr=60℃ ；
tL——冷水溫度，沈陽地區取8℃；
——熱水密度，Kg/L。則日生活熱水負荷為37.18MJ,各月熱水負荷如表2-1。
表2-1 各月生活熱水負荷 單位：MJ
|
月份
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
生活熱水負荷
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
2.2采暖熱負荷
為了適應不同經濟條件下建筑熱舒適性的要求，設計了室內采暖設計溫度分別為18℃的標準型和室內設計溫度為10℃的基本型兩種采暖模式。根據《采暖通風與空氣調節設計規范規范》（GB 50019-2003）及《簡明供熱設計手冊》的要求，選取各參數，計算各房間耗熱量，以老人居室及兒童間為例其計算值如表2-2，其他房間類同.
表2-2 老人居室、兒童間耗熱量計算表
|
維護結構
|
標準型
|
基本型
|
|||||||||||
|
老人居室
|
兒童間
|
老人居室
|
兒童間
|
||||||||||
|
南外墻
|
南外窗
|
南外墻
|
南外門
|
屋頂
|
南外窗
|
南外墻
|
南外窗
|
南外墻
|
南外門
|
屋頂
|
南外窗
|
||
|
面積 ㎡
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
|
|
傳熱系數 W/(㎡、K）
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
|
|
室內溫度 ℃
|
18
|
10
|
|||||||||||
|
室外溫度 ℃
|
-19
|
-19
|
|||||||||||
|
溫差 ℃
|
37
|
29
|
|||||||||||
|
溫差修正系數
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
|
|
基本耗熱量 （w）
|
119.66
|
325.67
|
107.69
|
289.71
|
217.58
|
180.93
|
93.79
|
255.26
|
84.41
|
227.07
|
170.54
|
141.81
|
|
|
耗熱量修正
|
朝向 %
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
|
風向 %
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
|
高度附加（%）
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
|
|
修正后耗熱量 （w）
|
95.7
|
260.5
|
86.2
|
231.8
|
217.6
|
144.7
|
75.0
|
204.2
|
67.5
|
181.7
|
170.5
|
113.4
|
|
|
高度修正
|
0.0
|
2.0
|
0.0
|
2.0
|
|||||||||
|
維護結構耗熱量w
|
95.7
|
260.5
|
87.9
|
236.4
|
221.9
|
147.6
|
75.0
|
204.2
|
68.9
|
185.3
|
173.9
|
115.7
|
|
|
空氣滲透耗熱量 w
|
147.8
|
138.3
|
115.8
|
108.4
|
|||||||||
|
總耗熱量 w
|
504.0
|
832.1
|
395.1
|
652.2
|
|||||||||
將各房間的耗熱量疊加算出月耗熱量，得采暖期月負荷，月負荷如表2-3
表2-3 采暖負荷 單位：MJ
|
月份
|
11
|
12
|
1
|
2
|
3
|
|
月平均溫度 ℃
|
0.0
|
-8.5
|
-12.0
|
-8.4
|
0.1
|
|
采暖天數
|
30.0
|
31.0
|
31.0
|
28.0
|
31.0
|
|
傾斜面月平均日太陽輻射量MJ/(㎡、d)
|
13.9
|
11.4
|
12.165
|
15.9
|
18.3
|
|
標準型供暖熱負荷指標 MJ/㎡
|
25.6
|
37.7
|
42.7
|
37.6
|
25.5
|
|
標準型供暖熱負荷 MJ
|
8828.0
|
13429.9
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
|
基本型供暖熱負荷指標 MJ/㎡
|
15.3
|
21.1
|
33.7
|
28.2
|
15.2
|
|
基本型供暖熱負荷 MJ
|
4706.0
|
6689.5
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
綜合表2-1、2-3得月平均總負荷，如表2-4.
表2-4 月平均總負荷
|
總負荷 MJ
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
生活熱水負荷 MJ
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
|
標準型采暖負荷 MJ
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
|
基本型采暖負荷 MJ
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
|
標準型總負荷 MJ
|
16356.7
|
13125.5
|
10224.5
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
|
基本型總負荷 MJ
|
11851.3
|
9122.7
|
5967.2
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
|
總負荷 MJ
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
生活熱水負荷 MJ
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
|
標準型采暖負荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
8828
|
13429.9
|
|
基本型采暖負荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
4706
|
6689.5
|
|
標準型總負荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
9943.4
|
14582.9
|
|
基本型總負荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
5821.4
|
7842.5
|
3 太陽能系統設計
3.1 集熱器選擇
目前我國應用較多的集熱器有平板式和真空管式，平板式價格便宜易與建筑結合，維修費用低，但在環境溫度低于零度時需考慮防凍。在得熱量方面，夏季平板型略高于真空管型，過度季持平，在北方地區的冬季低于真空管，因此平板型的年得熱量小于全玻璃真空管集熱器[8]。真空管有熱管式與玻璃管式，但真空管價格高，由于出水水溫高易結垢，影響集熱效果。綜合考慮以上因素選擇玻璃真空管集熱器。
3.2集熱面積的確定
根據《太陽能供熱采暖應用技術手冊》的規定，直接式太陽能集熱器面積計算式為：
（3.1.1）式中 Ac——直接系統太陽能集熱面積，m2；
Q——熱負荷，W ，方案一取年熱水平均負荷，方案二取采暖期內平均采暖負荷；
f——太陽能保證率，無量綱，一般在0.30～0.80，沈陽地區短期蓄熱系統取10%-30%，，在此取10%；
JT——采暖期內當地集熱器總面積上平均日太陽能輻射量， J/m2;
——太陽能集熱器設計月平均集熱效率，無量綱，經驗取值為0.25～0.50，具體數值由實際測定選取，在此選中間值0.37；——管路、貯熱水箱熱損失率，無量綱，根據經驗取0.20～0.30，取中間值0.25。間接式太陽能系統集熱面積按式（3.1.2）計算：
（3.1.2）式中 AIn——間接系統太陽能集熱總面積，m2；
AC——直接系統集熱總面積，m2；
FRUL——集熱器總熱損失，W/（m2.℃),因集熱器類型及制造廠家不同取值而不同，一般平板型集熱器取4～6，真空管型取1～2，具體數值由實際測定選取。
Uhx——換熱器傳熱系數，W/（m2.℃)；
Ahx——間接系統熱交換器換熱面積，m2。
雖然在防凍方面間接式具有較大優勢，但直接式系統控制簡單、維修方便、投資低、集熱效率遠高于間接式系統，綜合考慮上述各方因素在此選直接系統。
（1） 方案一 由2.1計算可知全年熱水平均日負荷為37.2MJ，太陽能資源Ⅲ類區熱水系統太陽能保證率推薦選用值為40%-50%[7],本方案中取50%。由此計算太陽能集熱面積為4.2㎡，取4㎡。
（2） 方案二 舒適型與基本型采暖期內采暖日平均負荷分別為425MJ，269MJ，太陽能資源Ⅲ類區供熱采暖采暖系統太陽能保證率推薦選用值為10%-30%[8]，取最小值10%。
經計算得直接式集熱器面積為11㎡（標準型）、7㎡（基本型）。根據月平均太陽輻射量計算得出11㎡（標準型）、7㎡（基本型）集熱面積產熱量。見圖3-1.
圖3-1 太陽能集熱面積產熱量
從圖上可看出：（1）采暖負荷是生活熱水負荷近10-20倍。（2）月平均太陽能產熱量變化不大。（3）太陽能集熱器面積為11㎡，在采暖季的2、3、11月除能提供100%的生活熱水負荷外，還能提供近2%的采暖負荷，但在非采暖季節熱水大量過剩，在5月份甚至達到生活熱水負荷的153%，因此若采用此太陽集熱面積為了保證系統的安全需采取，如遮擋1/3以上的太陽能集熱面積；7㎡的太陽能集熱器面積能滿足全年生活熱水負荷的83%，其中在3、4、5月份能滿足生活熱水負荷的95%。
3.3 輔助熱源
由于天氣的影響，太陽能系統具有很大的不確定性，為了保證系統的可靠性，必須設計輔助熱源。輔助熱源應根據當地的條件選擇，可選擇電加熱，燃油、燃氣，工業余熱、熱泵或生物質能等。沈陽市秸稈、柴薪豐富，在其生活用能中，生物質能也占總生活用能的60%以上[4]，因此優先考慮生物質作為輔助能源。對于經濟條件較好，生物質少的家庭也可利用熱泵、電或煤炭作為輔助能源。
4 系統經濟性分析
根據《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》的規定，計算得太陽能系統年節能量為：方案一年節能量8420MJ;方案二年節能量14562.7MJ（標準型）/11233.5MJ(基本型)，如果取鍋爐的效率為80%，則方案一節約標準煤287.3kg,方案二節約標準煤496.9kg/383.3kg。若集熱器的使用壽命為15年，則壽命期內方案一可節約標準煤4309.4kg，方案二可節約標準煤7453.3kg/5749.4kg。取沈陽市的電價為0.5元/(KW、h)，加熱設備效率按95%，則折算的熱價為0.15元/MJ，取單位集熱器面積為1200元，維修費用取為投資費用的1%，則壽命期內方案一可節省費用17053.1元，方案二可節省費用7187.6元/7591.0元。投資回收年限為：方案一4.6年，方案二8.6年/6.7年。壽命期內CO2減排量分別為：方案一12.1t，方案二20.9t/16.1t。
5 結論
通過以上的計算分析可以得出：
1.方案一與方案二相比（即熱水系統比采暖系統），在壽命期內節省的總費用及動態投資回收年限方面，前者更具優勢。
2.方案二中，按室內設計溫度為18℃的標準型太陽能供熱采暖系統與設計溫度為10℃的基本型太陽供熱采暖系統相比，在壽命期內節省的總投資費用及動態投資回收年限方面，后者更優，且前者在非采暖季節熱水大量過剩，需采取防過熱措施。
6 致謝
本文為國家“十一五”科技支撐計劃重大課題“村鎮住宅設備標準化設計技術與軟件開發”（ 2008BAJ08B07）及國家自然科學基金資助（資助號No.50778145）的部分內容，特此鳴謝。
參考文獻
[1] 國家住宅與居住環境工程技術研究中心著.住宅建筑太陽能熱水系統整合設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.
[2] 陳士芹.我國太陽能采暖和供水系統經濟性研究與開發[J].科學決策，2008（11）：6
[3] 建筑給排水設計規范[S].GB 50015-2003.
[4] 清華大學建筑節能研究中心 著.中國建筑節能年度發展研究報告2009[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.
[5] 劉軍、劉玉軍、白芳編。新農村住宅圖集精選[M].北京：中國社會出版社，2008.
[6] 遼寧省民用建筑節能設計標準實施細則[S]. DB 21/1007-1998
[7] 鄭瑞澄主編.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2006.
[8] 何梓年、朱敦知主編.太陽能供熱采暖應用技術手冊[M].北京：化學工業大學出版社，2009。
湘公網安備43011102000873號
