連續(xù)陰雨雪天對太陽能取暖住宅的影響及解決

吳東煥

1 國內(nèi)外太陽能利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的分析

1.1 國外太陽能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前在德國,不僅單體住宅,即一家一片的小型樓房或別墅也可以使用太陽能供暖和保證熱水的供應(yīng),而且集體住宅或多戶型的公寓也可使用太陽能。建造太陽能住宅在技術(shù)上已經(jīng)不成問題,制約太陽能住宅建造的主要原因是制度或體制問題,即誰來投資的問題。

每棟樓房都像是一座太陽能發(fā)電站。發(fā)電站除滿足本樓房的用電、供熱等全部需求外,還有剩余。

德國、美國、日本、法國、意大利等國家在太陽能住宅建筑方面發(fā)展趨勢是一個住宅在自家生產(chǎn)熱能和電能來滿足自家的熱能和電能的需用量,向著生態(tài)環(huán)保的節(jié)能型住宅發(fā)展。

日本:集合住宅的節(jié)能建筑設(shè)計主要體現(xiàn)在4個方面:1)提高密閉性。2)提高保溫性。3)多種能源組合利用。4)立體綠化。

1.2 國內(nèi)太陽能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國屬于太陽能資源豐富的國家之一,全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000h,輻射總量高于5000MJ/m2。在北方采暖地區(qū),大多數(shù)城鄉(xiāng)處于太陽能資源豐富區(qū),這為太陽能建筑的發(fā)展提供了可能。

我國太陽能利用起步較晚,但其進(jìn)展和成果比起其他國家毫不遜色,以從太陽能熱水器的普及使用到太陽能住宅的設(shè)計和試建這就說明我國太陽能利用進(jìn)展速度較快。

目前,福建、上海等地已率先在全國開始實施太陽能住宅項目工程。太陽能作為一種先進(jìn)的科技手段在房地產(chǎn)開發(fā)方面的運(yùn)用,近年來也只是在一些大中城市才有嶄露頭腳的機(jī)會,一些樓盤就此“太陽能住宅”而一舉成為樓市新寵,商機(jī)就此乍現(xiàn)。

1.3 國內(nèi)外太陽能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

我們理想的住宅是在自家生產(chǎn)熱能和電能來滿足自家的熱能和電能的需用量,使我們的住宅變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)保的節(jié)能型住宅。國外一些發(fā)達(dá)國家在太陽能利用方面較為全面、技術(shù)較成熟、推廣和建設(shè)較為普及,單體住宅,即一家一片的小型樓房或別墅上使用太陽能供暖和保證熱水供應(yīng)的例子較多,而且集體住宅或多戶型的公寓使用太陽能的例子較少,其原因是投入多產(chǎn)出少,所以開發(fā)商積極性不太大。我國的太陽能利用僅限于對太陽能熱水器的使用,而太陽能住宅的建造僅是一些試點(diǎn)而已,其原因是技術(shù)不成熟,而且有成功的實例也是單體住宅加補(bǔ)助能源。在集體住宅或多戶型的公寓使用太陽能的也只能是集中供熱水而已。

2 太陽能取暖不能推廣使用的原因

1)沒有進(jìn)行太陽能利用與房屋一體化設(shè)計。2)房屋的日耗熱量大于太陽熱能日生產(chǎn)量。3)集熱板的面積少,集熱板的安裝位置不夠用。4)儲熱箱的安裝位置及大小不當(dāng)。5)太陽能價格昂貴老百姓不能接受。解決上述問題有以下幾點(diǎn)。

2.1 集熱板的面積少且集熱板的安裝位置不夠用

與太陽熱能日生產(chǎn)量的大小有關(guān)的因素有以下三點(diǎn):

1)太陽熱能日生產(chǎn)量的大小與太陽能集熱板的面積有關(guān)。

2)太陽光輻射轉(zhuǎn)換成熱能的速率要高。

3)儲熱箱的儲熱容量要大。

集熱板在住宅中分為三個位置安裝。住宅的太陽熱能日生產(chǎn)量與冬季最大日耗熱量比值為1.27,滿足太陽熱能日生產(chǎn)量大于冬季最大日耗熱量的要求。

a.通長陽臺欄板外側(cè)安裝,其面積為 A1=1.36×8=10.88 m2。b.本住宅樓的南墻面安裝,其面積為 A2=1.4×6+1.5×1×2=11.40m2。c.本住宅樓的屋頂面安裝,其面積為 A3=1.55×8=12.40m2。d.本住宅樓集熱板的總面積為 Az=34.68 m2。

本住宅樓集熱板日生產(chǎn)的太陽熱能足以滿足本住宅在冬季里日熱能需用量。

2.2 儲熱箱的安裝位置及大小

1)儲熱箱是太陽能取暖設(shè)備系統(tǒng)中的一個重要部件,它的作用是把用集熱板采集下來的太陽熱能儲存起來為滿足室內(nèi)熱能需用量提供保障,因此必須滿足以下幾個條件:

a.儲熱箱的熱能儲量必須滿足本住宅在連續(xù)幾天陰天,并且無熱能生產(chǎn)時的熱能需用量。從氣象資料得知,最不利情況是連續(xù)陰雪天能達(dá)到7 d。

b.7 d的熱能需用量等于本住宅7 d的最大耗熱量之和。

c.儲熱箱的保溫性能盡量要好,即儲熱箱內(nèi)的水溫度下降盡量要小。從計算得知冬季一日內(nèi)儲熱箱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱使儲熱箱內(nèi)水溫度降低ΔtJ=1.13℃。

2)儲熱箱的容量計算。

a.儲熱箱儲滿熱量時其熱量應(yīng)滿足用戶7 d的使用量。

b.在滿足上述條件的前提下必須在取暖設(shè)備間要有足夠的安置空間,并且儲熱箱與集熱板間距離要近。

儲熱箱容量計算如下:

a.7 d的最大耗熱量合計:Qh=290642.52 W。

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如果儲熱箱內(nèi)的水溫保持在70℃時其儲熱箱容量為:

這就說明要滿足用戶7 d的熱能使用時儲熱箱的容積必須大于3.579 m3。本住宅所設(shè)計的儲熱箱分為一個大儲熱箱和兩個小儲熱箱,而本住宅的儲熱箱總?cè)莘e為 L=0.87×0.63×2.3×2+1.56×0.87×2.3=5.643 m3。如果儲熱箱內(nèi)水溫為70℃時能夠維持的熱能使用天數(shù)為(5643×70×1.16-5643×18×1.16)÷(1421.91×24+7394.52)=340385.76÷ 41520.36=8.20d(1421.91×24=34125.84 W為冬季室內(nèi)日最大耗熱量,7394.52 W為儲熱箱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)日耗熱量)。這就說明本住宅的儲熱箱內(nèi)水溫在70℃時能夠滿足8 d的熱能需用量。

b.一日內(nèi)儲熱箱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量使儲熱箱內(nèi)水溫下降值計算:

c.一日內(nèi)住宅最大耗熱量使儲熱箱內(nèi)水溫下降值計算:

d.一日內(nèi)上述兩項耗熱使儲熱箱內(nèi)水溫下降值計算:

e.一日內(nèi)住宅太陽熱能生產(chǎn)量使儲熱箱內(nèi)水溫上升值計算:

Δts=52554.74÷1.16÷5643=8.03℃(52554.74 W 為太陽熱能日生產(chǎn)量,1.16為水比熱,5643 kg為儲熱箱水重)。

f.一日內(nèi)住宅太陽熱能生產(chǎn)量與耗熱量比值:

這就意味著一天的太陽熱能生產(chǎn)量能提供1.27 d的熱能使用。在冬季里如果有累計10d的太陽熱能生產(chǎn)時間的話就有2.7 d的熱耗用量的儲備。

3)春、夏、秋三季的太陽熱能采集儲存起來轉(zhuǎn)移至冬季使用,為說明上述問題要弄清以下幾個問題:

a.春、夏、秋三季的日照時間比冬季日照時間長、輻射強(qiáng)度高。b.春、夏、秋三季一般不對住宅進(jìn)行取暖,所以在計算上述問題時只計算儲熱箱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗去的熱量。另外春、夏、秋三季的環(huán)境溫度比冬季環(huán)境溫度高,所以所耗去的熱量也相對要小。c.因春、夏、秋三季溫度高、日照時間長、輻射強(qiáng)度高,所以太陽熱能日生產(chǎn)量大、質(zhì)量高(質(zhì)量高指的是水溫高)。特別是秋季白天溫度高、日照時間長、輻射強(qiáng)度高、晴天多陰天少是生產(chǎn)太陽光輻射熱能和儲備熱能的大好時機(jī)。在上述中已敘述儲熱箱內(nèi)水溫日增高量為Δts=8.03℃,而耗出去的熱能所致使儲熱箱內(nèi)水溫度日下降量為ΔtJ1=1.13℃。這樣一天內(nèi)儲熱箱內(nèi)總水溫升高值為ΔtJ總=8.03-1.13=6.9℃。這樣日復(fù)一日地進(jìn)行儲熱在入冬取暖之前儲熱箱內(nèi)熱能儲備是灌滿的狀態(tài)。這里滿的狀態(tài)指的是在整個三季中儲熱箱內(nèi)水溫最高時的狀態(tài),即儲熱箱所存的熱能最多時的狀態(tài)。進(jìn)入冬季以后開始取暖,所以熱能日耗用量也隨即增長,又因為日間氣溫下降不那么大而是緩慢的下降,可以推算出日間平均氣溫下降值為0.307℃,所以熱能日耗用量也隨即慢慢的增長,但冬季的太陽熱能日生產(chǎn)量大于本實驗住宅的日耗熱量,所以儲熱箱始終保持熱能滿的狀態(tài)。除非太陽熱能日生產(chǎn)量小于本住宅的日耗熱量時和連續(xù)幾天陰天時動用積蓄的熱能。這樣把三季的熱能儲存起來移至冬季使用是可能的。

3 結(jié)語

1)在太陽能取暖住宅設(shè)計時必須要讓該住宅的日耗熱量低于建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo),并且其低的幅度值為5 W/(m2?℃)。2)在太陽能取暖住宅設(shè)計時要讓該住宅的太陽熱能日生產(chǎn)量必須大于該住宅的日耗熱量。3)在太陽能取暖住宅設(shè)計時必須要進(jìn)行該住宅的太陽熱能日生產(chǎn)量和該住宅的日耗熱量計算對比。根據(jù)該住宅的太陽熱能日生產(chǎn)量和該住宅的日耗熱量計算對比,結(jié)果確定該住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所用的材料及集熱板的面積。4)儲熱箱的大小要根據(jù)該住宅在冬季里連續(xù)7 d陰雪天時最大累計耗熱量來計算確定其容量,這樣才能補(bǔ)充太陽能不穩(wěn)定和輻射密度不高的弱點(diǎn)。5)把春、夏、秋三季的熱能儲存起來移至冬季使用是可能的。

[1]周勇剛.德國廣泛利用太陽能[N].中華工商時報,2008-09-02.

[2]沈 驊.當(dāng)前國內(nèi)外建筑中太陽能能源利用的現(xiàn)狀分析[J/OL].中國論文下載中心,2008-07-28.

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