太陽能供熱采暖在小型辦公樓的應(yīng)用與分析

摘 要：在小型辦公樓中應(yīng)用太陽能電輔助加熱系統(tǒng)供熱采暖，以天津地區(qū)900m2的三層辦公樓為例，計算熱負(fù)荷和集熱器面積，設(shè)計集熱器安裝方案，計算蓄熱水箱體積。利用TRNSYS軟件對本系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析得出在采暖和生活熱水方面均能滿足用戶需求，在節(jié)約能源和減少碳排放方面體現(xiàn)出了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：太陽能；電加熱；辦公樓；TRNSYS；模擬

中圖分類號：TU832；TU822；TU18

該建筑是一座新建的辦公樓，位于天津市，高3層，層高3.6米，南北向，總建筑面積為900㎡，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合節(jié)能50%標(biāo)準(zhǔn)，建筑耗熱量指標(biāo)為20.5W/㎡[1]。采用地板輻射采暖，采暖季的室溫需達(dá)到18℃以上，生活熱水溫度全年達(dá)到40℃以上。天津地區(qū)采暖期為120天；熱水負(fù)荷設(shè)計最高日用熱水定額取100L/人，平均日用熱水量取5L/人/班。計算得采暖負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷總量為63000kJ。

1 集熱器設(shè)計

集熱系統(tǒng)采用平板式太陽能集熱器，集熱器集熱面積計算公式為：

其中，Ac為直接式太陽能供熱采暖系統(tǒng)總面積；QH為日平均采暖負(fù)荷；太陽能保證率f一般取0.3-0.8[2]；JT為當(dāng)?shù)夭膳谠诩療崞靼惭b傾斜面上的平均日太陽能輻射，天津地區(qū)為10586kJ/m2[3]，集熱效率為0.47，系統(tǒng)平均集熱效率ηcd一般取0.25-0.5；系統(tǒng)管道及儲熱水箱熱損失率ηL一般取0.2-0.3[4]；集熱器面積計算結(jié)果為242m2。采用太陽能集熱器與建筑的一體化設(shè)計，使太陽能集熱器作為屋頂或幕墻的一部分，減少地面占地面積，而且可以減少原有的建筑材料，進(jìn)而降低建筑費用[5]。集熱器選擇正南放置，傾角為40度。將一部分太陽能集熱器安裝于朝南的幕墻或女兒墻，另一部分安裝于樓頂。

2 蓄熱系統(tǒng)設(shè)計

由于本項目側(cè)重于冬季采暖，綜合考慮造價和節(jié)能效果等因素，采用熱水蓄水池的方式，蓄水池設(shè)置在凍土層以下。季節(jié)蓄熱供熱采暖系統(tǒng)對應(yīng)每平方米太陽能集熱器采光面積的蓄熱水箱，水箱容積選取范圍為1.6-2.0m3/m2[6]，考慮造價因素，取242*1.65=400m3。水箱使用聚氨酯等保溫材料保溫，底部不設(shè)保溫。

3 系統(tǒng)效果模擬分析

采用TRNSYS軟件進(jìn)行模擬分析，在TRNBuild中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。建立建筑模型和仿真模型。

地下蓄熱水箱共分5層，采暖季水箱日平均溫度達(dá)到40℃以上，最高達(dá)60℃以上，見圖1。生活熱水末端供水溫度基本達(dá)到40℃以上，只有在1月下旬和二月上旬室外溫度達(dá)到最低值時，生活熱水稍低于40℃，但在6月初，在日照的影響下會上升到60℃以上，見圖2；室溫方面，8點到18點三層樓的室溫基本均在18℃以上，見圖3。

圖1 水箱日均溫度

圖2 全年生活熱水日均溫度

圖3 典型天三層樓的室內(nèi)溫度

4 系統(tǒng)能耗分析

整個系統(tǒng)采暖季包括生活用水在內(nèi)COP基本集中在2-3之間，見圖4，剛開始采暖時COP達(dá)到13.9，然后逐漸降低到1.8，因為開始供暖時水箱積蓄了春夏秋一年的熱量，隨著供暖季的時間延續(xù)，蓄熱水箱中一年積蓄的熱量基本耗盡，COP也逐漸趨于平穩(wěn)。全年COP均值達(dá)到3.3。另外，本系統(tǒng)采用太陽能電輔助加熱，自動化程度高，安全系數(shù)遠(yuǎn)高于燃?xì)獾容o助系統(tǒng)，初投資遠(yuǎn)小于地源熱泵輔助系統(tǒng)，采暖季耗電量日均值達(dá)到606845KJ，見圖5，約合每天耗電量達(dá)到168.6kWh，整個采暖季采暖電輔助方面需要電量19514kWh，約9756元，如果采用集中供暖，采暖費為900*25=22500元，每年經(jīng)濟(jì)節(jié)約達(dá)到1.3萬元。

圖4 采暖季系統(tǒng)COP

圖5 整個供暖季日耗電量

5 結(jié)束語

（1）在天津地區(qū)采用太陽能電輔助采暖應(yīng)用于小型辦公樓是可行的。

（2）采暖季三層辦公樓的室內(nèi)溫度基本都達(dá)到18度以上，全年有生活熱水供應(yīng)。

（3）全年包括生活用水在內(nèi)COP均值達(dá)到3.3，系統(tǒng)性能良好。

（4）太陽能采暖系統(tǒng)采用可再生能源，每年可節(jié)約費用約1.3萬元。

參考文獻(xiàn)：

[1]JGJ134-2010.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]呂萍秋.太陽能采暖和熱水組合系統(tǒng)的研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2009（01）：151-153.

[3]中國氣象輻射資料年冊[M].北京：國家氣象中心出版，2001.

[4]趙世明，高峰.生活熱水太陽能集熱器面積的確定[J].中國給水排水，2009（20）：28-31.

[5]劉繼者.熱管平板式太陽能集熱器和太陽能熱水系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué)，2007.

[6]孫峙峰，徐飛.太陽能供熱供暖系統(tǒng)季節(jié)蓄熱水箱的計算機模擬分析[A].全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京：中國制冷學(xué)會，2008.

作者簡介：逯彥紅（1980.05-），女，河北人，講師，博士，研究方向：新能源與節(jié)能技術(shù)。

作者單位：天津職業(yè)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，天津 300410