主動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張　寧　張殿光　*

(大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連　116000)

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主動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張寧張殿光*

(大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連116000)

摘要：以一棟小規(guī)模別墅為對(duì)象，提出了以太陽(yáng)能—熱泵為熱源供熱的方法，確定了太陽(yáng)能集熱器的面積和貯熱水箱的容量，解決了太陽(yáng)能的不可控制性等問(wèn)題，對(duì)節(jié)約能源以及環(huán)境保護(hù)有重要的作用。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式太陽(yáng)房，集熱器，貯熱水箱，熱泵

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),相比煤，石油，天然氣等不可再生能源燃料，太陽(yáng)能燃燒時(shí)不會(huì)釋放大量氣體，使環(huán)境受到污染，而且我國(guó)是太陽(yáng)能資源十分豐富的國(guó)家之一，尤其是大西北，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用具有巨大的潛力。

1主動(dòng)式太陽(yáng)房

主動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)備主要包括：太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、輔助熱源及管道、閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、水泵、控制系統(tǒng)等。主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑就是通過(guò)高效集熱裝置(太陽(yáng)能集熱器)來(lái)獲取太陽(yáng)能，然后通過(guò)媒介(空氣或水系統(tǒng))將收集到的熱量送入建筑內(nèi)的建筑形式。

2太陽(yáng)能集熱器

按集熱管產(chǎn)品劃分可以將集熱器分為平板式、全玻璃真空管式、熱管真空管式等。平板型太陽(yáng)能集熱器和真空管太陽(yáng)能集熱器是目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的兩種集熱器類型。

3別墅建筑采暖系統(tǒng)實(shí)例

3.1工程概況

本文以大連市一棟占地面積為196.87 m2的單棟雙層別墅型建筑為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。相關(guān)參數(shù)如表1所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用半自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)監(jiān)測(cè)水溫、自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位、定溫進(jìn)水、貯水箱水滿后自動(dòng)轉(zhuǎn)入溫差循環(huán)、早上8點(diǎn)自動(dòng)開(kāi)啟熱泵系統(tǒng)等。

當(dāng)T1>50 ℃時(shí)，控制器啟動(dòng)水泵，水進(jìn)入集熱器中加熱，并將集熱器中的熱水壓入水箱中。當(dāng)T1<40 ℃時(shí)，水泵停止工作，同時(shí)為了防止集熱器夜間的損失加上止回閥。當(dāng)蓄熱水箱溫度T3>45 ℃時(shí)，開(kāi)啟水泵進(jìn)行采暖。當(dāng)陰雨天或冬季光照強(qiáng)度弱的時(shí)候，開(kāi)啟三通閥，利用輔助熱源加熱。

3.4太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)選定的建筑，可以確定太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的主要參數(shù)(如表1所示)。根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出太陽(yáng)能集熱器面積和儲(chǔ)熱水箱有效容積。太陽(yáng)能集熱器面積的確定依據(jù)是建筑供熱負(fù)荷和集熱器有效集熱強(qiáng)度。建筑供熱負(fù)荷可由當(dāng)?shù)夭膳療嶂笜?biāo)和建筑面積確定，本文依據(jù)國(guó)標(biāo)確定大連地區(qū)建筑采暖熱指標(biāo)為40 W/m2。平板集熱器在大連地區(qū)的有效集熱強(qiáng)度需要通過(guò)具體測(cè)試數(shù)據(jù)獲得，這里取0.242 kW/m2。

親子閱讀活動(dòng)之前，一年級(jí)組老師們會(huì)集體研究制訂詳細(xì)的活動(dòng)計(jì)劃，包括親子閱讀的目的、要求以及具體時(shí)間、地點(diǎn)、人員、閱讀書(shū)目、閱讀方式和閱讀評(píng)價(jià)等內(nèi)容。然后，老師們會(huì)按照計(jì)劃給家長(zhǎng)們印發(fā)材料，召開(kāi)家長(zhǎng)培訓(xùn)會(huì)。家長(zhǎng)培訓(xùn)會(huì)分階段進(jìn)行，一個(gè)學(xué)期要開(kāi)十余次。

3.5太陽(yáng)能建筑采暖方式

針對(duì)我國(guó)目前采暖技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，采暖方式一般采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，這種系統(tǒng)以不高于60 ℃的熱水作熱媒(適合太陽(yáng)能集熱溫度不高的特點(diǎn))，在埋設(shè)于地面填充層中的加熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)加熱地面，然后以輻射傳熱方式向室內(nèi)供熱。

3.6采暖熱負(fù)荷計(jì)算

民用建筑采暖熱負(fù)荷計(jì)算有兩種方法，一種是理論計(jì)算法，根據(jù)太陽(yáng)房耗熱量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失熱量，空氣滲透量等計(jì)算采暖熱負(fù)荷；另一種是指標(biāo)估算法，民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出了大部分城市的面積熱指標(biāo)，所以工程中也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的面積熱指標(biāo)估算法來(lái)計(jì)算采暖熱負(fù)荷:

Q熱=3.6ARqzb×24。

其中，Q熱為建筑耗熱量，kJ；AR為建筑面積，m2；qzb為面積熱指標(biāo)，40 W/m2。代入數(shù)據(jù)得：Q熱=3.6×393.74×40×24=1 360 765 kJ/d。

3.7貯熱水箱容量計(jì)算

水箱的容水量要根據(jù)太陽(yáng)能地板采暖日需熱水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。貯熱水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)用。由于生活用水溫度較高，所以在貯熱水箱內(nèi)部設(shè)立一個(gè)水箱與生活用水相連，將該水箱與空氣源熱泵相連。為了避免生活用水溫度過(guò)高，在洗浴熱水管路上設(shè)置自來(lái)水進(jìn)口，以實(shí)現(xiàn)混合降溫的目的。只要系統(tǒng)循環(huán)水不出現(xiàn)漏失，就不需要對(duì)供熱循環(huán)水箱進(jìn)行補(bǔ)水。在夜間無(wú)太陽(yáng)能工作的情況下，為了更大程度的節(jié)約能源，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為夜間供熱的熱量全部由貯熱水箱提供，由下式計(jì)算得出：

mccp(Th-T1)=ARqzby×3.6×Δτ=QRy。

其中，Th為貯熱水箱最高水溫，℃；T1為貯熱水箱最低水溫，℃；Δτ為貯熱水箱供熱時(shí)段長(zhǎng)度，h；qzby為日間供熱折合單位面積熱指標(biāo)，W/m2；QRy為夜間供熱負(fù)荷，kJ。

代入數(shù)據(jù)得：日間供熱負(fù)荷QRR=393.74×10×3.6×10=141 746 kJ。

夜間供熱負(fù)荷QRy=1 360 765-141 746=1 219 018 kJ。

貯熱水箱容量mc=1 219 018/(4.187×10)=29 114 kg。

3.8集熱器面積的計(jì)算

太陽(yáng)能集熱器的面積可以根據(jù)建筑日間供熱量和夜間所需貯存量之和，即每天太陽(yáng)能集熱器的有效集熱量和太陽(yáng)能集熱器的平均集熱強(qiáng)度之比計(jì)算：

其中，A為集熱器面積，m2；Qout為太陽(yáng)能集熱器有效集熱量，kJ；I為太陽(yáng)能集熱器的平均集熱強(qiáng)度，kJ/m2。代入數(shù)據(jù)得：集熱器面積A=1 360 765/(3 600×0.242×10)=156 m2。

3.9生活用水的相關(guān)計(jì)算

1)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量的計(jì)算公式為：

其中，Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h;qr為熱水用量定額，L/(人·d)或L/(床·d)；m為用水計(jì)量單位數(shù)，人數(shù)或床位數(shù)；C為水的比熱，C=4.187 kJ/(kg·℃)；tr為熱水溫度，65 ℃；tl為冷水溫度，7 ℃；ρ為熱水密度，kg/L；T為每日使用時(shí)間，h；Kh為小時(shí)變化系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得：Qh=4.0×8×80×4.187×58×0.981/24=25 411.4 kJ/h。

2)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量的計(jì)算公式為：

其中，Qg為設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，kJ/h;T1為熱泵機(jī)組每日設(shè)計(jì)工作時(shí)間，h；K1為安全系數(shù)，1.05～1.10。 代入數(shù)據(jù)得：Qg=1.05×8×70×4.187×58×0.981/12=11 673.4 kJ/h。

3)生活用水貯熱水箱容積計(jì)算。

全日制集中熱水供熱系統(tǒng)貯熱水箱有效容積，應(yīng)根據(jù)日耗熱量、熱泵持續(xù)工作時(shí)間及熱泵工作時(shí)間內(nèi)耗熱量等因素確定，當(dāng)其因素不確定時(shí)宜按下式計(jì)算：

其中，Vr為貯熱水箱有效容積，L；Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h;Qg為設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，kJ/h;η為有效貯熱容積系數(shù)，0.85～0.90；K2為安全系數(shù)，1.10～1.20。

代入數(shù)據(jù)得：Vr=1.1×(25 411.4-11 673.4)×24/(0.85×58×4.187×0.987)=1 780 L。

3.10輔助熱源系統(tǒng)

為了保證陰雨天或冬季光照強(qiáng)度弱的時(shí)候系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了輔助能源系統(tǒng)，作為輔助熱源的能源種類繁多，但為了使系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單化，一般使用電能的居多，在儲(chǔ)熱水箱中設(shè)置電加熱器，在太陽(yáng)能無(wú)法滿足建筑采暖要求時(shí)，啟動(dòng)電加熱器作為補(bǔ)充。

4結(jié)語(yǔ)

在對(duì)大連某別墅的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，本文以前人的研究成果為基礎(chǔ)，闡述了主要的計(jì)算方法?？梢园l(fā)現(xiàn)主動(dòng)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的可行性，不僅節(jié)約了能源還起到了環(huán)境保護(hù)的作用，用更復(fù)雜的設(shè)備組合和更精確的控制系統(tǒng)滿足居民對(duì)環(huán)境質(zhì)量舒適度的要求，太陽(yáng)能的應(yīng)用必將成為日后的發(fā)展趨勢(shì)。

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Application of the design of active solar house

Zhang NingZhang Dianguang*

(CollegeofMachinery&DynamicEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116000,China)

Key words:active solar house, heating cluster case, hot water storage tank, heat pump

Abstract:Taking a small-scale villa as the target, the paper puts forward heating methods with solar energy-heat pump as heating source, determines the solar heating cluster case area and hot water storage tank volume, and solves uncontrollability problems of solar energy, which has significant role for saving energy resources and protecting environment.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0180-02

收稿日期：2016-03-06

作者簡(jiǎn)介：張寧(1992- )，女，在讀碩士

通訊作者：張殿光(1977- )，男，副教授

中圖分類號(hào)：TU201.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A