吉林省冬季太陽能供暖氣候可行性研究

摘 要：2013-2014年冬季，在吉林省長春市進(jìn)行了太陽能供暖試驗。根據(jù)實驗結(jié)果，利用吉林省50個觀測站的氣溫和輻射量，研究在全省推廣使用陶瓷太陽能板供暖的可行性。結(jié)果表明，太陽能供暖在吉林省可以提供45%以上的節(jié)能效果，具有良好的推廣價值。但是其成本較高，若想達(dá)到18℃的城市供暖要求，供暖成本普遍在30元/m2以上?？赏ㄟ^改良供暖系統(tǒng)、選擇經(jīng)濟(jì)的能量補充方式、政府補貼等方法降低其成本。

關(guān)鍵詞：吉林?。欢?；太陽能供暖；氣候可行性

1 概述

東北地區(qū)冬季非常寒冷，供暖是需要在冬季解決的重點問題。目前東北城市供暖以熱電聯(lián)供為主，農(nóng)村地區(qū)則以燒火爐、火炕為主。這兩種方式都是以燃燒礦物質(zhì)和秸稈為主，污染較大，是目前東北地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)的重要原因。

為探尋新型的供暖方式，我們在吉林省長春市進(jìn)行了太陽能供暖試驗。太陽能是取之不盡的清潔能源，但同時它也存在能量密度低、轉(zhuǎn)換效率低等問題，如果解決好這些問題，太陽能供暖將很有發(fā)展前途。材料方面我們選用了新型的陶瓷太陽能板[1][2]；采光面積與供暖面積為1：2。經(jīng)過1個供暖季的試驗（2013年11月-2014年4月），結(jié)果表明在不低于10℃的供暖要求下，太陽能供暖系統(tǒng)提供了整個房屋供暖期需求熱量的70%，陶瓷太陽能板的平均轉(zhuǎn)換效率為19%，高于目前常用的太陽能熱水器的玻璃真空管[3][4]。試驗較好的完成了預(yù)定任務(wù)。

文章在供暖試驗基礎(chǔ)上，研究了太陽能供暖與各氣象參數(shù)的關(guān)系，得出通用性計算方法，計算出吉林省全省各地區(qū)使用太陽能供暖的成本和能量供給比例，在不同氣候狀態(tài)下研究太陽能供暖的可行性。

2 資料與方法

2.1 資料

本文主要用到下列資料：

吉林省全省50站各月氣溫資料；

吉林省乾安氣象站2009-2014年輻射量資料。

2.2 方法

為得出供暖與氣候條件的關(guān)系，我們需構(gòu)建熱量平衡方程，并將等式兩邊轉(zhuǎn)換為以氣象參數(shù)為變量的函數(shù)。

熱量平衡方程： QH=Q

方程中QH為熱量散失速度，Q為熱量補充速度。[5]

2.2.1 計算QH

QH=QHT+QINF

其中QHT為單位時間內(nèi)通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，QINF為單位時間內(nèi)建筑物空氣滲透耗熱量。

QHT=Td×K×A

QINF=Td×V×？籽×C×N

其中Td為室內(nèi)外溫差，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，A為熱傳導(dǎo)面積，V為房屋換氣體積，ρ為空氣密度，C為空氣比熱熔，N為換氣次數(shù)。[5]

QH=Td×K×A+Td×V×？籽×C×N 公式1[5]

公式1較為復(fù)雜，為盡可能的減少變量，我們建立一個簡單的房屋模型，設(shè)定其室內(nèi)面積為5m×10m=50m2，室內(nèi)高度為3m，其墻壁厚度均為300mm，屋面厚度為200mm。窗戶面積取JGJ26-2010中規(guī)定的最大面積（南面窗戶占南墻的45%，北面窗戶占北墻的25%，東西面不設(shè)窗戶）。

計算得熱傳導(dǎo)面積A，并查得各部位熱傳導(dǎo)系數(shù)K。K取JGJ26-2010中規(guī)定的房屋傳熱系數(shù)上限限值，以計算在最不利條件下太陽能的供暖能力。結(jié)果見表1。

2.2.2 計算Q

（1）計算太陽能供暖系統(tǒng)提供的熱量Qs

公式2中Qs為太陽能供熱量，q為月平均輻射，b為轉(zhuǎn)換效率，As為采光面積。

將采光與供暖面積之比設(shè)定為1：2和1：1兩種，則S1=25m2、S2=50m2；月平均輻射q為乾安氣象站觀測所得斜面月平均太陽總輻射；根據(jù)實驗結(jié)果，整個供暖期，陶瓷板太陽能供暖系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)換效率在19%左右，在晴天情況下，氣溫、輻射量較低時，轉(zhuǎn)換效率為14%，在輻射較好、溫度較高的天氣可以達(dá)到24%，則As=19%。

將各變量代入公式2，計算得供暖系統(tǒng)在不同月份供給的熱量值，見表3。

（2）計算需要補充的熱量△Q

太陽能供暖提供的熱量不足以支撐整個冬季的取暖，為此還需要有其他的供暖方式進(jìn)行補充。

（3）計算供暖成本

為計算方便，我們選用電熱作為太陽能供暖的補充熱源。電熱的熱效率可取100%，將熱量轉(zhuǎn)換為電量并計算電費（吉林省電供暖電價為0.329元/kWh），電費與太陽能供暖系統(tǒng)的安裝和維護(hù)費相加（陶瓷太陽能供暖系統(tǒng)安裝費用為600元/m2，維護(hù)費用每年約200元，使用壽命為50年），則為供暖成本，計算結(jié)果見表4。

可見如果能將采光面積提高到與供暖面積相同，在10℃的供暖要求下，供暖成本將低于城市集中供暖（29元/m2）。其他的幾種配置，供暖成本都較高。

利用上述方法計算出全省太陽能供暖的供熱量及供熱成本，以研究太陽能供暖在吉林省的氣候可行性。各地區(qū)氣溫可以直接從氣象臺站獲取，而輻射觀測站較少，需要通過一定的方法推算全身輻射量分布情況。

（4）計算斜面輻射

根據(jù)劉新安[6]、于秀晶[7]等人的研究，計算得吉林省50個氣象觀測站的平均月總輻射量（1981-2010年）。

利用乾安縣歷史輻射資料（2009-2014年），計算得斜面輻射與平面輻射的比值。將該比值推廣到全省使用，利用推算出的月總輻射量計算斜面平均月輻射量。

3 太陽能供暖在吉林省的氣候可行性

利用吉林省各縣斜面平均月輻射量、月平均氣溫、公式1、2、3，計算在吉林省全省使用太陽能供暖所能提供的熱量和供暖成本。結(jié)果如下。

3.1 太陽能供暖所提供的熱量

從圖1可以看出，太陽能供暖供給的熱量在吉林省呈現(xiàn)西部高（白城、松原、四平）、東南部高（白山）、中東部（長春、吉林、延邊、通化）較低的形勢。

需要注意的是，東南部山區(qū)的輻射分布很不均勻，山地的南坡輻射量較大，而北坡輻射量較小，因此實際中太陽能提供熱量的分布也應(yīng)隨地形呈現(xiàn)出較大的變化，與圖1的分布形式有較大區(qū)別。圖1中所呈現(xiàn)的東南部山區(qū)的熱量分布形式，可以代表輻射較充足的向陽坡的實際情況，具有參考價值。

而對于中西部來說，熱量分布形式與總輻射量分布形式基本一致，計算所得結(jié)果對大部分地區(qū)都有較好的代表性。

3.2 太陽能供給熱量占需求熱量的比例（如圖2）

可以看出，太陽能供熱比例與太陽能供給能量的分布形式基本一致。在10℃的供暖要求下，采光面積與供暖面積之比為1：2時，太陽能供暖在全省都能提供43%以上的熱量；而在18℃供暖要求下，采光面積與供暖面積之比為1：1時，太陽能供暖在全省都能提供57%以上的熱量，在輻射較高的地區(qū)可以達(dá)到73%。僅就節(jié)能來看，太陽能供暖能夠起到巨大的作用。

3.3 供暖成本（如圖3）

可見太陽能-電熱聯(lián)合供暖的成本相對較高。如果想達(dá)到18℃的城市供暖要求，供暖系統(tǒng)的建設(shè)成本和電供暖的電費成本都會上升，對于吉林省大部分地區(qū)來說，供暖成本都會超過集中供暖的費用，在輻射較低的吉林市和延邊市部分地區(qū)將達(dá)到40元/m2以上。

如果以10℃為供暖要求，采光面積與供暖面積設(shè)定為1：1，則供暖成本在20元/m2以下。

較高的成本主要是由電熱成本高導(dǎo)致的，經(jīng)計算，太陽能供暖的成本僅占總成本的32%-50%，所以如果采用其他更經(jīng)濟(jì)的熱量補充方式，總體供暖成本可以控制在20元以下。

4 結(jié)論及討論

（1）利用陶瓷太陽能板采集太陽能進(jìn)行冬季供暖，在吉林省全省都可以達(dá)到45%以上的節(jié)能效果，節(jié)能效果較好。

（2）輻射是影響太陽能供暖效果最直接也是最重要的因素，輻射較高的地區(qū)供熱量大，供暖成本低。氣溫也起到一定的影響作用，氣溫較高的地區(qū)供暖效果更好。

（3）試驗中所利用的太陽

能-電熱聯(lián)合供暖方式，成本過高，不具備推廣價值。這是由電熱成本較高導(dǎo)致的，如果采用其他方式進(jìn)行熱量補充，成本可控制在20元以下。

（4）試驗中得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率仍與陶瓷板的吸收效率有較大差距，應(yīng)重新設(shè)計系統(tǒng)的保溫層，改進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)，預(yù)期可達(dá)到40%的轉(zhuǎn)換效率。供暖成本又可極大的下降。

（5）經(jīng)走訪，農(nóng)村居民可接受的采暖費為10元/m2左右，我們的試驗結(jié)果還有較大差距。東北地區(qū)太陽能供暖試驗仍任重而道遠(yuǎn)，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)化能量補償方式是未來的努力方向。

參考文獻(xiàn)

[1]許建華，蔡濱，王啟春，等.陶瓷太陽能房頂在建筑行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2014，7：4-6.

[2]陳賢偉，范新暉，周子松.陶瓷太陽能房頂在建筑行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2014，2：1-5.

[3]趙玉蘭，張紅，戰(zhàn)棟棟，等.CPC熱管式真空管集熱器的集熱效率研究[J].太陽能學(xué)報2007，28（9）：1022-1025.

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[5]JGJ26-2010.嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]劉新安，范遼生，王艷華，等.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征[J].資源科學(xué)，2002，24（1）：82-87.

[7]于秀晶，胡軼鑫，梁洪海，等.吉林省太陽能資源及其利用區(qū)劃的探討[J].吉林氣象，2008，3：29-31+48.

作者簡介：姚立鑫（1985-），男，工程師，主要從事新能源開發(fā)利用工作。