太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能分析

丁力勤，馬超

（1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川750000；2.北方民族大學(xué)，銀川750000）

1 引言

太陽(yáng)能是指太陽(yáng)的熱輻射能[1]。隨著化石燃料等不可再生能源的數(shù)量日趨減少，同時(shí)世界各國(guó)對(duì)環(huán)保問題越來越重視，太陽(yáng)能和地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉春颓鍧嵞茉?，逐漸成為人們使用能源的組成部分，并不斷得到發(fā)展。目前，太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換[2]兩種方式。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)[3]是一種將光轉(zhuǎn)換成熱的裝置，即通過集熱器吸收太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)換成的熱量存儲(chǔ)到水箱中，提供所需的生產(chǎn)或生活熱水。一般，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)按照動(dòng)態(tài)流動(dòng)方式可分為循環(huán)式和直流式。而循環(huán)式又可以按照循環(huán)動(dòng)力分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種。自然循環(huán)式[4]太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是依靠集熱器和水箱內(nèi)流體的溫差形成熱虹吸壓頭，使系統(tǒng)中的水循環(huán)流動(dòng)。強(qiáng)制循環(huán)式[5]是在集熱器系統(tǒng)中添加了水泵，泵提供系統(tǒng)中水循環(huán)的動(dòng)力。而直流式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是指集熱器吸收太陽(yáng)輻射后內(nèi)部水溫升高，系統(tǒng)中則形成熱虹吸壓頭，熱水通過上升管流入水箱中，補(bǔ)給水箱中的冷水后自動(dòng)下降進(jìn)入集熱器，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)流動(dòng)。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的搭建

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)水泵、存儲(chǔ)水箱以及控制系統(tǒng)等組成。在已建立的太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)只有在供暖季節(jié)使用，非供暖期則停止運(yùn)行，這樣就會(huì)降低系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性能，延長(zhǎng)投資回收期。論文提出在復(fù)合式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上非供暖期太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供應(yīng)生產(chǎn)或生活熱水的方案，這樣不僅可以最大限度利用太陽(yáng)能這種清潔能源，減少化石燃料的使用，而且能夠提高復(fù)合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)一舉兩得的效果。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)搭建初期，需要確定與熱水密切相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)，即設(shè)計(jì)冷水初溫、設(shè)計(jì)熱水溫度、設(shè)計(jì)日用水量和設(shè)計(jì)小時(shí)用水量。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)冷水溫度應(yīng)該以當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄疁刭Y料確定，此處冷水溫度取4℃。

假設(shè)辦公建筑中人員數(shù)量為5～7m2/人計(jì)算，大概估算人數(shù)為220 人。根據(jù)《辦公室建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》及《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，可確定熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小時(shí)用水量及設(shè)計(jì)熱水溫度，如表1 所示。

表1 辦公建筑的設(shè)計(jì)日用水量及水溫

對(duì)于設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量，由于工作時(shí)間為早八點(diǎn)到晚六點(diǎn)，考慮到中午和晚上的滯留人員和加班人員，按照一定比例估算所需要的生活熱水量及設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量，表2 為不同時(shí)間段熱水用量和設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用量的情況。

表2 熱水用量時(shí)間變化情況

在太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，建立太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，為建筑提供非供暖期所需的生產(chǎn)或生活熱水量，系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)示意圖

3 室外氣象參數(shù)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型中，需從外部導(dǎo)入建筑物所在地的氣象數(shù)據(jù)。本文中選取的建筑物所在地的地理位置為北緯33°39′～34°45′，東經(jīng)107°40′～109°49′。利用Trnsys 瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模擬軟件[6]模擬了當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、水平面太陽(yáng)能日輻射量及太陽(yáng)日總輻射變化情況。易知，當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能年輻射總量水平約為4574MJ·m-2·a-1，太陽(yáng)能年均日輻射量12.53MJ·m-2。

4 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能分析

由于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在供暖期需要給建筑提供熱量，所以使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供熱水的時(shí)間是有要求的，即在非供暖期才可以使用，計(jì)算可知，通過太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供熱水的天數(shù)為245 天。利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)后，建筑的年節(jié)能量達(dá)到123798.96MJ。相比于用煤、天然氣等常規(guī)的生產(chǎn)熱水方式，使用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)熱水時(shí)可以不同程度地節(jié)約燃料，最大限度地開發(fā)利用太陽(yáng)能這種可再生清潔能源，年節(jié)約費(fèi)用和系統(tǒng)壽命期內(nèi)節(jié)約費(fèi)用具體如表3 所示。

表3 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的節(jié)能費(fèi)用比較

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過收集太陽(yáng)能提供熱量，因不使用常規(guī)能源而減少了向環(huán)境排放的污染物，體現(xiàn)了其明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)在非供暖期利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)生活熱水的方式相比于用煤生產(chǎn)熱水方式而言，系統(tǒng)壽命期二氧化碳排放量減少了374841.01kg。

5 結(jié)論

利用太陽(yáng)能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)搭建太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，在非供暖期為建筑物提供熱水。此種熱水供應(yīng)方式與用煤生產(chǎn)熱水供應(yīng)方式相比，不僅能夠節(jié)約能源，減少運(yùn)行費(fèi)用，還能降低二氧化碳排放量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。