太陽能熱水系統(tǒng)的性能分析

丁力勤　馬超

【摘 要】在嚴寒地區(qū)，太陽能—土壤源熱泵復合式系統(tǒng)能夠為建筑供熱供冷。為最大程度開發(fā)利用太陽能集熱系統(tǒng)，論文利用復合式系統(tǒng)中的太陽能集熱系統(tǒng)實現建筑物非供暖期時的熱水供應，通過與其他常規(guī)熱水供應系統(tǒng)的對比，發(fā)現太陽能熱水系統(tǒng)具有良好的經濟性和環(huán)保性，從而為太陽能-土壤源熱泵復合式系統(tǒng)的應用和推廣提供參考依據。

【Abstract】In cold regions， the solar - soil source heat pump complex system can provide heat and cooling for buildings. In order to maximize the development and utilization of solar energy collector system， this paper uses solar energy collector system in the compound system to realize the hot water supply during the non heating period of the building， and by comparing with other conventional hot water supply system， it is found that the solar water heating system has good economic and environmental protection. Thus it provides reference for the application and popularization of the solar-soil source heat pump complex system.

【關鍵詞】Trnsys動態(tài)模擬;太陽能熱水系統(tǒng);經濟性

【Keywords】 Trnsys dynamic simulation; solar water heating system; economy

【中圖分類號】TU822? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）08-0136-02

1 引言

太陽能是指太陽的熱輻射能[1]。隨著化石燃料等不可再生能源的數量日趨減少，同時世界各國對環(huán)保問題越來越重視，太陽能和地熱能作為可再生能源和清潔能源，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，太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換[2]兩種方式。

太陽能熱水系統(tǒng)[3]是一種將光轉換成熱的裝置，即通過集熱器吸收太陽能，轉換成的熱量存儲到水箱中，提供所需的生產或生活熱水。一般，太陽能熱水系統(tǒng)按照動態(tài)流動方式可分為循環(huán)式和直流式。而循環(huán)式又可以按照循環(huán)動力分為自然循環(huán)和強制循環(huán)兩種。自然循環(huán)式[4]太陽能熱水系統(tǒng)是依靠集熱器和水箱內流體的溫差形成熱虹吸壓頭，使系統(tǒng)中的水循環(huán)流動。強制循環(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)的動力。而直流式太陽能熱水系統(tǒng)是指集熱器吸收太陽輻射后內部水溫升高，系統(tǒng)中則形成熱虹吸壓頭，熱水通過上升管流入水箱中，補給水箱中的冷水后自動下降進入集熱器，實現水的循環(huán)流動。

2 太陽能熱水系統(tǒng)的搭建

太陽能熱水系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、循環(huán)水泵、存儲水箱以及控制系統(tǒng)等組成。在已建立的太陽能-土壤源熱泵復合式系統(tǒng)中，太陽能集熱系統(tǒng)只有在供暖季節(jié)使用，非供暖期則停止運行，這樣就會降低系統(tǒng)整體的經濟性能，延長投資回收期。論文提出在復合式系統(tǒng)的基礎上非供暖期太陽能集熱系統(tǒng)供應生產或生活熱水的方案，這樣不僅可以最大限度利用太陽能這種清潔能源，減少化石燃料的使用，而且能夠提高復合式系統(tǒng)的經濟性和節(jié)能環(huán)保效益，實現一舉兩得的效果。

太陽能熱水系統(tǒng)搭建初期，需要確定與熱水密切相關的幾個參數，即設計冷水初溫、設計熱水溫度、設計日用水量和設計小時用水量。根據《建筑給水排水設計規(guī)范》，設計冷水溫度應該以當地最冷月平均水溫資料確定，此處冷水溫度取4℃。

假設辦公建筑中人員數量為5～7m2/人計算，大概估算人數為220人。根據《辦公室建筑設計規(guī)范》及《建筑給水排水設計規(guī)范》，可確定熱水系統(tǒng)的設計小時用水量及設計熱水溫度，如表1所示。

對于設計小時熱水用量，由于工作時間為早八點到晚六點，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計小時熱水用量，表2為不同時間段熱水用量和設計小時熱水用量的情況。

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

3 室外氣象參數

太陽能熱水系統(tǒng)模型中，需從外部導入建筑物所在地的氣象數據。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107°40′～109°49′。利用Trnsys瞬時動態(tài)模擬軟件[6]模擬了當地環(huán)境溫度、水平面太陽能日輻射量及太陽日總輻射變化情況。易知，當地的太陽能年輻射總量水平約為4574MJ·m-2·a-1，太陽能年均日輻射量12.53MJ·m-2。

4 太陽能熱水系統(tǒng)的性能分析

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

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

5 結論

利用太陽能-土壤源熱泵復合式系統(tǒng)搭建太陽能熱水系統(tǒng)，在非供暖期為建筑物提供熱水。此種熱水供應方式與用煤生產熱水供應方式相比，不僅能夠節(jié)約能源，減少運行費用，還能降低二氧化碳排放量，具有較好的經濟性和環(huán)保性。

【參考文獻】

【1】梁瑞林，石大雷.太陽能利用與太陽能建筑[J].價值工程，2011（21）：80-81.

【2】張艷麗，牛國玲.東北農戶屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計[J].安徽農業(yè)科學，2016（22）：169-170.

【3】譚德君，郭楓.某養(yǎng)老地產項目太陽能熱水系統(tǒng)設計[J].給水排水，2017（10）：81-85.

【4】周玲.連接方式對自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)的影響[J].能源工程，2008（4）：30-33.

【5】金吉祥，楊曉華.太陽能集中熱水系統(tǒng)設計與施工[J].施工技術，2009（11）：67-71.

【6】付波.基于TRNSYS的太陽能熱水系統(tǒng)的模擬分析[J].區(qū)域供熱，2017（06）：94-98.