寒冷地區(qū)光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能分析

劉宇紅

[摘? ? 要]當(dāng)前，我國(guó)生態(tài)環(huán)境遭受的破壞較為嚴(yán)重，而傳統(tǒng)燃煤等供暖方式已然不能夠滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求，光電能源得以被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，寒冷地區(qū)逐漸開(kāi)始采用光電互補(bǔ)的形式進(jìn)行供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文簡(jiǎn)要介紹了光電互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并圍繞光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能展開(kāi)分析。期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)從業(yè)者提供參考。

[關(guān)鍵詞]寒冷地區(qū);光電互補(bǔ);性能分析

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM61 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）10–000–03

Performance Analysis of Photoelectric Complementary Heating System in Cold Area

Liu Yu-hong

[Abstract]At present， China's ecological environment is seriously damaged， and traditional heating methods such as coal burning can no longer meet the needs of the current social development， so photoelectric energy can be developed and applied. On this basis， the form of photoelectric complementary heating system is gradually adopted in cold areas to design the heating system. This paper briefly introduces the design of the photoelectric complementary heating system， and analyzes the performance of the photoelectric complementary heating system. It is expected to provide references for relevant practitioners.

[Keywords]Cold region; Photoelectric complementary; Performance analysis

在我國(guó)生態(tài)環(huán)境不斷惡化的情況下，國(guó)家大力推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，清潔能源的使用逐漸成為我國(guó)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方向，在此情況之下，電采暖設(shè)計(jì)逐漸得以廣泛應(yīng)用，極大地降低了污染排放，符合我國(guó)環(huán)境保護(hù)發(fā)展目標(biāo)。此外，由于寒冷地區(qū)對(duì)于供暖需求較大，因此太陽(yáng)能作為常見(jiàn)清潔能源也被應(yīng)用于供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1 光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)當(dāng)中，包含著多種結(jié)構(gòu)，如太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐、蓄熱水箱等，不同的結(jié)構(gòu)、設(shè)備有著不同的設(shè)計(jì)規(guī)范，此外，在進(jìn)行供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要結(jié)合設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)選用

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的效果受到太陽(yáng)能集熱和末端供暖形式等多種因素的影響，因此，不同的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)選擇的時(shí)候，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，合理選擇相應(yīng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。例如，嚴(yán)寒地區(qū)的低層建筑可以使用空氣集熱器和液體工質(zhì)集熱器，但是多層建筑就只能選擇液體工質(zhì)集熱器;另外，在末端供熱方式方面，低層建筑可以選用低溫?zé)崴匕遢椛浜蜔犸L(fēng)采暖兩種方式，而多層建筑則只能夠選擇低溫?zé)崴匕遢椛?。?duì)于寒冷地區(qū)而言，低層和高層建筑可以選用的太陽(yáng)能集熱器與嚴(yán)寒地區(qū)相同，但是末端供熱方式則都需要選用低溫?zé)崴匕遢椛?。而夏熱冬冷的地區(qū)，無(wú)論是低層建筑還是高層建筑，其末端供熱方式的選擇性都更多。在進(jìn)行太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)匾约敖ㄖ膶?shí)際情況選擇適用性更強(qiáng)的集熱器和供熱方式[1]。

1.2 建筑負(fù)荷計(jì)算

建筑負(fù)荷計(jì)算是光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)建筑的熱負(fù)荷情況進(jìn)行設(shè)備的選擇。通常情況下，常用的熱負(fù)荷計(jì)算方式有以下幾種：①動(dòng)態(tài)計(jì)算;②靜態(tài)計(jì)算;③計(jì)算建筑耗熱量指標(biāo)。其中動(dòng)態(tài)計(jì)算主要是通過(guò)對(duì)模擬軟件的使用，結(jié)合建筑物相關(guān)參數(shù)在計(jì)算機(jī)中建模，同時(shí)還需要輸入外界氣象參數(shù)，在DEST、Energyplus等軟件的支持下，進(jìn)行建筑負(fù)荷的計(jì)算;靜態(tài)計(jì)算就是指通過(guò)對(duì)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到其耗熱量、冷風(fēng)滲透量和建筑產(chǎn)熱量;最后可以以相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范和不同地區(qū)中建筑物耗熱量的指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行建筑負(fù)荷的計(jì)算，建筑耗熱指標(biāo)計(jì)算方式是獲得建筑負(fù)荷最簡(jiǎn)便的方法。

1.3 太陽(yáng)能側(cè)設(shè)計(jì)

在光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，太陽(yáng)能側(cè)作為整個(gè)系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的分析和計(jì)算是十分重要的。首先需要對(duì)集熱器的面積和流量進(jìn)行計(jì)算，由于在我國(guó)不同地區(qū)的太陽(yáng)輻射情況不盡相同，因此，為確保太陽(yáng)能的吸收情況，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇太陽(yáng)能保證率，對(duì)于不同地區(qū)而言，其選用的最佳太陽(yáng)能保證率各不相同，通常情況下，對(duì)于資源十分豐富的區(qū)域建議太陽(yáng)能保證率選在40%～60 %之間，資源較為豐富的地區(qū)太陽(yáng)能保證率選用20%～30 %，資源一般的地區(qū)應(yīng)選用10%～20 %，對(duì)于資源較為貧乏的地區(qū)則應(yīng)該選擇的太陽(yáng)能保證在10 %以下。此外，由于不同生產(chǎn)商所提供的集熱器存在差異，因此，在確定集熱器單位面積流量的時(shí)候，需要結(jié)合生產(chǎn)商提供的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行考量。其次，需要結(jié)合當(dāng)?shù)匾约敖ㄖこ虒?shí)際情況合理選擇太陽(yáng)能集熱器。再次，集熱器陣列以及連接的方式對(duì)于太陽(yáng)能的獲取情況也有一定影響。最后，集熱器不同的安裝角度和方位等對(duì)于其集熱效果有著較大的影響;此外太陽(yáng)能集熱器都安裝在建筑物的頂部，需要考慮一定的安全性，并采取相應(yīng)的防凍措施[2]。

1.4 電鍋爐側(cè)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)綠色環(huán)保理念的逐步深入，電采暖逐漸成為了供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要考量類(lèi)型，市面上也逐漸推出了各種各樣的電鍋爐。電鍋爐主要是通過(guò)高壓電進(jìn)行供電，因此普通的電網(wǎng)難以滿足電鍋爐需求，需要配備專(zhuān)用的變壓和配電設(shè)備，在使用電鍋爐的過(guò)程中，是通過(guò)對(duì)水流量和水位的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于加熱功率的控制的。通常情況下，小型建筑物采用電鍋爐方式進(jìn)行供暖的時(shí)候，可以選用普通電阻鍋爐就能夠滿足供熱需求，若是供熱面積較大，那么則可以酌情選用電極鍋爐。

2 光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能分析

2.1 設(shè)備參數(shù)

本文以某北方城市中一幢700 m2的獨(dú)棟建筑作為案例進(jìn)行分析，借助相關(guān)建筑參數(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件等，對(duì)該建筑光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬。其中太陽(yáng)能集熱器面積為120 m2，集熱器傾斜角度為45°，玻璃管外徑為0.1 m，比例管透射率為0.92，涂層吸收率為0.92，涂層發(fā)射率為0.08，循環(huán)流量為1.3 kg/s，電鍋爐的額定功率為60 kW，熱效率為0.95。

2.2 模擬仿真計(jì)算

該城市的供暖時(shí)間為11月1日，到第二年的3月31日，共計(jì)供暖151天。通過(guò)對(duì)該建筑整個(gè)供暖期的實(shí)際情況進(jìn)行仿真，并結(jié)合當(dāng)?shù)夭膳诘氖彝鉁囟茸兓?、太?yáng)能輻射強(qiáng)度以及每個(gè)時(shí)間段下建筑的熱負(fù)荷為基礎(chǔ)依據(jù)。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)供暖期間，該城市的室外溫度隨著時(shí)間的推移不斷降低，在一月份的時(shí)候，該地氣溫達(dá)到最低范圍，最低氣溫在零下17℃左右，從一月往后，氣溫逐漸升高。針對(duì)太陽(yáng)能輻射情況進(jìn)行分析，在該地區(qū)供暖過(guò)程中，從十一月到一月期間太陽(yáng)能輻射變化逐漸降低，但是能夠維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)能輻射逐漸變大。而建筑物的熱負(fù)荷隨著外界氣溫以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也在不斷發(fā)生變化，其變化情況與室外溫度變化成反比，是先增大再減小，在一月份氣溫和太陽(yáng)輻射都相對(duì)較低的情況下，建筑負(fù)荷相對(duì)較大。

為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能的分析，本文結(jié)合了當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，主要針對(duì)溫度極寒天氣和過(guò)渡期中的典型日的光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)情況展開(kāi)分析和研究。根據(jù)分析可知，由于供暖期間太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度隨天氣、季節(jié)變化，因此集熱量也會(huì)發(fā)生較大變化。

除此之外，相較于太陽(yáng)能而言，在供暖期間，該建筑的供暖主要依靠的仍然是電鍋爐，但是隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的不斷提高，太陽(yáng)能量供給情況逐漸提升，因此在三月的時(shí)候，太陽(yáng)能量供給甚至已經(jīng)超過(guò)了電鍋爐。通過(guò)對(duì)整個(gè)供暖時(shí)期進(jìn)行分析和計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)供暖期，由電鍋爐提供的熱量高達(dá)75.46 %。經(jīng)過(guò)對(duì)電鍋爐運(yùn)行進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在供暖季節(jié)中，電鍋爐每天運(yùn)行的時(shí)間存在一定差異，其主要表現(xiàn)為外界溫度較低的時(shí)候，由于建筑對(duì)于供暖的需求量增加，因此，電鍋爐運(yùn)行時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)暖，太陽(yáng)輻射逐漸加強(qiáng)，建筑所需的供暖量有所下降，同時(shí)太陽(yáng)供給的能量不斷提升，電鍋爐運(yùn)行時(shí)間逐漸減少[3]。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

在光電互補(bǔ)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，太陽(yáng)能不僅是清潔能源，而且其供能的過(guò)程中所需要消耗的成本相對(duì)較少，但是，在電鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中，需要高壓電進(jìn)行供能，因此，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，電鍋爐運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)、其提供的能量越多，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的費(fèi)用也會(huì)越高。但是若單純地考慮電鍋爐運(yùn)行過(guò)程中所支付的成本，提高太陽(yáng)能供熱，那么就需要擴(kuò)大集熱器的面積，但是集熱器面積的進(jìn)一步擴(kuò)大也會(huì)增加系統(tǒng)建設(shè)的投資，因此，為了進(jìn)一步確保系統(tǒng)運(yùn)行的成本及其所提供的能量能夠滿足建筑供熱需求，就需要合理的對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。針對(duì)本案例的實(shí)際情況，分別為不同面積情況下集熱器的運(yùn)行情況以及電鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，并經(jīng)過(guò)計(jì)算分析提供了費(fèi)用相對(duì)較小的系統(tǒng)運(yùn)行方案。在進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算的過(guò)程中，主要需要進(jìn)行兩部分的分析：①系統(tǒng)建設(shè)初期所投資的費(fèi)用，其主要來(lái)源于太陽(yáng)能集熱器、電鍋爐等相關(guān)設(shè)備的費(fèi)用;②就是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所支付的費(fèi)用，電費(fèi)在其中占有較大比例。以本建筑為例，經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝前期投入的材料費(fèi)用約為16000元左右，集熱器的價(jià)格為1200元/m3，電鍋爐為400元/m3，蓄熱水箱為每1500元/m3，水泵為180元/m3。并針對(duì)不同電價(jià)情況下的系統(tǒng)運(yùn)行年費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，由于電鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中所需要的電量相對(duì)較高，因此不同電價(jià)對(duì)于系統(tǒng)年費(fèi)用支出影響較大。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電價(jià)在0.4元/kw·h以下的時(shí)候，集熱器面積設(shè)計(jì)在80 m2時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用支出為最低值;當(dāng)電價(jià)在0.4～0.8元/kw·h范圍內(nèi)時(shí)，將集熱器面積設(shè)計(jì)在120 m2最佳;當(dāng)電價(jià)高于0.8元/kw·h，需要將集熱器的面積設(shè)計(jì)為160 m2。

2.4 控制策略

在進(jìn)行光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)一步確保供暖量滿足要求，并且進(jìn)一步控制供暖成本，需要結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r(jià)情況進(jìn)行討論。當(dāng)不存在分時(shí)電價(jià)的情況下，太陽(yáng)能部分應(yīng)該使用溫差來(lái)進(jìn)行控制循環(huán)，并在夜間期間，為防止太陽(yáng)能部分受到寒流侵襲，需要采取排空防凍措施。而電鍋爐部分則需要進(jìn)行自動(dòng)控制，通過(guò)設(shè)置水箱溫度，對(duì)電鍋爐進(jìn)行控制，電鍋爐的控制策略如圖1，本文通過(guò)將最低水溫設(shè)置在40 ℃，當(dāng)水溫低于40 ℃的時(shí)候，且太陽(yáng)能部分集熱量不足時(shí)，就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟電鍋爐進(jìn)行供暖，以此保障室內(nèi)溫度。

當(dāng)供暖期間城市存在分時(shí)電價(jià)的情況，就需要對(duì)電鍋爐部分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，結(jié)合分時(shí)電價(jià)時(shí)間，在電價(jià)較低的情況下，加強(qiáng)電鍋爐運(yùn)行，使其能夠?yàn)樾顭崴溥M(jìn)行能量存儲(chǔ)，并在電價(jià)高峰時(shí)期控制好電鍋爐運(yùn)行情況，使用蓄水箱所蓄能量進(jìn)行供熱，以此確保室內(nèi)溫度達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)家大力支持之下，光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅能夠有效節(jié)約資源，而且能夠提高我國(guó)寒冷地區(qū)的環(huán)保水平，通過(guò)對(duì)光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的電價(jià)控制策略和最優(yōu)供熱方案。相信隨著對(duì)光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的深入研究，我國(guó)供暖事業(yè)以及環(huán)保水平將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛彥旭，馬原，王媛哲.張家口地區(qū)光電互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能研究[J].福建質(zhì)量管理，2019（9）：267.

[2] 楊捷媛，李金平.寒冷地區(qū)冬季熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2018，39（11）：79-84.

[3] 劉馨，魯倩男，梁傳志，等.嚴(yán)寒地區(qū)生態(tài)節(jié)能實(shí)驗(yàn)樓土壤源熱泵供暖系統(tǒng)的實(shí)例研究[J].建設(shè)科技，2019（10）：32-38.

[4] 郭凌云，馬超，陳龍.太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)特性研究[J].自動(dòng)化與儀表，2019，34（2）：95-98.