玉树地区房屋太阳能采暖系统节能性分析

玉树地区房屋太阳能采暖系统节能性分析
薛英霞;张海满;杨广智
【摘要】针对玉树地区的某太阳能采暖建筑，使用DeST软件对改造前后的采暖负荷进行了计算分析，在室内温度18℃、16℃和14℃三种工况下，建筑节能率分别达到24％、27％和31％，改造后建筑具有显著的节能效果。

使用PolySun 软件对该建筑太阳能采暖系统进行了节能分析，并综合太阳能集热器性能、系统规模、集热器安装倾角、水箱体积、地理位置等因素对太阳能采暖系统性能的影响进行了分析，所得结论为太阳能采暖系统的推广提供了技术支持。

%The paper makes an analysis of the heating load of solar energy in buildings in Yushu district with DeST software.The results show that the modified architecture has remarkable energy saving effect, ener-gy-saving rate being 24%, 27% and 31% respectively when room temperature is at 18 ℃, 16 ℃, and
14 ℃.Meanwhile, with PolySun software, the paper analyzes the energy saving of the solar heating system in-cluding the solar collector performance,system scale, installing angle, water tank volume, geographical posi-tion, geographical location, etc.The results of the analysis provide technical support for the popularization of solar heating system.
【期刊名称】《陕西理工学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】6页(P32-37)
【关键词】太阳能采暖;热负荷计算;节能分析
【作者】薛英霞;张海满;杨广智
【作者单位】北京市太阳能研究所集团有限公司，北京100012;青海省农村牧区能源办公室，青海西宁810000;青海省农村牧区能源办公室，青海西宁810000【正文语种】中文
【中图分类】X382;S214.3
青海省农村能源资源匮乏，农村用能以燃烧秸杆、畜粪、煤炭和薪柴为主。

按农村生活水平差异的调研结果显示，约有10%的农户生活水平相对较好，25%的农户生活水平一般，65%的农户生活水平相对较低。

以5口之家一年的生活用能为标准模式，户均生活用能量约为1 625 kg标煤，人均约325 kg标煤。

其生活用能以秸杆为主体，约占整个生活能耗的46%；其次是用于煨炕的畜粪，约占整个生活能耗的21%；第三是用于冬天取暖的煤炭，约占整个生活能耗的20%；第四是薪柴，约占13%。

牧区百姓则主要采用畜粪作为主要能源供给。

青海广大农牧区交通不便，经济发展落后，常规能源匮乏，气候寒冷，用能量需求巨大。

[1]
青海省气候属于典型的大陆性气候，由于地处高原，形成了干燥、多风、寒冷、缺氧的气候特征。

气温地区分布差异大，垂直变化明显，气温较低，日差较大，年差较小，冬季漫长，夏季凉爽。

全省年平均气温-5.7~8.5 ℃
[1]。

日照时间长，太阳辐射强。

全年日照时数在2 314~3 650 h 之间，全省总辐射量在 5 637~7 420 MJ/m
2，太阳能资源仅次于西藏，位居全国第二。

玉树县代格村是玉树灾后重建定居点，房屋建筑充分利用当地丰富的太阳能，按照玉树藏族地区居民特色和生活居住习惯，本地建筑采用院落式布局，对卧室、厨房、佛堂等生活区域与牲畜圈房、储藏棚等生产区域进行分离,同时结合被动式玻璃房
采暖的需求，统一、协同考虑，设计出藏族风格浓郁、现代化特征明显、卫生洁净、使用方便的80 m
2和100 m
2户型结构设计，如图1所示为该地区藏式民居效果图。

建筑结构采用CL建筑结构体系，其外墙、间墙、分户墙为CL剪力墙，其余室内
墙采用普通剪力墙。

CL体系具有良好的保温、节能、隔音、防火性能，导热系数0.5 W/(m
2·K)以下，房屋建筑节能达到65%
[2]。

屋面设计主要是其保温层按稳态传热原理进行热工设计，在稳态传热条件下提高稳定的热阻。

保温材料一般采用轻质、多孔的材料，导热系数不大于0.255 W/(m 2·K)
[2]。

为避免接触室外空气的地板在冬季温度较低时出现结露、结霜现象，保证地面部分的保温并进行防潮处理，在混凝土条形基础外侧贴敷100 mm厚模塑聚苯乙烯板
防止基础冻胀。

在居民建筑中，为了更大限度地减少渗透量和传热量，采用独立四空腔断桥塑钢门
窗和节能玻璃，外门的传热系数应控制在2.55 W/(m
2·K)，外窗应控制在2.05 W/(m
2·K)
[2]。

采用太阳能集热器和生物质微型锅炉辅助加热提供热源，水箱储能，温差控制系统自动控制运行，提供室内供暖和生活热水。

采暖期优先供暖，供暖方式采用地板辐射供暖。

示范建筑各个房间都直接采暖。

采用入户阳光房的形式，充分利用阳光直射取暖(如图2)。

根据目前在玉树地区进行的被动式阳光房实验的成果改进，设置上下两排可开启的窗户，在夏天可以全部打开流通空气，避免阳光房内过热，部分建筑在房顶设置热烟囱，过热时抽出热空气，平衡室内微气候。

阳光间设置通往卧室和起居室的门或窗，利用自然对流调节卧室和起居室的温度。

在南向合理设计凹凸的表面，在不增大失热面的同时，增大受热面面积。

采用平板型太阳能集热器和生物质能微型锅炉辅助加热提供热源，水箱贮能，温差控制系统自动控制运行，提供室内供暖和生活用热水。

采暖期优先供暖，供暖方式采用地板辐射供暖。

系统采用排空方式防冻，采用将过多热量排放至采暖地板辐射系统防止过热。

地板辐射采暖是配合太阳能采暖的最好的一种形式。

太阳能低温地板辐射采暖系统是以太阳能集热器为热源，以低温45 ℃热水为工质，通过循环系统将加热到适当温度的热水导入到预先埋在地板下的埋管中，使热水和埋管在地板下进行热交换，然后埋管再把吸收的热量通过地板辐射到室内
[3]。

用DeST软件对建筑热负荷进行计算分析，利用PolySun软件从不同因素对系统
的影响进行分析。

选定青海省玉树地区气象参数，玉树海拔3 700 m，东经97°，北纬33°，采暖期室外平均温度-3.1 ℃，年总辐照度1 753.4 kW·h/m
2，年散射辐照683.9 kW·h/m
2[4]。

通过实地调研情况，并参照DBJ 11-602-2006
[2]设定了建筑室内热扰情况。

如表1所示。

结合建筑实际，参照DBJ 11-602-2006
[2]，将建筑门厅最小换气次数设为1次/h，其它功能房的最小换气次数设为0.5次/h。

冬季采暖室内分别以18 ℃、16 ℃、14 ℃为例，分别计算热负荷值。

如图3在采暖温度为18 ℃时的改造前后热负荷值对比情况。

采暖期设定从11月15日开始，到次年3月15日结束。

表2是经过DeST软件节能计算公式得出不同温度时的热负荷值。

总建筑采暖面
积设为93.06 m
2。

对比说明：改造之后带阳光间的建筑采暖季热负荷指标值最小，改造
之后建筑具有较好的节能效果。

明显的，在图3中也可直观的体现出改造后的良
好效果。

太阳能供热采暖系统的经济性与当地太阳能资源、采暖负荷、热水负荷以及系统性
能等因素相关。

为了分析太阳能系统性能及经济性，以下采用欧洲Polysun太阳
能模拟软件分析系统运行特性。

太阳能采暖系统模拟计算系统是在建筑改造后的装置下，按给定的有关系统参数，进行计算。

玉树地区的某家居建造模型参数如下给出。

①建筑依据玉树示范项目：建筑面积93 m
2，有阳光间；
②太阳能采暖系统：平板集热器，间接系统，水箱为嵌套式水箱；
③典型系统水箱容积取400 L；
④用水量按3人/户，每人日用水量(50 ℃)50 L；
⑤房间采暖温度16 ℃；
⑥加热量(不包括家用热水)：5 590.5 kW·h；
⑦需加热量(不包括家用热水)：60 kW·h/m
2。

集热器面积14 m
2，采光面积12.6 m
2，安装倾角45°，水箱容积400 L，辅助加热功率10 kW颗粒燃料锅炉。

全年热能在建筑改造后的太阳能利用经汇总计算后的数据统计如表3。

太阳能采暖系统计算概况(年总量)如下：
集热器面积14 m
2，总的太阳能比率48.5%，供给水箱太阳能比率(SFnHw)37.7 %，热水
中太阳能比率(SFnBd)70.5 %，集热器阵列获得量4.519 kW·h，集热器阵列产出
与模块总面积有关，为323 kW·h/m
2·年，基于采光面积集热器阵列获得量359 kW·h/m
2·年，节省燃料最大量1 102.1 kg(颗粒)，最大省能量5 510.4 kW·h，减少二氧化碳排放量最大值277.7 kg，消费需要量应满足能量需求。

太阳能集热器的热性能受多种参数的影响，如集热器性能、集热器规模、集热器安装角度、蓄热水箱大小以及安装地区。

使用PolySun软件，对这些关键参数对太阳能系统的影响进行了分析，结果如下。

不同面积太阳能集热系统规模的情况见表4。

集热器不同安装角度，就有不同的集热效果，见表5。

水箱容积的不同也有不同效果，见表6反映的情况。

根据以上分析可以看出，同一种太阳能采暖系统，在不同系统配比下，系统活动有效得热量差异较大，因此设计过程的系统优化可大大提高系统性价比。

主要结果总结如下。

1)太阳能集热器性能对采暖系统有较显著影响，寒冷地区采暖系统应选择高性能集热器。

2)户用太阳能采暖系统集热器配比对太阳能保证率有影响，但由于储能水箱较小，即使在集热器配比较高时，太阳能保证率也不能达到很高比例，户用太阳能采暖系统应选择合适集热器配比，并尽量配备使用费用低的辅助能源。

3)太阳能集热器安装倾角接近当地纬度时，系统获得热量影响较小，可以根据建筑特点自主确定集热器安装倾角。

4)水箱容积对太阳能系统保证率影响较大，在条件具备时，应尽量选用较大容积水箱。

5)不同地区太阳能供热采暖系统因辐照、供热负荷差异，获得有效得热量会存在一
定差异。

一般辐照资源好、环境温度不是特别低以及采暖期长的地区，太阳能采暖全年得热量较高。

从以上计算可看出，玉树地区的得热量和太阳能保证率均要高于西宁地区。

6)太阳能系统规模应根据热水用量进行优化，热水使用量愈大的用户，其投资经济性愈好。

热水使用量较少时，应适当控制系统规模。

7)太阳能供热采暖系统与热水系统相比，其规模大、工况较恶劣(有明显过热)、系统复杂、系统适宜采用高可靠性、长寿命的集热器及部件，以减少系统维护费用，提高投资效益。

农牧区既有建筑以单体建筑为主，因围护结构保温差，体型系数大，冬季供热热负荷指标较高。

通过对玉树地区典型建筑的热工模拟，在采暖温度18 ℃时，采暖热负荷指标为45.82 W/m
2，远大于JGG26-95《民用建筑节能设计标准》中热负荷指标20.8 W/m 2。

因此，农牧区既有建筑具有较大节能潜力。

通过对玉树示范项目(节能建筑)与既有典型建筑相比，在室内温度18 ℃、16 ℃和14 ℃三种工况下，节能率如表7，结果表明采用附加阳光间的主动太阳房技术对
降低采暖热负荷具有较显著作用。

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Key words: solar heating system; heat load calculation;
energy saving analysis。