连续阴雨雪天对太阳能取暖住宅的影响及解决

吴东焕

1 国内外太阳能利用现状与发展趋势的分析

1.1 国外太阳能利用现状及发展趋势

目前在德国,不仅单体住宅,即一家一片的小型楼房或别墅也可以使用太阳能供暖和保证热水的供应,而且集体住宅或多户型的公寓也可使用太阳能。建造太阳能住宅在技术上已经不成问题,制约太阳能住宅建造的主要原因是制度或体制问题,即谁来投资的问题。

每栋楼房都像是一座太阳能发电站。发电站除满足本楼房的用电、供热等全部需求外,还有剩余。

德国、美国、日本、法国、意大利等国家在太阳能住宅建筑方面发展趋势是一个住宅在自家生产热能和电能来满足自家的热能和电能的需用量,向着生态环保的节能型住宅发展。

日本:集合住宅的节能建筑设计主要体现在4个方面:1)提高密闭性。2)提高保温性。3)多种能源组合利用。4)立体绿化。

1.2 国内太阳能利用现状及发展趋势

我国属于太阳能资源丰富的国家之一,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h,辐射总量高于5000MJ/m2。在北方采暖地区,大多数城乡处于太阳能资源丰富区,这为太阳能建筑的发展提供了可能。

我国太阳能利用起步较晚,但其进展和成果比起其他国家毫不逊色,以从太阳能热水器的普及使用到太阳能住宅的设计和试建这就说明我国太阳能利用进展速度较快。

目前,福建、上海等地已率先在全国开始实施太阳能住宅项目工程。太阳能作为一种先进的科技手段在房地产开发方面的运用,近年来也只是在一些大中城市才有崭露头脚的机会,一些楼盘就此“太阳能住宅”而一举成为楼市新宠,商机就此乍现。

1.3 国内外太阳能利用现状及发展趋势分析

我们理想的住宅是在自家生产热能和电能来满足自家的热能和电能的需用量,使我们的住宅变为生态环保的节能型住宅。国外一些发达国家在太阳能利用方面较为全面、技术较成熟、推广和建设较为普及,单体住宅,即一家一片的小型楼房或别墅上使用太阳能供暖和保证热水供应的例子较多,而且集体住宅或多户型的公寓使用太阳能的例子较少,其原因是投入多产出少,所以开发商积极性不太大。我国的太阳能利用仅限于对太阳能热水器的使用,而太阳能住宅的建造仅是一些试点而已,其原因是技术不成熟,而且有成功的实例也是单体住宅加补助能源。在集体住宅或多户型的公寓使用太阳能的也只能是集中供热水而已。

2 太阳能取暖不能推广使用的原因

1)没有进行太阳能利用与房屋一体化设计。2)房屋的日耗热量大于太阳热能日生产量。3)集热板的面积少,集热板的安装位置不够用。4)储热箱的安装位置及大小不当。5)太阳能价格昂贵老百姓不能接受。解决上述问题有以下几点。

2.1 集热板的面积少且集热板的安装位置不够用

与太阳热能日生产量的大小有关的因素有以下三点:

1)太阳热能日生产量的大小与太阳能集热板的面积有关。

2)太阳光辐射转换成热能的速率要高。

3)储热箱的储热容量要大。

集热板在住宅中分为三个位置安装。住宅的太阳热能日生产量与冬季最大日耗热量比值为1.27,满足太阳热能日生产量大于冬季最大日耗热量的要求。

a.通长阳台栏板外侧安装,其面积为 A1=1.36×8=10.88 m2。b.本住宅楼的南墙面安装,其面积为 A2=1.4×6+1.5×1×2=11.40m2。c.本住宅楼的屋顶面安装,其面积为 A3=1.55×8=12.40m2。d.本住宅楼集热板的总面积为 Az=34.68 m2。

本住宅楼集热板日生产的太阳热能足以满足本住宅在冬季里日热能需用量。

2.2 储热箱的安装位置及大小

1)储热箱是太阳能取暖设备系统中的一个重要部件,它的作用是把用集热板采集下来的太阳热能储存起来为满足室内热能需用量提供保障,因此必须满足以下几个条件:

a.储热箱的热能储量必须满足本住宅在连续几天阴天,并且无热能生产时的热能需用量。从气象资料得知,最不利情况是连续阴雪天能达到7 d。

b.7 d的热能需用量等于本住宅7 d的最大耗热量之和。

c.储热箱的保温性能尽量要好,即储热箱内的水温度下降尽量要小。从计算得知冬季一日内储热箱外围护结构耗热使储热箱内水温度降低ΔtJ=1.13℃。

2)储热箱的容量计算。

a.储热箱储满热量时其热量应满足用户7 d的使用量。

b.在满足上述条件的前提下必须在取暖设备间要有足够的安置空间,并且储热箱与集热板间距离要近。

储热箱容量计算如下:

a.7 d的最大耗热量合计:Qh=290642.52 W。

变为热水能得:

如果储热箱内的水温保持在70℃时其储热箱容量为:

这就说明要满足用户7 d的热能使用时储热箱的容积必须大于3.579 m3。本住宅所设计的储热箱分为一个大储热箱和两个小储热箱,而本住宅的储热箱总容积为 L=0.87×0.63×2.3×2+1.56×0.87×2.3=5.643 m3。如果储热箱内水温为70℃时能够维持的热能使用天数为(5643×70×1.16-5643×18×1.16)÷(1421.91×24+7394.52)=340385.76÷ 41520.36=8.20d(1421.91×24=34125.84 W为冬季室内日最大耗热量,7394.52 W为储热箱外围护结构日耗热量)。这就说明本住宅的储热箱内水温在70℃时能够满足8 d的热能需用量。

b.一日内储热箱外围护结构耗热量使储热箱内水温下降值计算:

c.一日内住宅最大耗热量使储热箱内水温下降值计算:

d.一日内上述两项耗热使储热箱内水温下降值计算:

e.一日内住宅太阳热能生产量使储热箱内水温上升值计算:

Δts=52554.74÷1.16÷5643=8.03℃(52554.74 W 为太阳热能日生产量,1.16为水比热,5643 kg为储热箱水重)。

f.一日内住宅太阳热能生产量与耗热量比值:

这就意味着一天的太阳热能生产量能提供1.27 d的热能使用。在冬季里如果有累计10d的太阳热能生产时间的话就有2.7 d的热耗用量的储备。

3)春、夏、秋三季的太阳热能采集储存起来转移至冬季使用,为说明上述问题要弄清以下几个问题:

a.春、夏、秋三季的日照时间比冬季日照时间长、辐射强度高。b.春、夏、秋三季一般不对住宅进行取暖,所以在计算上述问题时只计算储热箱外围护结构耗去的热量。另外春、夏、秋三季的环境温度比冬季环境温度高,所以所耗去的热量也相对要小。c.因春、夏、秋三季温度高、日照时间长、辐射强度高,所以太阳热能日生产量大、质量高(质量高指的是水温高)。特别是秋季白天温度高、日照时间长、辐射强度高、晴天多阴天少是生产太阳光辐射热能和储备热能的大好时机。在上述中已叙述储热箱内水温日增高量为Δts=8.03℃,而耗出去的热能所致使储热箱内水温度日下降量为ΔtJ1=1.13℃。这样一天内储热箱内总水温升高值为ΔtJ总=8.03-1.13=6.9℃。这样日复一日地进行储热在入冬取暖之前储热箱内热能储备是灌满的状态。这里满的状态指的是在整个三季中储热箱内水温最高时的状态,即储热箱所存的热能最多时的状态。进入冬季以后开始取暖,所以热能日耗用量也随即增长,又因为日间气温下降不那么大而是缓慢的下降,可以推算出日间平均气温下降值为0.307℃,所以热能日耗用量也随即慢慢的增长,但冬季的太阳热能日生产量大于本实验住宅的日耗热量,所以储热箱始终保持热能满的状态。除非太阳热能日生产量小于本住宅的日耗热量时和连续几天阴天时动用积蓄的热能。这样把三季的热能储存起来移至冬季使用是可能的。

3 结语

1)在太阳能取暖住宅设计时必须要让该住宅的日耗热量低于建筑节能设计标准中的指标,并且其低的幅度值为5 W/(m2◦℃)。2)在太阳能取暖住宅设计时要让该住宅的太阳热能日生产量必须大于该住宅的日耗热量。3)在太阳能取暖住宅设计时必须要进行该住宅的太阳热能日生产量和该住宅的日耗热量计算对比。根据该住宅的太阳热能日生产量和该住宅的日耗热量计算对比,结果确定该住宅外围护结构所用的材料及集热板的面积。4)储热箱的大小要根据该住宅在冬季里连续7 d阴雪天时最大累计耗热量来计算确定其容量,这样才能补充太阳能不稳定和辐射密度不高的弱点。5)把春、夏、秋三季的热能储存起来移至冬季使用是可能的。

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