太阳能—蒸汽源与锅炉辅助供暖系统节能效益分析

高越　高丽娜　孙清

摘要：针对呼伦贝尔地区某工业区民用建筑热水供暖、电热水器为洗浴供热工程存在的缺点，提出太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统，对改造后的工程进行实际测试，用DeST模拟探讨室内热环境和节能效益。结果表明，使用太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统的室内环境得到明显改善，节能率可达到66.46%。

关键词：供暖系统；太阳能-蒸汽源；锅炉；节能效益

中图分类号：TU833.+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）05-0054-04

在当今世界，能源短缺及利用不合理引发了一系列环境问题，使得节能减排成为全球共同关心的热点。我国能源总量比较丰富，但人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。尤其在寒冷的地区，冬季供热的能源使用量大，使能源不足及大气环境问题凸显。供热工程发展必须提高效率，节约资源，发展绿色、清洁能源，以替代传统的化石能源。

我国正处于经济和建筑业快速发展的时期，能源消耗巨大。随着城市化进程的加快和人民生活质量的提高，建筑能耗占总能耗的比重也越来越大，既有建筑面积或新建建筑面积都名列世界之首。这些建筑通过采暖、空调、热水供应等，每天都消耗大量的能源。建筑能耗约占全社会总能耗的30%。做好建筑节能工作已迫在眉睫、刻不容缓。

通过分析以往传统采暖的不足，提出太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统，并根据呼伦贝尔地区的气候特点，对工程进行节能改造，探讨改造后的太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统的节能效果，旨在为严寒工业地区带有洗浴的民用建筑供暖提供参考。

1 太阳能-蒸汽与锅炉辅助供暖系统

该工程位于呼伦贝尔地区（东经119.45 °、北纬49.22 °），属于严寒地区，室外采暖温度为-31 ℃，年日照时长超过2 900 h，冬季可利用阳光百分比为68%。

1.1 太阳能系统

太阳能作为本系统的主要热能来源，相对于传统锅炉来说具有节能、环保、安全、经济效益高等优点。根据工程实际以及当地的地理气象条件，选用真空-玻璃型太阳能太阳能集热器，安装角为42.8 °，真空管规格为Ф58×1 800 mm，单组真空管1 600支，每组集热器采光面积260 m2。系统的总配置集热器为2组，使用真空管3 200支，实际集热器采光面积为520 m2。辅助设备中，水箱容量为100 m3；内胆采用进口SUS304食品级不锈钢1.5 mm板材，亚弧焊接而成，外皮为0.4 mm彩钢板装饰，中间为60.0 mm聚氨酯发泡保温填料；水泵为WILO品牌，型号为STAR-RS 15/6。

1.2 蒸汽源系统

蒸汽源系统选用长沙旺特公司生产的汽源热水器。在蒸汽加热水系统中，蒸汽与水直接混合是最高效、最经济的加热方法。传统方法是将蒸汽管直接通过简单的装置进入水中，加热效果不理想，噪声大。WTM型气源热水器是新一代产品，采用全新的设计理念和制作工艺，从根本上解决了上述问题，适用于生活热水、工艺加热等系统。汽源热水器工作原理见图1。

由于汽源热水器具有WTT微电脑恒温装置，可以根据水箱内水温自动启动、停止，所以能很好的完成辅助热源的任务。在本设计中，将4台WTM-40型汽源热水器置于水箱中。

1.3 锅炉系统

锅炉采暖部分的热媒为95/70 ℃热水，由工业场地新建锅炉房供给。散热设备选用钢制节能对流散热器。其中改造部分的散热器组数由16组30片改为4组30片、4组25片和8组28片。

1.4 系统连接安装

安装时，浴池及更衣室散热器改为由太阳能提供热源。汽源热水器插入水箱中后，在晚间、阴天出现阳光不足时，其自动温控系统启动汽源热水器，保证热源充足。当太阳能充足时，太阳能和锅炉联合为供暖提供能源。具体安装方法如图2和图3所示。

2 测试方法

测试时间为2014年1到4月，用自动记录仪器连续记录。测点地点分别位于更衣室及浴池几何中心1.1 m高处。室外测点位于建筑西侧，测试点在建筑的位置如图4所示。

2.1 天气晴朗时室内温度的变化

天气晴朗时，随室外气温及太阳辐射的热作用，室内气温波动如图5所示。

由图5可知，太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供热系统的室内温度明显高于传统锅炉系统，最大差值为1.7 ℃，最小差值为0.7 ℃，全天平均差值1.13 ℃。其中，被测系统的室内最高气温均出现在午后14时，温差达1.6 ℃；最低气温出现在上午5—8时，平均温差0.8 ℃。

与传统锅炉系统相比，该太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供热系统采取汽源热水器作为辅助能源，在有效吸收太阳辐射热并将其贮存，确保室内温度稳定。同时，辅助能源有效降低夜间的室内热量散失，维持较高的室内温度，确保采暖的有效性。

2.2 天气多云时室内温度的变化

室外天气多云时，随室外气温及太阳辐射的热作用，室内气温波动如图6所示。

由图6可知，在昼夜多云的天气条件下，室内气温波动较天气晴朗状态下平稳，但仍呈现出正弦曲线波的变化趋势。

无论天气晴朗还是多云，在汽源热水器辅助下的太阳能系统的供暖效果均好于传统锅炉。与普通传统采暖相比，新系统利用太阳能，并且在水箱中加入汽源热水器，可保证供暖效果。

与传统的锅炉采暖相比，太阳能-蒸汽源与锅炉辅助采暖系统的供暖能力更强、热稳定性更好，可在改善室内热环境的同时，达到节能效果。

3 节能效果分析

3.1 模型的建立

利用DeST能耗模拟软件建模，分析改造前后室内的热环境。理论模型东西宽9.3 m、南北宽42.0 m，房间朝向为正南正北，总建筑面积为390.6 m2，二户型基本相同。

3.2 室内计算参数及内扰设定

室外气象参数选择呼伦贝尔地区，设定最小换气次数为0.5次/h，最大换气次数为5.0次/h。内扰是指室内的设备、灯光、人员等可直接影响室内热环境的因素。设定人均发热量为53 W；灯光选总量指标最大功率360 W，作息取系统默认值；设备选平米指标，作息取系统默认值；窗帘作息设置分别为19∶00—6∶00和7∶00—18∶00。模拟结果如图7所示。

在寒冷的情况下，由于室外气温下降，建筑的热负荷增大，传统锅炉系统的采暖温度明显下降，而太阳能和汽源热水器联合供暖的新系统由于汽源热水器的存在，依然具有良好的供暖效果，确保室内采暖温度达到要求。

4 节能计算

本工程以太阳能为主要节能装置，供热系统用水泵使热媒水在蓄热水箱和太阳能集热器之间循环加热。故太阳能系统的年节能量为：

Qsave=Ac×JT×ηcd （1）

式中： Qsave为年节能量，MJ；Ac为太阳能集热器面积，m2；JT为集热器采光面上年总太阳能辐射量，MJ/m2；ηcd为集热器全日集热效率，%。

根据工程数据可知，Ac为520m2，JT为53 080 MJ/m2，ηcd为53.85%，得太阳能系统的年节能量为

14 863 461.6 MJ。

节能率计算公式为：

ζ=ΔEg/Egj×100% （2）

式中：ζ为节能率，%；ΔEg为节能改造前后的节能总量，（kW·h）/m2；Egj为节能改造前能耗总量，（kW·h）/m2。

工程改造前后的节能部分为太阳能产生的能量。改造部分洗浴供热和采暖负荷总量为40.1 kW·h。采暖期的总负荷为35.1×177×3 600 000=22 365 720（MJ）。由式2可得出系统的节能率ζ=66.46%。

5 结论

通过测试分析太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统改造前后的室内热环境，研究室内温度变化趋势，利用DeST建模并通过计算得到改造节能率。

在冬季采暖期，对系统中改装前（下转第59页）（上接第56页）后的两个房间更衣室及浴池进行实测，结果表明，新系统可明显改善室内热环境，采暖温度显著上升。虽然忽略了浴池和淋浴对室内热环境的影响，但其对室内环境的热影响是正面的，室内气温平均上升6.58 ℃。

利用建筑能耗模拟软件DeST建模，得到两类建筑改装前后的建筑能耗情况，对其进行分析发现，与传统供暖系统相比，改装后的太阳能-蒸汽源与锅炉辅助供暖系统升温效果显著，尤其是在天气寒冷室内热负荷增加时。在汽源热水器的辅助下，改装后的系统能够很好地完成采暖任务，且节能效果明显，节能率可达66.46%。

参考文献

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