高寒山区太阳能复合采暖关键技术—集热蓄热及热量输送技术研究

2015-06-29姜赟程张全芳周淋萱孔祥健

四川水泥 2015年8期

关键词：候车厅耗热量集热

姜赟程王振张全芳周淋萱孔祥健

（西南交通大学）

高寒山区太阳能复合采暖关键技术—集热蓄热及热量输送技术研究

姜赟程王振张全芳周淋萱孔祥健

（西南交通大学）

黄胜关站地处川西北高原地区，海拔高，光照充足，太阳能资源较为丰富，同时该地区冬季寒冷，需要进行采暖。目前传统的采暖方式仍然依靠煤炭、燃油、电力等常规能源，丰富的太阳能资源得不到充分利用，造成非可再生能源大量消耗。本项目成兰线黄胜关站将利用太阳能进行建筑采暖。进行了采暖潜力分析和采暖负荷分析。对于前者主要考虑到室内外空气计算参数，土壤温度，建筑模型设计和采暖负荷计算。对于后者对比分析了主被动式太阳能采暖建筑，提出了几个合理方案。为了找到最优化的方案，最后还进行了数值模拟在备选方案中遴选出了最佳方案。

冬季采暖负荷计算结果

1 设计参数

1.1 室内外空气计算参数

松潘地处四川省北部，属于严寒地区，冬季需采暖天数为167天（当年10月24日—次年4月8日），全年采暖度日数（HDD18）为4218℃·d，在采暖期间，室外平均温度为-0.1℃，建筑各个面（屋顶、南墙、北墙、东墙、西墙）的太阳总辐射平均强度分别为136W/m2、132 W/m2、41 W/m2、71 W/m2、70 W/m2。

1.1.2 室外空气计算参数

采暖室外计算温度应采用历年平均不保证 5天的日平均温度，冬季通风室外计算温度应采用累年最冷月平均温度。松潘地区冬季采暖室外计算干球温度为-7.2℃，冬季通风室外计算干球温度为-6.1℃。

1.1.3 室内空气计算参数

各类公共建筑的大厅一般冬季采暖室内空气温度采用16～18℃，而火车站候车厅主要由候车区、检票区、通道等组成，人员大多处于静坐或站立状态，活动强度较低，属极轻劳动，选取16℃作为该火车站候车厅室内空气设计温度。

1.1.4 设计新风量

候车厅的新风量设为20m3/(h·人)。

1.2 土壤温度

采暖期土壤温度取最冷 3个月各月平均土壤温度的平均值。因此松潘地区采暖期土壤温度取为-0.77℃。

1.3 冬季日照百分率

日照百分率即实际日照时间与可能日照时间（全天无云时应有的日照时数）之比。冬季日照百分率应采用累年最冷 3个月各月平均日照百分率的平均值。松潘地区最冷3个月分别为12月、1月、2月，这三个月的平均日照百分率分别为55%、51%、46%，因此，松潘地区冬季日照百分率取为50.7%

2 采暖负荷计算

对于民用建筑，冬季热负荷包括两项：围护结构的耗热量和由门窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量。其中围护结构的耗热量是围护结构的温差传热量、加热由于外门短时间开启而侵入的冷空气耗热量和一部分太阳辐射热量的代数和。

2.1 围护结构的耗热量

围护结构的耗热量按照基本耗热量和附加耗热量两部分计算。

2.1.1 基本耗热量

围护结构的基本耗热量计算公式

式中 Qj——j部分围护结构的基本耗热量，W；

Aj——j部分围护结构的表面积，m2；

Kj——j部分围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；

tR——冬季室内计算温度，℃ ；

to ——采暖室外计算温度，℃,，根据上文取-7.2℃，地面传热取土壤温度-0.77℃

a；——围护结构的温差修正系数，根据规范[1]，候车厅南北外墙、屋顶、地面、门窗的温差修正系数为1.0；东西墙底部内墙部分与采暖房间接触，通过该墙的传热量远低于候车厅负荷的 10%，不予考虑；东西墙顶部与室外大气相通，温差修正系数取为1.0；

2.1.2 附加耗热量

（1）朝向修正率

朝向修正率的选取应考虑当地冬季日照绿及太阳辐射强度的大小。根据前文，松潘地区冬季日照百分率为50.7%。因此垂直外围护结构的朝向修正选取如下：

东、西朝向修正取为-5%；南向修正取为-20%；北向修正取为5%；（2）风力附加率

黄胜关站地处开阔的郊外，周围无其它建筑物遮挡，容易受到自然风的影响，垂直外围护结构热负荷附加7.5%。

（3）外门附加率

黄胜关站候车厅属于公共建筑，外门附加率取500%。

（4）高度附加率

当民用建筑的房间净高超过4m时，每增加1m，附加率提高为2%，但最大附加率不超过15%。黄胜关站候车厅高9.0m，高度附加率取10%

2.2 门窗缝隙渗入冷空气的耗热量

门窗缝隙渗入冷空气耗热量的计算公式

式中iQ——为加热门窗缝隙渗入冷空气的耗热量，W；

L——渗透冷空气量，m3/h，黄胜关站候车厅空间高大，南北两面均有外窗和外门，室外空气主要通过候车厅底部门窗渗入，顶部空气流动性较差，根据此处渗透冷空气量按照整个房间的换气次数为0.5取值；

oρ——采暖室外计算温度下的空气密度，取为0.946kg/m3；

主被动太阳能采暖分析

本文基于黄胜关站候车厅分别采用被动式太阳能采暖方式和主被动合用的太阳能采暖方式对太阳能采暖的潜力进行分析。

主被动合用的太阳能采暖建筑

主被动合用的太阳能建筑，是在只采用被动式太阳能建筑的基础上加入独立的太阳能空气集热系统，从而实现主被动方式合用的太阳能建筑。

1. 设计方案：

采用无盖板太阳能新风集热系统与有盖板太阳能回风循环加热系统相结合的采暖方式。该系统主要由三部分组成：（1）集热部分：无盖板太阳能新风集热系统抽吸室外新风并进行加热，为候车厅提供新鲜空气补充；而有盖板太阳能回风循环加热系统不断对室内空气进行循环加热，提供房间所需热负荷；（2）蓄热部分：集热系统多余的热量主要靠嵌于地面的岩石堆积床，该岩石堆积床主要分为两部分，靠近南墙的部分直接接受南向直接太阳光进行蓄热，而靠近北墙的地面岩石堆积床主要接受来自有盖板太阳能空气集热系统的多余热量，通过专门管道送入地下蓄热体进行蓄热。

2.数值模拟

我们选择star ccm+为数值模拟软件，并依据其建模和计算参数等流程进行车站空间温度、压力、流速场的模拟。

1.建模过程

模型的建立经历了南面、顶部各一个空气集热器盖板，南部集热器采用下部开口进风，最上端开口向车站空间输送新风，收集南部热量的同时保证车站的空气质量，顶部两端各为循环进风口和出风口，用于收集车站上部的太阳能并输送到北部背阳面。

2.模型参数

车站模型为长14.4m，宽8.7m，南部集热器为4m,顶部集热器都为4.75m，之间间距7.5cm，各进出风口全为15cm。由于为二维模拟，将不考虑厚度的大小。

2.1 网格

2．1．1 网格模型

选择表面重构和四面体网格为网格模型。

2．1．1 网格尺寸

基本尺寸为0.15 m，除南部及顶部加密处，其它网格参数均选择初始值。

加密位置南部集热器盖板、车站空间最顶端 1mm、顶部的集热器盖板和集热器循环送风口。