采暖温度对丽江地区太阳能采暖系统的影响

2020-01-16张昱翀高文峰刘滔林文贤牛艳陈雪娇

云南师范大学学报（自然科学版） 2020年1期

张昱翀，高文峰，刘滔，林文贤，牛艳，陈雪娇

(云南师范大学太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南昆明 6500092)

1 引言

云南丽江位于太阳能资源二类资源较富区[1]，属高原型西南季风气候，但冬季月平均温度也低于10 ℃，且早晚温差较大；为改善该地区冬季的居住舒适度，可以利用太阳能给房间供暖，为房间提供热量同时减少能源消耗[2-4].

太阳能低温热水地板辐射采暖系统是利用太阳能加热水，以热水为热媒加热地板，然后通过辐射和对流向室内供热的供暖方式[5-7].由于各地气候条件的不同，在太阳能低温热水地板辐射采暖系统中，房间的预设采暖温度是太阳能采暖系统中一个十分关键的参数，基于丽江地区气候条件，本文比较了不同的房间预设采暖温度下太阳能低温热水地板辐射采暖系统的太阳能保证率、储热水箱温度和耗电量，从而得出既能保证房间舒适性又能兼顾经济性与节能性的预设采暖温度.

2 环境参数及系统

2.1 环境参数

由POLYSUN软件输出丽江环境参数得表1，可以发现丽江的1、2、3、11月和12月的环境平均温度分别为6.7、8.9、11.3、10.3 ℃和7.4 ℃，低于人体卫生要求的下限环境温度12 ℃,因此在丽江地区，11、12、1、2月和3月五个月室内需要供暖.

表1 丽江典型气象数据

2.2 系统设计及部件参数

图1为所设计太阳能低温热水地板辐射采暖系统原理图；采用真空管集热器[8]+辅助能源热泵作为系统的热源.在利用POLYSUN软件模拟过程中发现：对于太阳能低温热水地板辐射采暖系统，在丽江地区普通双层建筑(日用水量设为200 L/d)中，1 m2采暖面积至少需要0.05 m2的集热器采光面积，否则系统热量无法得到满足,因此在所设计的模拟系统中将集热器采光面积与建筑采暖面积之比设为0.05.系统部件参数具体如表2所示.

1.真空管集热器 2.空气源热泵 3.控制器 4.储热水箱 5.三通混水阀 6.普通建筑 7.水泵 8.采暖铜管

图1太阳能热水低温地板辐射采暖系统原理图

Fig.1Schematicdiagramofsolarheatingsystemforlowtemperaturefloorradiantheatingsystem

表2 采暖系统各部件参数

3 模拟结果与分析

在确定太阳能采暖系统及建筑传热系数和采暖面积等参数后，利用POLYSUN软件进行模拟，研究不同预设采暖温度对系统太阳能保证率、耗电量和水箱温度的影响.根据《室内空气质量标准GB/T 18883-2016》要求的16-24 ℃供暖标准，设置17、18、19 ℃和20 ℃四个不同预设采暖温度进行模拟.

3.1 太阳能保证率

太阳能保证率是系统总负荷中由太阳能承担的百分数，是评价太阳能系统好坏的一个重要指标.由图2的太阳能保证率变化曲线可以看出，月平均环境温度较高的3月和11月系统具有较高的太阳能保证率，月平均环境温度较低的1月系统太阳能保证率相对较低；随预设采暖温度升高，11月太阳能保证率保持在100%，而1月太阳能保证率急剧下降，但3月太阳能保证率在采暖温度由19 ℃提高到20 ℃才发生明显下降，12月和2月太阳能保证率则在采暖温度由18 ℃提高到19 ℃时就发生明显下降.

图2 太阳能保证率变化曲线

3.2 系统每月耗电量

在太阳能保证率不足的情况下，系统将开启辅助能源热泵，需要消耗一部分电能.图3为系统每月耗电量，随着采暖温度的提高，系统每月耗电量与图2太阳能保证率呈相反的变化趋势；值得注意的是，采暖温度若从18 ℃提高到19 ℃，太阳能保证率较低的1、2月和12月耗电量将开始大大增加.

图3 系统耗电量

3.3 储热水箱温度

图3是四种不同预设采暖温度下储热水箱的温度变化图，可以看出不同预设采暖温度条件下，系统基本都能保证提供50 ℃的生活热水，但在平均环境温度最低的1月，采暖温度高于18 ℃时，随采暖温度的提高水箱温度将大大降低，尽管水箱温度仍保持在50 ℃以上，但这是建立在消耗大量电能的前提下.综合考虑系统太阳能保证率、每月耗电量和水箱温度，在丽江地区使用本文设计的采暖系统，预设采暖温度设置为18 ℃既能满足室内热舒适性要求、提供足够的生活热水，又能兼顾节能性和经济性.