沈阳地区太阳能与常规能源联合供暖的规划研究

摘要：根据严寒地区建筑供热系统能源优化配置，对建筑供暖规划中采用太阳能与常规能源联合供暖方式进行研究。用Dest软件对规划区内的多层建筑进行全年动态负荷进行模拟计算，得到多层住宅的逐时负荷。集热器集热量的多少与集热器的类型、布置位置及布置面积有关。本文选取平板型太阳能集热器，布置位置为南向外墙上、屋顶上、南向外墙和屋顶上同时布置三种情况，求得每种情况单位面积的集热量。通过对多层住宅建筑的冬季采暖能耗，及不同位置布置太阳能集热器集热量的研究分析，得出每种情况下冬季采暖中利用太阳能的保证率。

关键词：居住区供暖规划；太阳能供暖；联合供暖

中图分类号：TU984文献标识码： A

1引言

目前，我国能源储备面临巨大的挑战[1]。传统能源面临较大压力，我们必须要开发和利用各种新能源与可再生能源，走一条可持续发展之路。

我国太阳能资源丰富，全国有三分之二以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/m2，年日照小时数超过2200h。我国太阳能资源分布的主要特点是太阳能的高值中心和低值中心都处于北纬22°~35°太阳年辐射总量西部地区要高于东部，南部地区低于北部[2]。因此我们应合理利用太阳能资源，本文研究了沈阳地区太阳能与常规能源联合供暖。

2 多层建筑采暖负荷动态模拟

1建筑概况:本文以沈阳一栋六层三个单元一梯两户的住宅建筑为模型，建筑面积2901.12 ，供暖期限为11月1日至翌年3月31日。

2.用DEST软件模拟建筑动态负荷,并分析多层建筑逐时单位面积负荷,可知最大采暖负荷为1月,采暖负荷指标为41.61w/,平均采暖负荷指标为16.49w/，采暖耗热量为6.24x105 MJ。

3 规划居住区内利用太阳能集热器的集热量分析

1．太阳能集热器类型

太阳能集热器是太阳能热利用的关键部件[3]，分为平板型多层太阳能集热器、真空管太阳能集热器[4―5]、聚焦型太阳能集热器、太阳能空气集热器 [6]。

2．住宅建筑外观设计之中太阳能集热器布置位置

1)太阳能集热器的布置位置：屋顶、南向、与遮阳板相结合。

3．屋顶布置太阳能集热器的间距

按互不遮挡原则最小间距为[8]:

（3.1）

式中，S――满足不遮挡条件的最小安装距离，m；

H――前排集热器最高点与后排最低点的垂直高差，m；

H――太阳高度角[9]；

R――太阳光线水平投影与集热器表面法线在水平投影间夹角。

偏离南向，中午前后两个时刻夹角最小值[10]：

（3.2）

式中，a――计算时刻太阳方位角，上午取负值；

P――集热器方位角[11]。

4．倾斜面上太阳辐射量的计算方法

Mills D[12]提出集热器大多数用固定安装。张鹤飞认为最佳倾角是使系统使用期内总得热量最大[13]。本文以固定集热器的方式布置集热器，倾斜面上的太阳辐照量为：

（3.3）

式中，I――倾斜面上太阳辐射量，MJ /(・d)；

――水平面上直射辐射，MJ /( ・d)；

――水平面上散射辐射，MJ /( ・d)；

β――集热器倾角；

――地面反射率[14]；

――斜平面上直射辐射的修正因子。

5.单位面积集热器的集热量

（1）沈阳市气象及地理概况

沈阳地势平坦，为温带季风气候。夏季平均气温为 20℃，最高气温为 36℃。冬季最低温度为-30℃。沈阳位于中国东北地区南部，北纬 41.8°。

（2）屋顶集热器单位面积集热量

沈阳纬度为41.8°，本文取太阳能集热器安装角度为42°。计算出采暖期逐时太阳能集热器单位面积集热量。

（3）南向集热器单位面积集热量

为避免遮挡阳光，南向集热器布置在两窗间的外墙上，倾角为90°。计算得单位面积集热器逐时集热量。

4 多层住宅建筑采暖中利用太阳能保证率分析

通过对多层建筑三种情况:第一种t1，只在屋顶布置；第二种t2，只在南向布置；第三种t3，在屋顶和南向同时布置，分析多层住宅建筑采暖中可利用太阳能的保证率。

4.1太阳能集热量

图4.1 太阳能集热器布置在屋顶集热量

多层建筑屋顶面积为484，能布置太阳能集热器的面积为192。集热器只布置在屋顶情况下逐时的集热量。（如图4.1所示）

用同样的方法计算出，太阳能集热器只布置在屋顶的逐时集热量。

由于太阳能集热器布置在屋顶与南向两者并无相互遮挡。因此t3情况太阳能集热器集热量为t1与t2的代数和。

4.2常规能源需要量

通过对t1情况下采暖季五个月（11月、12月、1月、2月、3月）的前五日对采暖负荷与常规能源需要量逐时进行对比。发现11月1日~11月5日：几日内的采暖负荷几乎都由常规能源来承担；12月1日~12月5日：只在个别时刻太阳能集热器的集热量能完全满足建筑物所需采暖负荷，不需常规能源提供；1月1日~1月5日：只有在1月2日11刻时常规能源需要量为0；2月1日~2月5日：某些时刻采暖负荷曲线明显高出常规能源需要量曲线，差值为可利用太阳能；3月1日~3月5日：太阳能集热器的集热量完全满足负荷需要。

对于t2和t3情况，与t1的分析方法相同，在此不详细介绍。

4.3太阳能保证率分析

保证率：

（i=1,2,3）(4.1)

式中，Qti――不同布置情况下满足采暖需要的集热量，MJ；

Qf――采暖季总采暖负荷，MJ。

采暖季每月利用太阳能的保证率见表4.1。

表4.1 多层住宅能耗中太阳能的保证率

屋顶布集热器保证率 南向布集热器保证率 屋顶和南向布集热器保证率

十一月 11.31％ 7.99％ 14.72％

十二月 8.60％ 6.15％ 12.01％

一月 8.47％ 5.77％ 12.00％

二月 12.35％ 8.71％ 16.27％

三月 16.90％ 11.32％ 20.98％

采暖季 10.54％ 7.33％ 14.17％

由数据可知，多层建筑太阳能集热器只在屋顶布置与在屋顶和南向同时布置集热器的保证率相差不大，但初投资会减少一半。

5结论

（1）多层建筑在屋顶布置集热器的太阳能保证率高于在南向两窗之间垂直布置太阳能集热器的太阳能保证率。

（2）在本研究设定条件下规划区多层建筑屋顶与南向同时布置集热器可满足采暖季平均太阳能保证率为14.17％。其中太阳能的保证率在十二月份为最小，可达12.00％。在三月为最大，可达20.98％。

参考文献

[1]武涌,刘长滨,刘应宗,等.中国建筑节能管理制度创新研究[M].北京:中国建筑工业出版,2007.

[2]王如竹,代彦军.太阳能制冷[M].北京:化学工业出版社,2006,21-22.

[3] 周志敏.21世纪的绿色能源―太阳电池[J].电源世界,2007,(4):P38.

[4] 吴军,杨治金,李雪平,等.中国城市供热热源的技术发展现状及趋势[M],热电技术,2000,2:P8-12.

[5] 李先瑞,李笑.燃气供热的现状与展望[M].全国暖通空调制冷,2000年学术年会论文集[C].2000:P39- 42.

[6] 杨庆,盛晓文,李清荣.中小型燃油锅炉供暖系统经济运行方式的研究.全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集[C].2000:P122-125.

[7] 江亿主编.建筑环境系统模拟分析方法――DEST[M].中国建筑工业出版1996.

[8] 王铭.太阳能热水系统与建筑一体化[J].安徽建筑,2008(2),32.

[9] DEST官方网站:.

[10] 李元哲.被动式太阳房热工设计手册[M].清华大学出版社,1993.

[11] 王如竹,代彦军.太阳能制冷[M].北京:化学工业出版社,2007.

[12] 何梓年,朱敦智.太阳能供热采暖应用技术手册[M].化学工业出版社.

[13] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安:西北工业大学出版社,2004,3.

[14] 何世钧,张雨,周文君.太阳能热水系统集热器最佳倾角的确定[M].太阳能，2012(6)：P922-923.