严寒地区典型村镇住宅的太阳能供热采暖系统设计
西安建筑科技大学 邓带丽 李安桂
（2.1.1）
——热水密度，Kg/L。
（3.1.1）
——太阳能集热器设计月平均集热效率，无量纲，经验取值为0.25～0.50，具体数值由实际测定选取，在此选中间值0.37；
——管路、贮热水箱热损失率，无量纲，根据经验取0.20～0.30，取中间值0.25。
（3.1.2）
0 引 言
村镇太阳能的有效利用方式与气候区及建筑形式密切相关。我国太阳能资源丰富，年平均太阳辐射在3340～8400MJ/m2，年日照时数超过2200h的地区约占全国国土面积的2/3以上[1]。同时我国疆域广阔，气候多样，因地域、气候和生活方式不同而异彩纷呈的多种建筑形式。本文以太阳能资源区划指标Ⅲ类（太阳辐照量4200～5400MJ/(m2·a) [8],属严寒气候区的辽宁省沈阳市东陵区朝鲜族的典型住宅为例，对其进行供热采暖系统设计。
1 典型建筑的基本概况
沈阳市东陵区处于我国东北地区，月平均最低气温达-12℃，属严寒区，采暖期长达151天，采暖负荷占整个建筑负荷的60%。沈阳市的太阳能水平面年辐射量在5000-5400 MJ/㎡，年日照时数在2200-3000h，属于Ⅲ类太阳能资源区[8]。
本设计中所选建筑是沈阳市典型的建筑形式[5]，如图1-1所示，底层采用传统的布局形式，以满足老年人对传统环境的喜好，为了合理的利用太阳能将主要功能房间布置于南向，同时考虑充分利用太阳能，加大南向窗面积，以及添加阳光间，作为冬季。在组合形式上，为了节能省地，本建筑取缔了独院式建筑布局形式，选择4-6户相连的组合式布局。本图选择联排式中冬季最不利的一户为例。
由于经济条件的差异辽宁省村镇建筑的结构形式多样，其中砖混结构占主要部分[2]，根据《辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则》DB 21/1007-1998（采暖部分）规定，建筑维护结构的基本信息如表1-1.
（a）一层平面图 (b) 二层平面图
图1-11 典型住宅
表1-1典型住宅维护结构基本信息[6]
|
外墙材料层
|
厚度
|
导热系数
|
热阻
|
总传热系数W/(㎡、K)
|
|
（mm）
|
W/(m、K）
|
(㎡、K）/W
|
0.49
|
|
|
白灰砂浆
|
20
|
0.81
|
0.02
|
|
|
承重空心砖墙
|
240
|
0.58
|
0.41
|
|
|
聚苯板
|
80
|
0.05
|
1.6
|
|
|
承重空心砖墙
|
120
|
0.58
|
0.21
|
|
|
水泥砂浆
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
|
屋顶材料层
|
厚度
|
导热系数
|
热阻
|
总传热系数
|
|
（mm）
|
W/(m、K）
|
(㎡、K）/W
|
W/(㎡、K)
|
|
|
防水层
|
10
|
0.17
|
0.06
|
0.44
|
|
水泥砂浆找平层
|
20
|
0.93
|
0.02
|
|
|
干炉渣找坡
|
100
|
0.435
|
0.23
|
|
|
水泥聚苯板
|
80
|
0.081
|
0.99
|
|
|
加气混凝土条板
|
200
|
0.25
|
0.8
|
|
|
混合砂浆抹面
|
20
|
0.87
|
0.02
|
|
|
带玻璃阳台外门双层金属框
|
3.26
|
|||
|
单框二层玻璃窗
|
3.49
|
|||
|
双面抹灰24砖墙
|
1.72
|
|||
2 热负荷
2.1 生活热水负荷
根据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003的规定，住宅建筑中当有集中热水供应和沐浴设备时，每人每日最高日用水定额为60～100L[3]，农村地区用水相对较少，取小值60L。考虑目前农村家庭总人数为4人，则总热水量为240L/d.
根据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003的规定，热水系统的热水供水温度宜控制在55～60℃为好。温度超过60℃，管道易结垢及腐蚀，温度低于55℃，不易杀死水中的各种细菌。但太阳能集热器在低温状态下的热效率高，其在热水出水温度为45℃时，热效率最高。而对于生活热水使用的水温一般为37-45℃ ，且采用地板辐射的末端散热系统，热水温度一般为35 -55℃ 较合适[1]，因此在此选择集热器出水温度时采暖地区为45℃。由于沈阳市农村饮水多取自井水，年平均水温在6-10℃[3]，取中值8℃热负荷按式（2.1.1）计算：
（2.1.1）式中 Qh——设计小时耗热量， J；
m——用水计算单位数，人数或床位数；
qr——热水用水定额，L/人.D或L/床.d等。
C——水的比热，c=4187J/(Kg.℃)；
tr——热水温度，一般取tr=60℃ ；
tL——冷水温度，沈阳地区取8℃；
——热水密度，Kg/L。则日生活热水负荷为37.18MJ,各月热水负荷如表2-1。
表2-1 各月生活热水负荷 单位：MJ
|
月份
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
生活热水负荷
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
2.2采暖热负荷
为了适应不同经济条件下建筑热舒适性的要求，设计了室内采暖设计温度分别为18℃的标准型和室内设计温度为10℃的基本型两种采暖模式。根据《采暖通风与空气调节设计规范规范》（GB 50019-2003）及《简明供热设计手册》的要求，选取各参数，计算各房间耗热量，以老人居室及儿童间为例其计算值如表2-2，其他房间类同.
表2-2 老人居室、儿童间耗热量计算表
|
维护结构
|
标准型
|
基本型
|
|||||||||||
|
老人居室
|
儿童间
|
老人居室
|
儿童间
|
||||||||||
|
南外墙
|
南外窗
|
南外墙
|
南外门
|
屋顶
|
南外窗
|
南外墙
|
南外窗
|
南外墙
|
南外门
|
屋顶
|
南外窗
|
||
|
面积 ㎡
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
6.6
|
2.7
|
5.94
|
1.8
|
14.85
|
1.5
|
|
|
传热系数 W/(㎡、K）
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
0.49
|
3.26
|
0.49
|
4.35
|
0.44
|
3.26
|
|
|
室内温度 ℃
|
18
|
10
|
|||||||||||
|
室外温度 ℃
|
-19
|
-19
|
|||||||||||
|
温差 ℃
|
37
|
29
|
|||||||||||
|
温差修正系数
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
|
|
基本耗热量 （w）
|
119.66
|
325.67
|
107.69
|
289.71
|
217.58
|
180.93
|
93.79
|
255.26
|
84.41
|
227.07
|
170.54
|
141.81
|
|
|
耗热量修正
|
朝向 %
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
-20
|
0
|
-20
|
|
风向 %
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
|
高度附加（%）
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
80
|
80
|
80
|
80
|
100
|
80
|
|
|
修正后耗热量 （w）
|
95.7
|
260.5
|
86.2
|
231.8
|
217.6
|
144.7
|
75.0
|
204.2
|
67.5
|
181.7
|
170.5
|
113.4
|
|
|
高度修正
|
0.0
|
2.0
|
0.0
|
2.0
|
|||||||||
|
维护结构耗热量w
|
95.7
|
260.5
|
87.9
|
236.4
|
221.9
|
147.6
|
75.0
|
204.2
|
68.9
|
185.3
|
173.9
|
115.7
|
|
|
空气渗透耗热量 w
|
147.8
|
138.3
|
115.8
|
108.4
|
|||||||||
|
总耗热量 w
|
504.0
|
832.1
|
395.1
|
652.2
|
|||||||||
将各房间的耗热量叠加算出月耗热量，得采暖期月负荷，月负荷如表2-3
表2-3 采暖负荷 单位：MJ
|
月份
|
11
|
12
|
1
|
2
|
3
|
|
月平均温度 ℃
|
0.0
|
-8.5
|
-12.0
|
-8.4
|
0.1
|
|
采暖天数
|
30.0
|
31.0
|
31.0
|
28.0
|
31.0
|
|
倾斜面月平均日太阳辐射量MJ/(㎡、d)
|
13.9
|
11.4
|
12.165
|
15.9
|
18.3
|
|
标准型供暖热负荷指标 MJ/㎡
|
25.6
|
37.7
|
42.7
|
37.6
|
25.5
|
|
标准型供暖热负荷 MJ
|
8828.0
|
13429.9
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
|
基本型供暖热负荷指标 MJ/㎡
|
15.3
|
21.1
|
33.7
|
28.2
|
15.2
|
|
基本型供暖热负荷 MJ
|
4706.0
|
6689.5
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
综合表2-1、2-3得月平均总负荷，如表2-4.
表2-4 月平均总负荷
|
总负荷 MJ
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
生活热水负荷 MJ
|
1153
|
1041
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
|
标准型采暖负荷 MJ
|
15203.7
|
12084.5
|
9071.5
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
|
基本型采暖负荷 MJ
|
10698.3
|
8081.7
|
4814.2
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
|
标准型总负荷 MJ
|
16356.7
|
13125.5
|
10224.5
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
|
基本型总负荷 MJ
|
11851.3
|
9122.7
|
5967.2
|
1115.4
|
1153.0
|
1115.4
|
|
总负荷 MJ
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
生活热水负荷 MJ
|
1153
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
1115.4
|
1153
|
|
标准型采暖负荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
8828
|
13429.9
|
|
基本型采暖负荷 MJ
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
4706
|
6689.5
|
|
标准型总负荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
9943.4
|
14582.9
|
|
基本型总负荷 MJ
|
1153.0
|
1153.0
|
1115.4
|
1153.0
|
5821.4
|
7842.5
|
3 太阳能系统设计
3.1 集热器选择
目前我国应用较多的集热器有平板式和真空管式，平板式价格便宜易与建筑结合，维修费用低，但在环境温度低于零度时需考虑防冻。在得热量方面，夏季平板型略高于真空管型，过度季持平，在北方地区的冬季低于真空管，因此平板型的年得热量小于全玻璃真空管集热器[8]。真空管有热管式与玻璃管式，但真空管价格高，由于出水水温高易结垢，影响集热效果。综合考虑以上因素选择玻璃真空管集热器。
3.2集热面积的确定
根据《太阳能供热采暖应用技术手册》的规定，直接式太阳能集热器面积计算式为：
（3.1.1）式中 Ac——直接系统太阳能集热面积，m2；
Q——热负荷，W ，方案一取年热水平均负荷，方案二取采暖期内平均采暖负荷；
f——太阳能保证率，无量纲，一般在0.30～0.80，沈阳地区短期蓄热系统取10%-30%，，在此取10%；
JT——采暖期内当地集热器总面积上平均日太阳能辐射量， J/m2;
——太阳能集热器设计月平均集热效率，无量纲，经验取值为0.25～0.50，具体数值由实际测定选取，在此选中间值0.37；——管路、贮热水箱热损失率，无量纲，根据经验取0.20～0.30，取中间值0.25。间接式太阳能系统集热面积按式（3.1.2）计算：
（3.1.2）式中 AIn——间接系统太阳能集热总面积，m2；
AC——直接系统集热总面积，m2；
FRUL——集热器总热损失，W/（m2.℃),因集热器类型及制造厂家不同取值而不同，一般平板型集热器取4～6，真空管型取1～2，具体数值由实际测定选取。
Uhx——换热器传热系数，W/（m2.℃)；
Ahx——间接系统热交换器换热面积，m2。
虽然在防冻方面间接式具有较大优势，但直接式系统控制简单、维修方便、投资低、集热效率远高于间接式系统，综合考虑上述各方因素在此选直接系统。
（1） 方案一 由2.1计算可知全年热水平均日负荷为37.2MJ，太阳能资源Ⅲ类区热水系统太阳能保证率推荐选用值为40%-50%[7],本方案中取50%。由此计算太阳能集热面积为4.2㎡，取4㎡。
（2） 方案二 舒适型与基本型采暖期内采暖日平均负荷分别为425MJ，269MJ，太阳能资源Ⅲ类区供热采暖采暖系统太阳能保证率推荐选用值为10%-30%[8]，取最小值10%。
经计算得直接式集热器面积为11㎡（标准型）、7㎡（基本型）。根据月平均太阳辐射量计算得出11㎡（标准型）、7㎡（基本型）集热面积产热量。见图3-1.
图3-1 太阳能集热面积产热量
从图上可看出：（1）采暖负荷是生活热水负荷近10-20倍。（2）月平均太阳能产热量变化不大。（3）太阳能集热器面积为11㎡，在采暖季的2、3、11月除能提供100%的生活热水负荷外，还能提供近2%的采暖负荷，但在非采暖季节热水大量过剩，在5月份甚至达到生活热水负荷的153%，因此若采用此太阳集热面积为了保证系统的安全需采取，如遮挡1/3以上的太阳能集热面积；7㎡的太阳能集热器面积能满足全年生活热水负荷的83%，其中在3、4、5月份能满足生活热水负荷的95%。
3.3 辅助热源
由于天气的影响，太阳能系统具有很大的不确定性，为了保证系统的可靠性，必须设计辅助热源。辅助热源应根据当地的条件选择，可选择电加热，燃油、燃气，工业余热、热泵或生物质能等。沈阳市秸秆、柴薪丰富，在其生活用能中，生物质能也占总生活用能的60%以上[4]，因此优先考虑生物质作为辅助能源。对于经济条件较好，生物质少的家庭也可利用热泵、电或煤炭作为辅助能源。
4 系统经济性分析
根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》的规定，计算得太阳能系统年节能量为：方案一年节能量8420MJ;方案二年节能量14562.7MJ（标准型）/11233.5MJ(基本型)，如果取锅炉的效率为80%，则方案一节约标准煤287.3kg,方案二节约标准煤496.9kg/383.3kg。若集热器的使用寿命为15年，则寿命期内方案一可节约标准煤4309.4kg，方案二可节约标准煤7453.3kg/5749.4kg。取沈阳市的电价为0.5元/(KW、h)，加热设备效率按95%，则折算的热价为0.15元/MJ，取单位集热器面积为1200元，维修费用取为投资费用的1%，则寿命期内方案一可节省费用17053.1元，方案二可节省费用7187.6元/7591.0元。投资回收年限为：方案一4.6年，方案二8.6年/6.7年。寿命期内CO2减排量分别为：方案一12.1t，方案二20.9t/16.1t。
5 结论
通过以上的计算分析可以得出：
1.方案一与方案二相比（即热水系统比采暖系统），在寿命期内节省的总费用及动态投资回收年限方面，前者更具优势。
2.方案二中，按室内设计温度为18℃的标准型太阳能供热采暖系统与设计温度为10℃的基本型太阳供热采暖系统相比，在寿命期内节省的总投资费用及动态投资回收年限方面，后者更优，且前者在非采暖季节热水大量过剩，需采取防过热措施。
6 致谢
本文为国家“十一五”科技支撑计划重大课题“村镇住宅设备标准化设计技术与软件开发”（ 2008BAJ08B07）及国家自然科学基金资助（资助号No.50778145）的部分内容，特此鸣谢。
参考文献
[1] 国家住宅与居住环境工程技术研究中心著.住宅建筑太阳能热水系统整合设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 陈士芹.我国太阳能采暖和供水系统经济性研究与开发[J].科学决策，2008（11）：6
[3] 建筑给排水设计规范[S].GB 50015-2003.
[4] 清华大学建筑节能研究中心 著.中国建筑节能年度发展研究报告2009[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[5] 刘军、刘玉军、白芳编。新农村住宅图集精选[M].北京：中国社会出版社，2008.
[6] 辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则[S]. DB 21/1007-1998
[7] 郑瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[8] 何梓年、朱敦知主编.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京：化学工业大学出版社，2009。
湘公网安备43011102000873号
