PDF《基于太阳能资源的分析及太阳能在供暖中的应用》

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1 - 基于太阳能资源的分析及太阳能在供暖中的应用 天津城建学院 吕建 殷洪亮 摘要:本文利用天津市气象台站近9年来的气象资料, 对天津市的太阳能资源进行了分析和评价, 并介绍了太阳能在供暖方面的一些新应用,主要包括太阳能地板辐射采暖和太阳能季节热量存储供 暖,指出了由于天津地区太阳能资源较为丰富,因此在天津地区大力发展太阳能十分必要, 将对社会 和经济的发展具有非常积极的作用,政府应该把开发和利用太阳能放在能源发展的优先地位,应该对 阳光经济给予大力支持.

关键词:太阳能;

分析;

可持续发展

1 天津市太阳能资源分析 太阳是―个巨大的能源,每时每刻都在向地球表面辐射大量的光和热,可供人类使用.但在实际 的太阳能利用中,我们关心的是太阳辐射到地面单位面积上有多大的能量,因为它的大小决定了应用 太阳能的可能性.虽然太阳对地球的辐射强度基本不变,但到达地球表面的辐射强度却差别很大.大 家都知道,不同的地理位置对辐射强度影响很大,因此各地的太阳能资源也差别很大. 本文依据

1993 年到

2001 年天津气象台站 测得的逐时总辐射值 [1] (其中

4 次定时时间分别为

2、

8、

14、20 点, 逐时总辐射值是水平面上,在2π 立体角内所接收到的太阳直接辐射和散射太阳辐射 之和)得出太阳能的统计

图表. 根据 1993~2001 年9年间的天津市气象资料统计分析,天津

2001 年太阳总辐射年平均值为最 大,为14.53MJ/m

2 ;

最小值出现在

1996 年,为10.93 MJ/m

2 ;

九年来平均值达到 13.16 MJ/m

2 . 太阳 辐射总量有明显的年季变化,一般为夏季>

春季>

秋季>

冬季. 冬季最小,夏季最大.月辐射量最 大值出现在

6 月,最小值出现在元月.太阳月辐射量最大值与最小值的出现月份与累年各月极端最高 最低气温的统计分析是相吻合的. 图一是天津市近九年来太阳总辐射月平均值图.从统计

图表来看, 天津市太阳能资源比较丰富, 全年日照时数大于 3000h,太阳能区划为二类地区.

2001 年太阳总辐射年平均值为 14.53MJ/m

2 ,这个 值甚至大于低纬度的有些城市.虽然冬季天津市太阳辐射较低,但可以考虑以其它能源作为补充,因 此在天津大力发展太阳能是十分有利的.

400 500

600 700

800 900

1000 1100

1200 1300

1400 1500

1600 1700

1800 1900

2000 2100 图一 天津市历年来太阳总辐射月平均值(0.01MJ/m2 ) -

2 -

2 太阳能技术在供暖上的一些新应用 太阳能技术的应用主要有三种方式:被动式太阳房、主动式太阳房、太阳能光伏技术的应用.其 中主动式太阳房又包括太阳能热水系统、太阳能采暖系统、太阳能空调系统 [2] .本文主要介绍太阳能 在采暖上的一些应用. 2.1 太阳能地板辐射供热系统 近些年来,随着技术的发展,真空管太阳集热器的质量有了很大的提高.利用真空管太阳集热 器,增加辅助热源并设置完善的控制技术,使得太阳能地板辐射采暖走进千家万户成为可能.整个供 热系统可由集热部分、采暖部分、系统控制三个部分组成. 真空管太阳集热器的能量平衡方程(总集热量=有效太阳得热量-热量损失)为: MCP(T2-T1)=ταIA1-U(T2-T1)ΔtA2 式中:M为水量(kg);

CP―T1~T2范围内水的平均定压比热容(4.18kJ/kg℃);

T1为水的回水温度(℃);

T2为水的供水温度(℃);

τ为玻璃管的太阳透射比;

α为吸收涂层的太阳吸收比;

I为太阳辐射量(kJ/m

2 );

A1为集热管采光面积(m

2 );

U为T1~T2范围内的平均热损系数(W/m

2 ℃);

Δt为累积辐照时间(h);

A2为散热面积(m

2 ). 图二为太阳能辐射采暖系统示意图,整个系统主要由太阳能集热器,集热泵,控制器,蓄热水 箱,膨胀水箱,辅助热源,阀门若干,三通阀,循环泵组成. 图二 太阳能地板辐射采暖系统示意图 地板辐射采暖主要是由地板内的加热盘管中的热水向外传热,传热过程为管壁对地板表面传热, 地板向室内空气的传热,设计供回水温度分别取为45℃和30℃.地板供热总量Qz可由下式计算: Qz=Qu+Qv 其中Qu为地板的有效传热量(w/m

2 ),Qv为地板传热损失的热量.Qv与很多条件有关,如管材的选 择、管距、管道布置、保温效果、地板的材质等.在这里我们根据经验取Qv=0.15 Qu. -

3 - 投射到集热器单位面积上太阳辐射热量设为Qsun ,根据经验考虑10%的热损失这样我们可以计算每 平方米建筑面积所需集热器的面积如下: 1.28 u sun Q A Q = 在实际工程中,以天津市普通住宅为例,如果太阳能辐射供暖系统提供设计热负荷(由单位面积热 指标法取为50W/m

2 )的2/3,由天津市九年来的气象数据,取太阳辐射强度I=2.193MJ/m

2 h,玻璃透过率 和吸收率均取为90%,则每平方米建筑面积所需集热器的面积由公式计算为A=0.086m

2 . 目前真空管太阳集热器的实际应用领域主要是生活热水的供应,而生活热水的特点是不需要连续 供应即可满足需求.但为住宅提供采暖用热水则完全不同,必须要保证连续供应,而且要稳定可靠, 才能保证用户的需求.因此完全依靠太阳能很难保证用户的需求,必须配备利用常规能源的辅助热 源.在应用太阳能地板辐射采暖系统时,要根据当地太阳能资源条件,常规能源的供应状况、建筑物 热负荷和周围环境条件等因素,做综合经济性分析,以确定适宜的辅助热源和合理的太阳能供暖比 例.目前在采暖的辅助热源中可以选择:小型燃气(油)锅炉,城市热网或区域锅炉房以及工业废热 等. 太阳能地板辐射供热系统的自动控制较为复杂,这些控制主要包括:集热器供热和热交换器供热 的运行状态转换控制;

供水温度、流量的控制;

集热器防冻和防晒控制等.我国目前的自动控制水平 已经可以实现这些控制. 通过以上分析可见,太阳能地板辐射供暖系统在配备适当的辅助热源和可靠的控制系统,可以较 好的实现对用户的供暖,目前我国住宅价格越来越贵,使用太阳能地板辐射采暖也必然会增加建筑物 的成本,但如果从建筑物的寿命来看,这种系统将会降低整个系统的成本,因此从长远来看我们今后 应该开展在该领域的研究. 2.2 太阳能季节热量存储供暖 图三为太阳能季节存储示意图,即把太阳能在夏季储存的热量转入地下进行保温存储,到了冬季 在把这部分热量进行利用,一方面可以作为生活热水,另一方面可以作为空调用,以实现大量节约能 源的目的. 图三 太阳能季节存储供暖示意图 蓄热可分为两种,一种是显热蓄热,另一种是潜热蓄热.本文主要指显热蓄热.贮存在蓄热介质 中的显热热量可由下式给出:

2 1 F q C d θ θ γ θ = ∫ 式中去 q―单位体积的蓄热量,kJ/m3 ;

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4 - θ―温度,℃;

CF―物质的比热;

γ―物质的比重 ;

实际应用中,蓄热容器的大小对系统的经济性有着很大的影响,因此应根据当地的气象条件、热 负荷、建筑用途等选择合理大小的蓄热容器.此外蓄热容器的保温形式有不保温、上部保温、整体保 温三种形式,也要根据当地的情况进行选择.

3 结论 现今世界各国都将开发利用可再生能源放到国家能源发展的优先地位.天津市是工业城市,对能 源的需求较大,太阳能是取之不尽,用之不竭且无污染的可再生能源, 将有可能成为未来能源的主 力军 [3] . 天津市太阳能资源比较丰富,天津地区一年四季天朗气清,光照度强,光照时间也较长, 太阳能产品的工作效率较高,因此有必要在天津充分利用和发展太阳能.但同时也应该看到可再生能 源的发展仍处初期,产业未形成规模且获益能力较差,市场竞争能力较低,发展可再生能源面临着许 多的困难和问题,但本文以为发展阳........