太阳能反季节蓄热（共6篇）
太阳能反季节蓄热 篇1
目前国内外太阳能建筑热利用有一个理论和认识上的盲区:没有建立反季节蓄热的理论和全天候利用方法。全天候、零能耗、完全太阳能建筑技术, 从理论上解决了最佳气候蓄能比问题, 不仅全天候同时解决了建筑物冬季采暖、生活热水、夏季降温、电力和燃气供应问题, 而且不降低现有的生活舒适和便利程度, 还降低了全社会峰值能源储备和基础设施建设投资, 提高了社会能源利用总效率。
比拼太阳能技术
太阳能电池并网发电系统收支平衡实现零电耗, 效率低, 如果按上网电价和用户电价平衡, 要使发电量达到用电量的两倍才能平衡;目前的发电量等于用电量即视为零能耗不正确, 因未计入电网的建设、运行和管理能耗。
集中大规模光伏 (MW) 太阳能电站, 只适用于在不毛之地开发利用太阳能, 如果占用耕地草原林地就是不经济的。因为半导体光伏效应的效率与规模无关且阳光在大地上也是较均匀分布的特点, 与矿物能源和水资源大多集中分布且火电水电的效率和规模成正比的本质不同, 太阳能光伏发电应以建设小规模分散系统局部供电系统更为合理。
太阳能电池/蓄电池供电系统, 只能利用较强阳光产生的能量, 充电次数增加效率下降, 全寿命期总效率低。能量密度低, 大容量储能占用空间大;生产、使用和回收环保成本高。优点是目前技术成熟度较高。
太阳能热水器被广泛使用, 但没有充分发挥太阳能集热器潜力, 受结构和保温限制, 实际年总太阳能利用效率低, 不能全天候供热水, 不便利。大规模的低效率应用也是一种资源的浪费。
太阳能热发电只适用于在不毛之地开发利用太阳能, 如果占用耕地草原林地就是不经济的。因为其只能利用较强直射光, 转换环节多, 单位地表太阳能年利用总效率低于绿色植物 (北方加冬季大棚) 和半导体光伏发电。
在地球热带, 亚热带, 冬季温暖不需要采暖也无冷可蓄, 太阳能吸收式制冷和半导体直接制冷将发挥优势作用;热带, 亚热带建筑能耗只占世界建筑能耗的10-20%。
风能、河流水力能, 都是太阳能转换来的, 能值转换率分别为1500、40000 (太阳能卡/卡) , 是比太阳能更高等级的, 更稀缺的能量形式, 且都肩负着地球生态和环境功能, 大规模无节制的工业开发也会导致大气圈、水圈、气候系统及与之相关的生态系统变异, 有时可能会造成灾难性后果。要有限度开发, 尽可能不开发或少开发。低空的风是对流层大气运动的地表边界层流动, 从大气科学的角度“风场”局部的微小改变, 可能会诱发大气运动状态的整体变化, 造成气候的变迁 (可能西北大规模的风电开发会导致华南气候异常) 。
建立反季节蓄热定律
目前国内外的各种自称为零能耗的建筑, 都不是真正意义的零能耗, 有的是以降低室内环境标准为前提, 有的是假设气候条件天天艳阳高照, 有的是把某一方面 (如零电耗) 零能耗说成零能耗建筑, 总之都没有全天候同时解决建筑物冬季采暖、生活热水、夏季降温电力和燃气问题, 做不到完全100%零能耗零排放, 且不降低现有的生活舒适和便利程度。绿色建筑、零能耗建筑的名词被滥用于商业炒作。
现在国内外太阳能建筑热利用有一个理论和认识上的盲区, 只考虑当地太阳辐射数量的光热转化利用效率, 忽略了天气现象、太阳辐射的周期性和时间分布对太阳能利用方法及年热利用总效率的影响, 因此没有建立反季节蓄热的理论和全天候利用方法。
国内外都有用太阳能蓄热采暖的工程实践, 包括所有自称为跨季节蓄热采暖的工程, 都是只从热工学角度设计, 其单位建筑面积的蓄热量都太小而用的集热器面积都太大, 导致直接造价高且建筑形状怪异, 为保证冬季室内温度达到建筑热工标准要求都有辅助加热系统备用, 不能做到全天候完全太阳能采暖, 辅助加热系统不仅占用建筑空间和投资且利用率低, 还占用社会发电/供电/燃料等峰值容量储备, 以降低社会能源利用总效率为代价。
究其原因是没有解决气象蓄热比的理论问题和全天候设计方法, 没有找出与各种气候参数相关的设计准则, 太阳能反季蓄热采暖技术第一次从理论上解决了各种气候最佳气象蓄热比的问题, 反季节蓄热采暖三定律, 建立了气侯参数与蓄热比、蓄热效率、集热面积、蓄热量和建筑能耗之间的数量关系。是开创性理论研究成果。
由“被动”变“主动”
被动太阳能建筑在冬季连续阴天无法保证室内温度达到要求, 冬季太阳能利用往往阳面采用大面积玻璃窗, 平衡夜间保温和夏季遮阳隔热效果有限, 室内温度波动大, 以牺牲舒适性为代价。
被动太阳能建筑与当地气候密切相关, 有把德国温带海洋气候的被动太阳能建筑生搬到北京温带季风气候来示范的。根据中国严寒、寒冷、夏热冬冷地区的气候特点, 依靠建筑保温和被动太阳能建筑技术是不能经济合理地完全解决全天候采暖问题的, 缺口大概25～5w/m2 (严寒地区25～15w/m2、寒冷地区20～10w/m2、夏热冬冷地区15～5w/m2) , 要实现全天候完全太阳能采暖, 靠太阳能反季节蓄热采暖才能弥补这个缺口。人为地把太阳能利用分为被动主动, 不利于太阳能利用技术的创新。
全天候、零能耗、完全太阳能建筑技术, 从理论上解决了最佳气候蓄能比问题, 创造了依据当地典型气象年数据设计太阳能反季节蓄热采暖蓄冷降温系统和太阳能H2O H2+1/2O2动力循环电力和燃气独立供应系统的技术和工程设计方法, 不仅全天候地同时解决了建筑物冬季采暖、生活热水、夏季降温、电力和燃气供应问题, 而且不降低现有的生活舒适和便利程度。还降低了全社会峰值能源储备和基础设施建设投资, 提高了社会能源利用总效率。仅直接节能减排目前可降低全球能源消耗的28%, 2030年可达到50%。
这种技术单位地表太阳能年利用总效率高, 对环境影响小, 适用范围广, 节能减排效果明显, 是多种能量形式同时按质分类高效供给的分布式生态循环能源技术, 是主导未来, 普遍适用绿色能源技术。
太阳能反季节蓄热 篇2
太阳能光热系统
太阳能是无公害的清洁能源。太阳能利用技术主要是指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术, 其中的太阳能光热转换是历史最为久远、开发最为普遍的技术。在能源和环境日益严峻的今天, 太阳能作为一种可再生能源, 被认为是以后人类可期待、最有希望的能源, 并得到越来越广泛的重视。《中华人民共和国可再生能源法》中明确指出:“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统…”。
我国地域辽阔, 年日照时间大于2000小时的地区约占全国面积的2/3, 处于利用太阳能较有利的区域内。太阳能作为清洁和用之不竭的可再生能源, 有其独特的优点。现在我国的太阳能光热转换系统主要用来供应生活热水, 利用的量比较小, 因此希望把太阳能热利用的范围扩展到建筑的供热和空调中去。
但是, 太阳能也有不连续、不稳定和不平衡的问题, 因此需要解决蓄热的问题, 即把当时用不完的太阳能储存起来供需要的时候再用。传统的太阳能供应生活热水系统需要解决以天为周期的蓄热问题;如果要把太阳能光热转换系统用于建筑的供热, 则需要解决季节性蓄热的问题, 即把非供热季节的太阳能储存起来供冬季供热之用。由于需要蓄热的量十分巨大, 这就形成了一个技术上的挑战。地源热泵系统的地埋管换热器可以达到的体积和蓄热量足以满足一幢大楼甚至是小区的供热需求, 热泵系统本身就是太阳能供热空调系统可靠的辅助或后备冷热源。因此, 与地源热泵结合组成复合系统是实现太阳能供热的最佳选择。
季节性蓄热技术
所谓季节性蓄热系统就是夏季或过渡季节把多余的太阳能蓄存在蓄热装置内以备冬季采暖需求的一种系统。由于要求的蓄热量大, 季节性蓄热系统实现方式主要有三种:一、以水为介质用蓄热罐储热;二、利用地下水在含水层 (滞水层) 里储热;三、利用地埋管换热器在浅层岩土里进行储热。
用蓄热罐储热需要考虑蓄热罐容积、结构、埋设深度, 以及地下地质结构等一系列的因素, 初投资很大。目前国外这种蓄热罐的形式概括起来有三种:1) 在地面上开挖大坑蓄热, 蓄热罐需设防渗和隔热装置, 初投资很高, 而且这种方式在系统开始运行时其热损失较大;2) 利用已有的洞穴进行储热, 洞穴通常用水填充但也有用岩石的, 热交换器则放在水中或岩石层的沙粒中。这种方式节省了挖掘费用, 但是也存在水的渗漏和热量损失等问题。这种混凝土的洞穴顶部需要绝热, 而且绝热的部分要顺着壁面下到一定的深度。洞穴的防水通常采取的方法是安装橡胶衬垫, 如果衬垫是高级聚合体材料或是金属材料那么蓄存温度最高可达95℃。图1是一个洞穴储热的图示;3) 用地上储水箱蓄热, 这种方式是把水箱作为热量缓冲存储器, 要求储热水箱有较好的温度分层和较高的热利用率。图2是三种结构不同的储热水箱, 其中左边的是带有一个内部换热器的顶部加热的热水水箱, 它可以获得40%的蓄存热量。中间的设计稍微好点, 水箱内有两个换热器, 可以获得70%的蓄存热量。右边的水箱是一个带有外部换热器的水箱, 这种水箱内会有较好的温度分层, 因此它可以获得80%的蓄存热量。
对于利用水井抽灌地下水在含水层里储热的方式来说影响系统的参数有很多, 比如土壤的致密程度, 含水层内水压大小, 蓄水池周围地下水的流动速度等等。其中需要考虑的最大的问题就是要有适当的滞水层, 既要有较丰富的地下水, 又不希望地下水流动;同时抽取的地下水能否顺利地回灌也是一个关键的因素。它包括两种方式:循环式和连续式 (如图3所示) 。循环式系统在每口井或每组井周围会形成一个蓄热或蓄冷水池。其温度高于或低于土壤平均温度, 系统换热温差大, 换热效率高。但是因为每口井要既能吸收地下水, 又能排放地下水, 实现方向相反的两个循环, 因此循环式的系统地下水井的设计和控制都很复杂。连续式系统, 其系统设计和控制都很简单, 由于在夏季和冬季两种工况下系统的循环方向一致因此连续式系统中仅一口井或一组井需要设置泵。当然这也使得系统换热温差较循环式的小, 换热效率相对较低。目前这项技术在荷兰、瑞典、德国、比利时等很多欧洲国家均有示范工程。
把热量蓄存在地下岩土中的方式利用了现在发展较为成熟的地源热泵系统中的地埋管换热器技术, 可以实现的蓄热量大, 是一种较为理想的季节性储热方式。利用地下岩土储热容易实现很大的体积, 因而实现很大的热容量。不透水的岩石层和粘土地层不利于地下水流动, 这种地质条件对钻孔蓄热系统尤为有利。钻孔蓄热方式有开式和闭式两种, 如图4所示。在开式系统中, 输入端位于钻孔底部, 输出端则位于钻孔顶部、地下水位以下。而闭式系统中介质在U形管内进行循环流动, 通过U形管实现冷热介质与周围土壤的热交换, 因此它避免了开式系统中出现的受水的化学性质影响而产生的种种问题。瑞典较早的开展了这项技术的研究, 第一个钻孔蓄热工程同时是一个工业废热利用工程, 通过钻孔把工业废热蓄存在地下作为建筑物的采暖热源。目前欧洲最大的一个钻孔蓄热工程位于挪威, 该工程包括180个200米深的孔, 可实现供热量和供冷量分别为3.2MWh、4.8MWh。
地源热泵系统
地源热泵技术是热泵技术中的一种。地源热泵系统利用地下岩石、土壤、地下水和地表水作为低温热源的热泵系统。它把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下, 使其与大地进行热交换, 或是通过中间介质 (通常是水或水和防冻剂的混合液) 作为热载来设置地埋管换热器, 这在建筑相对密集的城镇地区会成为一个限制条件;二是地下岩土层在系统运行中充当一种蓄热体, 因此要求地埋管换热器全年的吸热和放热应大体平衡。这种地埋管换热器全年的冷热负荷基本平衡通常是通过建筑的冬季供热 (或加上热水供应) 负荷和夏季的制冷负荷的适当匹配来实现的。但是在我国的北方地区, 建筑的供热负荷远大于夏季的空调负荷, 在很多建筑中甚至不要求供冷。在这种情况下, 由于全年从地下吸收的热量大于向地下排放的热量, 多余的冷量就会在地下的地埋管换热器中积累, 致使设置地埋管换热器的岩土层的温度逐年下降, 引起系统效率的降低, 甚至由于循环液温度过低而导致热泵不能工作。因此, 对于冬季热负荷占优的地源热泵系统, 需要有适当的辅助热源来帮助实现地下全年冷热负荷的基本平衡。虽然利用常规化石燃料的锅炉可以是一个选择, 但作为可再生清洁能源的太阳能当然就成为全年补充热量的首选。这就是太阳能和地源热泵复合新能源供热空调系统。
太阳能光热与地源热泵复合系统
地源热泵与太阳能热利用相结合是解决寒冷地区地热换热器全年冷热负荷不平衡的一个重要途径, 也是把太阳能热利用从传统的热水供应扩展到建筑供热空调的重要技术创新。当然两种技术的简单的组合相加并不能充分发挥各自优势。这里讨论的复合系统均指的是融入季节性蓄热技术的太阳能地源热泵复合系统, 特别是第三种以地埋管换热器为蓄热手段的季节性蓄热技术, 其在经济和技术上均存在较大的优势。图5就是利用地埋管地源热泵与太阳能技术结合的季节性蓄热系统示意图。该系统同时实现了太阳能供应热水、地源热泵空调的功能, 其中融入的季节性蓄热技术实现了太阳能、地源热泵两种技术的优势互补。系统有三种运行模式, 夏季工况:太阳能供应生活热水, 地源热泵制冷满足冷负荷要求, 同时阴雨天可以利用地源热泵辅助太阳能加热生活热水, 太阳辐照强度大时可以把富余的太阳能利用蓄热地埋管蓄存在地下;过渡季节工况:过渡季节不考虑空调, 太阳能满足生活热水要求, 富余的太阳能同样蓄存在地下;冬季工况:太阳能满足热水需求, 提取地埋管在夏季和过渡季节蓄存的热量, 两部分地埋管并联运行共同满足供暖负荷要求, 阴雨天气太阳能无法满足热水负荷要求时可以利用地源热泵辅助加热。这种技术的不同之处就在于它可以在夏季、过渡季节将富余的太阳能通过地埋管换热器把热量传入地下, 升高地温, 待冬季供暖期再从地下提取这部分蓄存的热量。在供暖季如果从地埋管换热器出来的循环水的温度足够高, 则可以直接导入建筑供热系统;当循环水的温度不够高或经过一段时间的供热以后水温逐渐降低, 则需要通过热泵提高温度再为建筑供热。当然, 这种复合系统也可以结合以太阳能热水为驱动力的吸收式或吸附式制冷技术, 此时地源热泵系统同样成为辅助冷源。
这种融入季节性蓄热技术的太阳能地源热泵复合新能源系统的优势是:
(1) 对于太阳能系统来说, 由于有地埋管换热器作为太阳能的季节性蓄热装置, 可以把全年的太阳能用于建筑的供热, 大大提高了太阳能集热系统的效率。同时, 有地源热泵系统做太阳能供热制冷系统的备用冷热源, 解决了太阳能系统本身的间歇性、不稳定的问题, 保证了系统的可靠性。这样, 可大大节省太阳能集热板的面积, 降低系统初投资。
(2) 对于热负荷占优的地源热泵系统来说, 由于采用太阳能集热器作为辅助热源, 解决了系统全年冷热负荷不平衡的问题, 保证了地源热泵系统长期可靠和高效地运行。与单一的地源热泵系统相比, 减少了钻孔数量, 降低了系统的初投资, 节约了地埋管的用地;同时提高了热泵的效率, 或不再需要锅炉作为辅助热源, 因此节省了运行费用。
(3) 可以在同一系统内实现热水供应、冬季采暖、夏季供冷等多项功能, 具有结构紧凑、稳定可靠和性价比高的特点。
这种复合式新能源系统因为它独特的系统优势, 使其具有较高的应用推广价值。2007年全国太阳能热水的应用 (或太阳能与建筑一体化) 的应用量约为7亿平方米。地源热泵供热空调技术是重点推广的建筑节能技术, 其应用规模逐年上升, 全国推广应用地源热泵技术的建筑面积已经达到8000万平方米。以采用太阳能与地源热泵复合能源系统的应用面积占整个地源热泵系统应用的10%计, 全年可有800万平方米建筑面积的市场容量, 约46亿元的产值。
在近年来我国的建筑节能技术中, 太阳能热水和地源热泵技术已经得到了充分的重视和推广, 但是它们还只是作为各自独立的技术, 而且各自存在一定的技术瓶颈。为了更好地利用太阳能和地源热泵这两种可再生能源技术, 必须进行技术创新, 针对建筑供热空调和热水供应的应用对象, 利用地埋管换热器作为季节性蓄热技术的载体把太阳能、地源热泵这两种技术有机的结合在一起。
由于融入了季节性蓄热技术, 复合新能源系统既可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响的局限性, 又可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成地下岩土温度不断降低的局限性, 因此, 太阳能与地源热泵结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源的优点, 同时相互弥补各自的不足, 是很有潜力的可再生能源建筑应用的新技术。
太阳能与地源热泵复合系统在建筑中的应用在我国还刚刚起步, 只有个别小型的应用实例。推广应用这一新技术的障碍主要是:
(1) 公众对这一新技术还缺乏了解, 需要有一个宣传和培育市场的过程。
(2) 与利用常规能源的供热空调系统相比, 这一复合新能源系统的初投资偏高。但这是所有可再生能源技术共同的问题。由于其运行费用低, 随着政府和公众对节能和环保意识的不断增强, 这一新技术的市场前景是十分光明的。单一的太阳能和热泵技术得到迅速推广应用就证明了这一点。
温室太阳能蓄热水池的节能分析 篇3
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新型清洁能源, 其开发利用越来越受到广泛关注。合理利用太阳能, 可以大大减少矿石能源消耗, 减轻环境污染压力。由于我国气候的特点, 使温室行业面临的一大问题就是生产成本居高不下, 北方寒冷地区冬季采暖负荷能耗相当大, 采暖能耗要占温室运行成本的60%～74%[1]。而温室大国荷兰冬季采暖能耗仅占运行成本的10%～15%。据计算, 我国北方各地冬季日平均气温≦5℃负积温要比世界同纬度地区高出1～4倍[2]。这意味着我国温室生产冬季加热所需能耗比欧洲国家要高得多。如何降低能耗, 建造有竞争能力的、符合中国国情的温室, 将是一项非常急迫的任务。
1 太阳能蓄热水池结构
太阳能蓄热水池本质上是一个大面积太阳能集热器, 如图1所示。它由一个底部和两侧保温的容器及透明罩盖组成。蓄水池中的蓄水深度相对较小, 一般在5～20cm左右。容器底部采用黑色塑料或黑色薄膜衬底, 水面覆以透明薄膜以防止水分蒸发。
太阳能蓄热水池主要用于收集和存储太阳能。白天, 在太阳照射下, 水吸收太阳光的辐射热而蓄热;晚上, 大气温度降低, 这时已蓄热的水向温室自动放热, 从而维持温室适宜的温度。利用太阳能蓄热水池蓄热不需其他额外设备, 就能实现白天储存的热量有效地用于夜间取暖, 且建设所需材料相对便宜。
2 模型理论分析
为评价分析太阳能蓄热水池在温室内应用的性能情况, 采用一双层薄膜的温室[3]。根据温室的热平衡, 在一个分析日内有
Qt+Qs+Qre=Qv+Qra+Qc+Qg+Qcon
式中 Qt—为维持温室在一个合适温度范围内所需的总加热量, 当没有太阳能可利用时, 其值等于辅助加热量;
Qs—温室吸收的太阳能辐射热 (扣除太阳能蓄热水池面积) 。
Qs=ταI (Af-As) HR
τ—透射系数;
α—温室材料吸收系数;
I—月平均太阳的辐射照射强度 (W/m2) ;
HR—每月的日平均太阳辐射时间;
Af—温室总地面面积 (512m2) ;
As—太阳能蓄热水池的面积, 取As= (10%～50%) Af。
Qre=0.24AstHD
Qre—植物呼吸时放出的热量;
Ast—植物投影面积 (265m2) ;
HD—一天的时间;
Qv=m[Cpa (Ta-Ti) +Cpw (daTa-diTi) ]HT
Qv—通风热损失;
M—通风量 (kg/s) ;
Cpa—空气的定压比热 (J/kg·℃) ;
Ta—环境空气温度;
Ti—温室空气温度, 假设取Ti=19℃;
Ta—室外空气含湿量;
di—温室空气的含湿量;
Cpw—水蒸汽的定压比热 (J/kg·℃) ;
HT——每月的日平均通风时间。
d的计算公式为
d=0.622Pq/ (B-Pq)
式中 Pq—空气中的水蒸气分压力;
B—大气压力。
Pq=ϕPqb
式中 φ—相对湿度。
温室外部和内部空气水蒸汽饱和分压力分别为Pq.bw和Pq.bi, 水蒸气的饱和分压力计算见参考文献[4]。在本模型分析中, 假设温室内部空气为饱和湿空气。
Qra=στAr (T4i-T4a) HD
Qra—温室辐射热损失;
σ—Stefan-Boltzmann常数;
Ar—温室屋顶面积 (554m2) , 当屋顶水平时, Ar=Af。
Qc= (KRAr+KwallAwall) (Ti-Ta) HD
Qc—温室表面发生的对流热损失;
KR—屋顶的总传热系数;
Kwall—温室墙体的总传热系数;
Awall—温室墙体总面积 (64m2) 。
Qg—地面的热损失;
λs—土壤的导热系数;
Af—地面的面积 (512m2) ;
H—温室地面到地下水层时土壤的深度;
Twell—地下水温度, 取常数。
Qcond=rthD (C′A-CA) HD
Qcond—温室内表面冷凝热损失;
rt—温室壁面温度下水蒸汽的汽化潜热 (J/kg) ;
hD—对流传质系数 (m/s) ;
C′A—温室单位体积空气中含有的水蒸汽质量;
CA—对应壁温下单位体积饱和空气的水蒸汽质量。
hm/hD=ρCpa (a/D) 2/3
hm—温室内表面的对流传热系数;
ρ—空气密度;
a—导温系数 (热扩散系数) ;
D—扩散传质系数。
C′A和CA由下式计算
式中 Mw—水分子的分子量;
Pq, bwall—对应壁温Tw时的水蒸汽饱和分压力。
当温室内部设置太阳能蓄热水池时, 太阳能蓄热水池的蓄热量Qssp可以通过热平衡方程, 即
Qssp= (τα) sIAsHR-KLAs (T′w-Tt) HD
式中 (τα) s—太阳能蓄热水池覆盖物的综合平均透过吸收率系数平均值;
KL—太阳能蓄热水池的总传热系数;
T′w—太阳能蓄热水池每月的日平均水温。
T′w= (T′wf-T′wi) /2
在一定时间内, 太阳能蓄热水池蓄热量Qssp还可以表示为
Qssp=M′wCpw (T′wf-T′wi)
式中 M′w—太阳能蓄热水池中水的质量;
T′wf, T′wi—池塘水吸热结束的终温和吸热开始的初始温度。
T′w=T′wt+Qssp/ (2M′wCpw)
则太阳能蓄热水池每月的日平均蓄热量为
节能百分比 (PERC) 的计算公式为
PERC=Qssp/Qt×100
总热损失QTL的计算公式为
QTL=Qv+Qra+Qc+Qg+Qcon
总得热量QTG的计算公式如下
QTG= (τα) IAsHR+Qs+Qre
3 计算分析
为分析温室太阳能蓄热水池节能情况, 取一典型严寒气候地区作为分析对象[5]。图2显示了该地区太阳月平均辐射照度、大气月平均温度和月平均相对湿度的年变化情况。从图2可以看出:太阳辐射在6月份达到最强, 但由于地面吸热的延迟, 气温在7月份才达到最高;夏季的相对湿度较小, 冬季相对湿度较大, 总体来说全年相对湿度变化比较平缓。
当温室内太阳能蓄热水池面积占温室总面积30% (As=0.3Af) 时, 温室总热损失、总得热量、需热量及太阳能蓄热水池供热量年变化情况如图3所示。由于6月份太阳辐射最强, 温室6月份得热量达到最大, 同时太阳能蓄热水池供热量也达到最大, 总得热量和太阳能蓄热水池供热量的变化与太阳辐射强度的变化趋势一致。由于总热损失依赖大气温度, 因此, 7月份总热损失达到最小。
从图3可以看出, 由于太阳辐射在5～9月份可以提供温室所需的供热热量, 此时不需要任何的辅助加热热源, 温室内的温度调节依靠太阳能蓄热水池进行。假定温室内植物生长需要维持在19℃, 则当温室超过该温度后, 太阳能蓄热水池开始蓄热, 太阳能蓄热水池的蓄热量则在夜间或由于云致太阳辐射强度降低时释放到温室, 维持温室的热工要求, 其蓄热量约等于温室在此时期内总的热损失。
另外, 在3月、4月和10月份3个月中, 太阳能蓄热水池也能够提供给温室相当大一部分热量, 辅助加热设施的供热量少, 运行费用低。在1月、2月、11月和12月份, 由于太阳辐射强度降低, 太阳能蓄热水池的蓄热量大大减少, 此时以辅助加热设施供热为主, 供热费用较高。
温室一年中总热损失的各个组成部分的年变化情况如图4所示。结果表明:5～9月份, 大气温度较高, 温室的对流和辐射热损失的大小几乎相同, 差别不大。在其它月份, 对流和辐射热损失为主要的热损失。对流热损失可以通过在温室的墙体结构上安装保温材料以及对温室的透明盖进行保温来实现。
通风热损失是温室的另一主要热损失, 特别是在5～9月份, 通风热损失为主要热损失, 其全年变化情况较对流和辐射热损失小。降低通风热损失可以在满足植物生长需要的基础上, 通过合理的通风设计和减少通风量来实现。
水的凝结热损失变化较小, 夏季略有降低, 占总热损失的6%左右。地面的热损失与其它热损失相比较小, 全年基本上维持恒定, 这主要是因为之前假定地下水温度、温室温度及土壤的热物性为常数。
3月份和10月份不同太阳能蓄热水池占地面积比时的节能情况如图5所示。分析表明, 蓄热水池占地面积与节能比呈线性关系, 太阳能蓄热水池面积所占比例越大, 节能越多。当太阳能蓄热水池面积占温室面积1/2时, 3月份和10月份能够节省大约1/3以上的能源消费量。但是, 太阳能蓄热水池面积增加, 温室总成本相应增加, 加之水池面积受温室种植情况限制, 因此应根据经济性分析确定水池合理的占地百分比。
当As=0.3Af时, 采用太阳能蓄热水池后年节能情况如图6所示。计算结果表明:太阳能蓄热水池在全年均可节约一部分能源, 特别是6～8月, 太阳能蓄热水池能够完全满足温室的热需求, 4月、5月和9月份3个月节能50%以上, 3月与10月份节能30%左右, 1月、2月、11月和12月份节能在10%以下。
4 结论
计算分析结果表明:温室采用太阳能蓄热水池后, 将会显著降低3～10月份的供热能耗。具体而言, 6～8月份节省100%的能源 (即无需开启辅助供热设施供热) , 4月份节能约60%, 5月节能90%以上, 9月份节能80%以上, 3月与10月份节能30%左右。本计算分析是在严寒地区的气候条件下进行的, 一般来说, 年平均气温越低, 节能潜力高。另外, 在进行计算分析时, 计算数据采用每月的日平均值, 没有考虑瞬时效应, 还不能完全反映实际变化情况。考虑到建设太阳能蓄热水池的材料都比较便宜, 预计实施这一节能措施后, 温室将会大大节约运行成本。
摘要：以严寒地区为例, 对严寒地区温室太阳能蓄热水池的吸热和放热进行了理论分析。结果表明:布置在温室内的太阳能蓄热水池可用于收集和储存太阳能, 白天收集的热量也可以有效地用于温室夜间供暖。采用严寒地区每月的日平均参数进行分析计算, 结果表明:温室蓄热水池在严寒地区的31 0月节能效果显著。其中, 68月节能10 0%, 4月节能约6 0%, 5月节能9 0%以上, 9月节能8 0%以上, 3月与10月节能30%左右。
关键词：温室,太阳能,蓄热水池,节能
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[4]赵荣义, 范存养, 薛殿华, 等, 空气调节 (3版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 1994.
太阳能热电厂蓄热系统控制方案 篇4
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。目前绝大数能源都以石油、天然气和煤炭等化石燃料为主, 而化石能源是有限的。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性和利用的清洁性等优势成为了最理想的替代能源之一。
我国有着丰富的太阳能资源。全国陆地表面每年接收的太阳能辐射能量相当于49000亿吨标煤。如果将这些能量全部用于发电, 约等于上万个三峡水电站的发电总和。[1]近年来, 太阳能热利用得到高度重视。
由于受到各种自然因素的影响, 到达地面的太阳辐射不稳定, 这给太阳能的使用增加了难度。为了提高发电效率、减少发电成本、提高太阳能热电系统的稳定性和连续性, 则需要对太阳能热发电系统增加蓄热装置, 以使系统在没有太阳辐射能量的时候能继续满足发电需要。蓄热系统已成为衡量热发电系统效率的重要因素, 但目前的大型热发电系统中, 只有很少的系统增加了蓄热装置, 蓄热技术也需要继续的研究和完善。[2]
2 系统简介
由于受到天气、季节等自然条件的影响, 太阳能热发电存在较大的不稳定性。为了保证太阳能热发电站发电相对稳定, 可以采取蓄热措施, 将太阳光照充足时蓄热器所吸收的满足发电所需之外的热量储存于蓄热器当中;在太阳光照不足, 即集热器吸收的热量无法满足发电需求时, 将蓄热器里储存的热量用于发电, 以此来保证云遮间隙系统的正常运行。
3 控制方案
高温蓄热技术是太阳能热发电的关键技术。按照热能存储方式不同太阳能高温蓄热技术可分为潜热蓄热化学反应蓄热和显热蓄热三种方式。其中潜热蓄热主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存具有蓄热密度大充放热过程温度波动范围小等优点[3]。潜热蓄热也是本方案在分析蓄热系统时所采用的蓄热方式。
按太阳能直射强度大小区分, 该系统可以以4种工作模式运行。
(1) 集热器向换热器供热, 蓄热器蓄热模式 (阀门A、B、C开启) 。
(2) 集热器与蓄热器同时供热模式 (阀门A、B、C开启) 。
(3) 蓄热器单独蓄热模式 (阀门A关闭、阀门B、C开启) 。
(4) 集热器停止供热, 蓄热器停止蓄热模式 (阀门A、B、C关闭) 。
为了对太阳直射强度进行比较, 可定义太阳能直射强度临界值mG
其中:4Q为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, KJ
C为导热油比热容, J/kg·℃;
T5为换热器进口油温, ℃;
T6为换热器出口油温, ℃;
W为集热器总面积, m2;
G为太阳直射强度, W/m2;
θ为太阳入射角, 度, 根据1.4小节的分析可以计算出某时刻的太阳入射角;
fθ为太阳入射角修正系数, 度, 一般可取0.95;
fs为早晚时集热管列阴影相互影响因子, 一般可取0.92;
fe为集热管末端损失影响因子, 一般可取0.91;
ηf为由于反射镜面光学特性等与理想镜面差异相关的集热岛效率, 一般可取0.98;
ηe为由于集热部分光学特性等与理想情况差异相关的集热器效率, 一般可取0.94;
fo为集热岛运行与太阳跟踪影响因子, 一般可取0.99[3]。
3.1 上午太阳光照较弱条件下
当上午 (6:00~12:00) 太阳光较弱, 即太阳直射强度G小于太阳直射强度临界值mG (G
qm2=qm3流向为集热器流入蓄热器。kg/s
其中, qm3为集热器出口流量, 即为阀门C流量, kg/s。
3.2 上午太阳光照充足条件下
当上午 (6:00~12:00) 太阳光照充足, 即太阳直射强度G大于太阳直射强度临界值Gm (G>Gm) , 这时集热器吸收太阳辐射后与换热流体交换热量3Q已经能满足换热器中油水换热所需要的热量Q4 (Q3>Q4) 。换热流体从集热器获得的热量将被分成两部分, 一部分用于满足换热器的换热需求, 另一部分流向蓄热器, 储存于蓄热器当中。
阀门A流量:
流向为集热器流向换热器。kg/s
其中:
Q4为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, kJ;
C为换热流体比热容, kJ/kg⋅K;
THTF为换热流体温度, ℃;
T6为换热器出口油温, ℃;
阀门B流量:
qm2=qm3-qm1流向为集热器流向蓄热器, kg/s
qm3为集热器出口流量, 即为阀门C流量, kg/s。
注:出于简化计算的考虑, 我们假设换热流体在管道中流通时没有热量损失。
3.3 下午太阳光充足条件下
当下午太阳光辐射够强, 即G大于太阳直射强度临界值 (G>Gm) 时, 同上一小节所分析, 集热器接受太阳辐射收集到的热量分为两部分, 一部分用于满足换热器油水换热所需的热量4Q, 剩余的热量流入蓄热器贮存。
阀门A流量
流量为集热器流向蓄热器, kg/s
阀门B流量:
qm2=qm3-qm1流向为集热器流向蓄热器, kg/s
3.4 下午太阳光较弱条件下
当下午太阳辐射较弱, 即G小于太阳直射强度临界值 (G
若Qsto>Q4-Q3, 则蓄热器向换热器提供热量, 即蓄热器处于“放热”状态。
其中:
Qsto为蓄热器所贮存的热量;
Q4为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, kJ;
Q3为集热管与换热流体对流换热量, kJ。
阀门B流量:
流向为蓄热器流向换热器, kg/s
其中:
Tsto为蓄热器储热罐中的温度, ℃
T6为换热器出口油温, ℃
阀门A流量qm1:
qm1=qm2+qm3流向为蓄热器流向换热器, kg/s
若Qsto
阀门B流量qm2=qm3, 流向为集热器流向蓄热器, kg/s
阀门A流量qm1=0。
3.5 晚上无光照条件下
当晚上太阳下山之后, 此时G=0。由Q0=WGcos (θ) fθfsfeηfηefo可知Q0=0。此时, 集热器无法对换热器充热, 也无法向换热器提供热量。考虑到蓄热器容量是有限的等实际情况, 让蓄热器在晚上对换热器供热是不切实际的, 故在晚上关闭阀门A、阀门B、阀门C。
4 应用前景与问题讨论
中国作为资源消耗大国在寻求替代能源之路上必然要在该领域走在世界前列。在可以预见的未来必将建设更多的太阳能热发电站。倘若没有采取较好的蓄热措施与控制策略, 由于太阳能发电的不稳定性将可能带来严重的后果。为了保证太阳能发电的稳定性与经济性, 除了提高集热效率, 改进蓄热技术之外, 还可以在控制策略上寻求进步。“热流计算器”还可以考虑在软件中加入智能算法, 根据大规模的天气数据预测集热——蓄热系统中的流量变化。
除了太阳能热发电领域, 该软件也可以应用于家庭热水器的蓄热控制。根据天气情况合理的分配能源, 避免不必要的浪费, 真正做到节能减排。
摘要：太阳能是一种清洁、可再生的能源, 是今后化学能源的主要替代能源之一。太阳能热发电是主要的太阳能利用方式。由于天气、昼夜等不稳定因素, 现阶段太阳能热发电存在发电与用电不同步、发电不稳定等问题。在太阳能电站中加入蓄热系统, 用以减少甚至消除太阳辐射强度的波动对太阳能利用的稳定性的影响。从控制策略上做到对能源的合理利用, 真正做到节能减排。
关键词：太阳能,热流计算器,节能减排
参考文献
[1]阎秦.太阳能辅助燃煤发电系统热力特性研究.
[2]杨小平, 杨晓西, 丁静, 等.太阳能高温热发电蓄热技术进展研究.
太阳能反季节蓄热 篇5
1 品种选择
目前, 呼玛县温室栽培的品种有马莲韭、紫根小叶韭菜, 其均具有抗寒性强, 较耐高温高湿, 植株直立不倒伏, 叶质鲜嫩, 生长迅速等特点。
2 栽培时间
寒地太阳能相变蓄热温室韭菜培育, 是将培养一年或一年以上富贮养分的韭菜根株, 在春季5月份挖出, 密集囤栽于特制栽培箱 (长×宽×高=2.0 m×1.1 m×0.3 m) 中, 要求栽培箱土质疏松, 然后供以充足的水分和适宜的温度条件。在初冬季节, 将囤栽韭菜根的栽培箱全部抬到太阳能相变蓄热温室打破休眠, 使之有利韭菜根株发芽生长。
3 出苗前的准备
3.1 病虫害防治
清除并处理韭菜栽培箱上掉落的枯秆、死叶, 预防枯秆、死叶携带的病虫害蔓延, 有利于减少病源。同时, 用500倍多菌灵溶液对韭菜根进行有效消毒。
3.2 施肥
将腐熟好的牛马粪筛细, 撒在栽培箱的韭菜上并耙匀, 667 m2施1 200 kg左右, 或者单用有机复合肥30 kg左右。
3.3 浇水
盖塑料薄膜前浇一次足水。此后根据情况, 确定浇水量和次数。
4 温室温度管理
韭菜是低温植物, 但长期在低温环境中会使韭菜生长发育缓慢, 影响上市时间;温度过高则会使韭菜生长过快, 抗病能力下降, 发生腐烂变质。因此, 温度管理是寒地太阳能相变蓄热温室韭菜越冬培育的重点。
在韭菜萌芽前, 应扣严温室内的二层塑料薄膜拱棚, 夜间将寒地太阳能相变蓄热温室外的保暖被放下, 尽量提高塑料薄膜拱棚内栽培箱的气温与地温, 促使韭菜尽快萌发。韭菜萌发生长出地面后, 在第一茬韭菜生长期间, 寒地太阳能相变蓄热温室内的温度应保持白天11~20℃、夜间7~10℃。在以后的韭菜生长期间, 控制的温度上限均可比上一茬高2~3℃, 外界气温在13℃以上时, 夜间可不盖保暖被[1]。
5 培肥土管理
每茬韭菜长到8 cm左右高时, 就要用准备好的牛马粪粉碎颗粒和细土的混合肥土培到韭菜根上, 每次培土厚度为4 cm左右。通过培肥土使假茎不见光, 改善韭菜品质的同时也可增强地温和肥力。
6 肥水管理
韭菜越冬栽培到收割前的1~3 d应浇一次增产水。因为韭菜收割后2~4 d, 韭菜根茎部的伤口未愈合, 不能浇水, 增产水可以很好地解决这一问题。其次, 在每次采割完一茬韭菜后可酌情施一遍有机复合肥, 为下一茬韭菜培育提供养分。此外, 韭菜适宜的空气相对湿度为60%~70%。韭菜生长期间除非特别干旱, 否则不再补水, 这样可以有效地控制湿度, 防止灰霉病的发生[2]。
7 温室光照管理
适当的光照是韭菜正常生长的前提条件。在冬季为保证有充足的光照, 应经常改善塑料薄膜的透光性。在晴天, 应早揭晚盖保暖被, 延长韭菜的光照时间。阴天、雪天也应在晌午时分揭被见光, 延长光照时间和增强墙体温度。同时, 安装补光灯进行补光, 促进韭菜生长。
8 收割次数
因为栽培箱中的韭根还要进行越冬栽培, 所以要严格控制韭菜收割次数。一般采收4次后, 栽培箱中的韭菜要进入养根阶段, 有利于当年冬季的韭菜培育。
9 采收时间
在清晨采收韭菜, 韭菜的鲜嫩度和含水量都较高。另外, 浇水、施肥、喷药后不宜立即采收韭菜, 要根据实际情况采收。
参考文献
[1]宋志敏, 梁世强.冬季大棚韭菜栽培技术[J].种业导刊, 2016 (5) :21-23.
太阳能反季节蓄热 篇6
在常规能源日益枯竭的形势下，人类对太阳能的利用已越来越重视，太阳能热水系统则是被最早使用、利用效率最高的太阳能能源系统之一。集中供热式太阳能热水系统是当太阳光把集热器的水升至设定温度时，系统开始往集热器内补水，集热器上部热水流入储水箱，集热器水温低于设定值时，停止补水，如此重复，直至储水箱水位达到最高液位，此时系统转为循环加热状态，循环泵启动，将水箱底部的低温水送入集热器，使集热器的高温水进入水箱，使水箱内的水继续循环增温。使用中储水箱水位下降时，定温补水再次启动，将集热器内高出设定温度的水补入储水箱[1]。集中供热式太阳能热水系统太阳能利用率高，确保白天最大强度的利用太阳能，在热水供应系统中应用可获得可观的节能效益。
电蓄热热水系统是指将建筑物白天所需的热水的全部或部分在夜间（电力低谷时段）用电锅炉加热制备好，并储存起来供白天使用。该系统不但为电网的用电负荷起到了“削峰填谷”的作用，还可以利用峰谷电价节省运行费用，而且电热转化效率高，系统稳定可靠，系统供水量不受室外天气情况的影响，能在全年保持系统稳定、高效地运行，是最为常用的热水系统之一。
集中供热式太阳能热水系统虽为节能系统，但是由于受室外天气情况以及补水温度的影响，其本身难以做到全年稳定可靠的供应热水，通常采用辅助电加热等措施，而且其集热器安装面积大、投资高，在大型热水系统中难以推广应用。将集中供热式太阳能热水系统作为辅助加热措施与电蓄热系统结合应用，则正好起到了取长补短的作用。
2 系统配置及运行流程
2.1 设计参数及系统形式
镇江某大学学生宿舍生活热水系统，总人数2 000人，同时使用系数0.6，用水定额为每人每日60℃水50L[2]，定时供水，日设计热水供水量为60t/日，最大小时热水流量为30t/h。
根据文献[3]得到镇江地区的标准年月平均气温分布如图1所示。
该生活热水系统采用太阳能辅助加热（集中供热式太阳能热水系统）的电蓄热热水系统。根据图1的气温参数、年月平均晴天天数以及该校历年学生宿舍的热水使用规律，并综合考虑系统初投资及实际运行的节能性，该系统设计日太阳能辅助加热系统热水供量为18t/日，电蓄热系统热水供量为42t/日，从全年分析，太阳能辅助加热系统热水供量比例为30%，电蓄热系统热水供量比例为70%。
2.2 太阳能辅助加热系统的设计
太阳能辅助加热系统采用集中供热式太阳能热水系统，该系统独立运行，其自身的运行控制与电蓄热系统无关，根据其中的储水箱内的水温进行系统的运行调节，运行原理见本文第1章所述。选用的集热器参数如表1所示。
2.3 电蓄热系统的设计
电蓄热系统是该热水系统的主要部分，其担任着可靠地供应负荷温度要求的热水的主要任务，如图2所示。电蓄热系统采用串联循环回路方式，在此循环回路中，电锅炉、蓄热装置、板式换热器以及蓄热循环泵组成整个蓄热系统，该系统可以以5种工作模式运行：
1）电锅炉蓄热同时供热（水）模式；
2）电锅炉与蓄热装置联合供热（水）模式；
3）蓄热装置单独供热（水）模式；
4）电锅炉单独供热（水）模式；
5）电锅炉蓄热（水）模式。
串联循环回路中的蓄热循环泵的出口与电锅炉相联，进口可根据工况要求既可与蓄热装置相联，也可切换成与板式换热器相通，满足系统在各工况下对蓄热回路的要求。
通往末端的供热水回路与蓄热水回路通过板式换热器进行热交换，彼此完全隔离，在供热水期间，换热器将蓄热系统中循环的高温蓄热水调整到热水供应需要的温度，同时保证蓄热水仅在蓄热系统中流动，降低了末端系统设计与维护的难度。
电蓄热回路中配置4套电动阀，在控制系统指示下进行工况转换与系统保护，根据热负荷变化，调节进入蓄热装置的蓄热水流量，以保证经换热器的向空调系统提供恒定的热水温度，满足热负荷需求[4]，各个工况下电动阀的切换情况如表2所示。
2.4 太阳能辅助加热系统与电蓄热系统的综合运行流程
从图2可知,电蓄热系统与集中供热式太阳能热水系统通过混合水箱连结成一个系统———太阳能辅助加热电蓄热热水系统,该系统以电蓄热系统为基础,稳定、可靠地保证了末端热水供应的需求,而加入太阳能辅助加热系统,不但使得电蓄热系统在满足尖峰热负荷的情况下电锅炉配置降低,而且可在全年大部分的时间里使用太阳能,来辅助供应热水,使得整个系统的耗电量降低,太阳能辅助加热系统与电蓄热系统的之间的运行调节方法如下:
1）生活热水供应时，优选太阳能热水供水或放至水箱。当太阳能热水用尽，关闭Vh5、Vh6，打开Vh7,切换至自来水进混合水箱，由蓄热系统供应热水；
2）当Th7检测温度<45℃时，关闭Vh5、Vh7，打开Vh6，将太阳能热水放至混合水箱，开启蓄热水泵，再开启供热水泵抽混合水箱水经板换换热进行热水供应；
3）当Th7检测温度在45℃～60℃范围内时，关闭Vh6、Vh7，打开Vh5，直接由太阳能热水供生活热水。当供水管传感器Ph2检测到供水压力小于设定值时，关闭Vh5、打开Vh6，将太阳能热水放至混合水箱，由蓄热系统供应热水；
4）当Th7检测温度>60℃时，关闭Vh5，由Th8(60℃)控制Vh6、Vh7阀的开度，热水供水泵抽混合水箱水到大楼供应热水；
5）无论太阳能热水还是自来水进混合水箱，当Ph3检测到水箱水液位达到设定的最高水位时，关闭Vh6和Vh7;
6）当混合水箱水位降至次低位时，首先判断Vh6有无打开，如果Vh6打开需关闭，继而打开Vh7，由自来水进行加水；如果Vh6未开需打开，在此情形下水位继而下降，直到最低水位时，需打开Vh7，由自来水加水。
3 运行经济性分析
该系统2010年3月底竣工验收，4月份正式投入运行，运行过程中对运行数据进行了详细的记录分析，按月整理统计汇总如表3所示。
注：该系统全年耗电量为437 992.1 kW·h。
从表3可以看出，太阳能热水实际使用量占整个系统热水使用量的平均比例为29.8%，与设计预期值基本一致，系统完全达到了投资可接受投资范围内运行最节能的效果，而由于各个月份之间天气状况不尽相同，即晴天天数不同，导致各个月的太阳能使用比例不同，如2011年1月，该月总用热水量不大，但是由于晴天天数较多，使得太阳能使用比例大幅上升。
4 结论
太阳能辅助加热电蓄热热水系统既发挥了电蓄热系统安全、稳定、可靠的特点，又继承了太阳能热水系统低耗、节能的优点，使得整个系统在保证满足设计功能的前提下，可最大程度的降低耗电量，节能比例视天气状况不同有所变化，只要在设计阶段综合分析年度的逐月用水规律以及项目所在地全年的气象参数，充分考虑各种因素对太阳能系统全年的产水量的影响，系统实际运行过程中的节能量能基本与设计预期值一致，以本文镇江地区的项目为例，其太阳能热水全年用量比例为30%，全年耗电量节省比例为：79279.0÷437992.1=18%，该系统的设计流程、运行办法以及节能比例的相关数据可作为其他类似设计的参考。
参考文献
[1]虞邱佳.湖州某多层住宅集中太阳能热水系统设计[J].浙江建筑,2009,26(3):70-71.
[2]GB50015-2003建筑给水排水设计规范[S].
[3]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[G].北京:中国建筑工业出版社,2005.