寒冷地区太阳能炕采暖系统.docx

建筑节能寒冷地区太阳能炕采暖系统竟峰 ,王婧 ,张旭(同济大学暖通空调及燃气研究所 , 上海 200092)【摘 要】 针对我国东北地区农村采用炕采暖的传统生活习惯 ,设计了一种太阳能炕采暖系统 。该系统充 分体现了传统炕采暖的优点 ,将蓄热池与火炕相结合 ,利用太阳能采暖低温水系统蓄热供暖 ,夏季可以提供生活 热水 ,冬季可以同时供热 ,太阳炕下设有烟气烟道 ,综合利用炊事和补燃烟气余热 ,达到节能的效果 。【关键词】 太阳能采暖 ;蓄热 ;炕【中图分类号】 TU832117【文献标识码】 B【文章编号】 1001 - 6864 (2006) 03 - 0113 - 02SOLAR KANG HEATING SYSTEM FOR COLD AREASJ ING Feng ,WANG Jing ,ZHANG Xu( Institute of HVAC&Gas , Tongji University , Shanghai 200092 ,China)Abstract :According to the life style of using KANG for heating in rural houses of east north China , a KANG heating system with solar energy is designed , which can incorporate the virtues of the traditional KANG , using lower temperature water with storage for heating. The system can supply hot water for daily life in summer and even for heating in winter at the same time. Smoke channel is set below the solar KANG , so the system can utilize the heat of the smoke and save the heating energy.Key words :solar heating ; thermal storage ; KANG0 引言随着中国农村经济的发展 ,农村生活水平日益提高 ,人 们对优质能源的需求也日益增长 ,一些富裕起来的农民已不 愿意使用不方便的柴薪等自然能源 ,中国有八亿农业人口 , 按平均每户四人 ,有二亿户 ,按现在的城市能源供应和消费 模式来满足未来村镇的能源需求将是我国能源基础设施不 能承受的 ,也是我国能源资源和环境所不能承受的 。要解决 村镇的能源和环境问题 ,必须树立生态村镇的观点 ,强调能 源消费结构的多样性和地域特色 ,重点发展可再生能源和低 品位能源在村镇建筑中的高效应用 ,集成和开发适宜不同气 候特点的小城镇节能技术和可再生能源利用技术 。对于我 国东北地区农村的建筑 ,冬季采暖是其主要耗能方式 ,供热 方式的优化是解决能源消耗的重要组成部分 。1 太阳能低温地板辐射采暖与炕采暖低温地板辐射采暖系统 ,是近几年得到广泛应用的一种 新的建筑采暖方式 。地板采暖的主要特点是供水温度低 ,考 虑到人体的舒适性 ,一般地板表面的温度都不宜过高 ,长期 停留的区域不应高于 28 ,这就要求系统的供水温度不能 太高 ,所以地板采暖的供水温度要求不能超过 60 1 。而 由于太阳能能量密度较低 ,当使用集热器利用太阳能时为减 少热损失 ,增加能量利用效率 ,一般不宜将水温加热过高 。 可见 ,利用低品位太阳能热可以与低温地板辐射采暖较好地结合,很多学者对利用太阳能低温地板采暖进行了研究 。 在我国东北农村地区 ,利用火炕采暖是广大劳动人民智慧的历史结晶 ,多年以来人们逐渐形成了以炕为中心的生活 方式 。这种火炕采暖的方式充分利用了炉灶燃烧的余热 ,并 具有成本低廉的特点 。但随着社会的进步 ,农民已不再满足 使用柴薪加热炕的方式 ,若利用化石燃料进行加热 ,不仅增 加了开支 、浪费了能源 ,也造成了严重的环境污染 。因此 ,开 发和利用丰富 、广阔的太阳能 ,对室内进行供暖 ,不仅可以实 现节约能源 、降低污染的目的 ,而且还可能实现供暖费用的 降低2 ,具有重要实践价值和经济效益 。在利用太阳能供热时由于存在太阳辐射的周期波动性 和不确定性 ,为达到舒适的室内温度往往需要设置蓄热池 , 增设循环水泵 ,利用水泵驱动室内散热器和蓄热池间水的循 环 ,这样一来就会增加蓄热池的占地面积 ,增加水泵的电耗 , 而且利用散热器散热时对水温的要求较高 ,造成太阳能供热 效率的降低和供热时间的缩短 。若考虑将炕采暖与太阳能 低温辐射地板采暖相结合则有明显的优势 。2 系统设计为充分利用太阳能供热的特点并考虑到东北地区农村 的生活习惯 ,利用现有火炕节能的特点 ,笔者设计了一套太 阳能炕供热系统 。该系统由太阳能集热器 ,循环水泵 ,太阳 能炕 ,补燃烧设备等组成 ,夏季提供生活热水 ,冬季同时供 基金项目 国家 863 高科技计划资助项目 村镇水质安全保障技术研究与示范 (2004AA601090)114低 温 建 筑 技 术2006 年第 3 期(总第 111 期)暖 。系统原理示意图如下图所示 。 太阳能炕利用我国传统火炕的特点 ,将太阳能蓄热池与火炕相结合 ,蓄热池不进行保温处理 ,利用其自然散热为房间 供暖 ,从而减少了散热器 、循环水泵等供热设备 ,利用传统火 炕的炕下空间作为蓄热池还减少了蓄热池对建筑面积的占 用 。蓄热池下设有烟道 ,其中烟道 6 面积较小并进行保温处 理 ,夏季不需要供暖时 ,炊事和燃烧炉烟气通过该烟道排出 , 防止炕过热 。冬季烟气则通过烟道 5 排出 ,充分利用烟气余 热 ,减少补燃热量需求 。防冻水箱设于室内 ,夜间水泵停止工 作 ,利用管道的压力平衡 ,太阳能集热器的水自然返回防冻水 箱 ,防止太阳能集热器在严寒天气情况下冻坏 ,也减少了集热 器夜间热传导和天空背景辐射造成的能量损失 ,白天开启水 泵则自动将防冻水箱内蓄水输送至太阳能集热器。3 系统工作原理该太阳能炕采暖系统工作方式有太阳能采暖 、蓄热池采 暖 、补燃炉补燃 、冬季供热水和夏季供热水等 。下文对系统 工作原理分供暖季节采暖供热水和非供暖季节供热水两种 情况分别进行说明 。3. 1 供暖季节工作原理供暖季节 ,系统可以同时供暖和提供生活热水 。炊事和 补燃烟气通过烟道 5 排出 ,烟气流经烟道时加热太阳能炕蓄 热池 ,充分利用烟气余热 。阀 7 、17 仅在太阳能炕加水和排 水时开启 ,阀 13 、15 、18 在整个采暖季节处于关闭状态 ,阀 2 、 8 则处于开启状态 ,阀 9 仅在提供生活热水时开启 。(1) 白天太阳能采暖 :白天日照充分时 ,利用太阳能集 热器集热 。此时阀 14 关闭 ,阀 11 开启 ,循环泵运行 ,防冻水 箱蓄水在循环泵作用下经太阳能炕充入太阳能集热器 ,吸收 太阳能热量 ,循环水经太阳能集热器加热后经防冻水箱 、补 燃炉进入太阳能炕 。当太阳能集热器热量不能满足需求时 可开启补燃炉加热循环水 ,补充热量需求 ;(2) 夜间蓄热采暖 :循环水泵停止运行 ,集热器中水全 部经太阳能炕自动返回防冻水箱 ,从而防止集热器夜间冻 坏 ,并减少了集热器夜间热传导和天空背景辐射热损失 。当 蓄热热量较少 ,不足以满足供热需求时 ,开启阀 14 ,关闭阀 11 ,运行补燃炉和循环水泵对循环水加热 ,当水温达到要求时停止循环泵和补燃炉 。由于此时阀 11 的关闭 ,阀 14 的开 启 ,循环水在室内进行循环 ,从而减少了热损失 ;(3) 阴雨天气太阳能集热器无法提供热量 ,补燃炉供 热 ,同 (2) 补燃炉加热方式运行 ;(4)提供生活热水 :无论系统是在白天太阳能采暖工作状态还是夜间蓄热采暖工作状态开启阀 9 ,即可提供生活 热水 ,定压补水箱自动补水 。当水温不能满足要求时 ,则需 要开启补燃炉加热 ,蓄热采暖工况下还需同时开启循环水 泵 。3. 2 非供暖季节工作原理非供暖季节时 ,系统仅提供生活热水 。此时烟气通过保 温烟道 6 排出 ,防止炕过热 。在整个采暖季节阀 2 、8 、11 、14 始终处于关闭状态 ,阀 13 、18 始终处于开启状态 ,系统在自 来水管网压力下工作 ,太阳能集热器上部设有集水箱 ,蓄存 热水 。打开阀 9 即可提供生活热水 。当水温过低时开启补 燃炉补燃 ,水温过高时通过调节阀 15 调节水温 。4 蓄热池体积计算太阳能集热器的面积计算众多文献均有介绍1 4 ,作者 在此不再予以赘述 ,此处仅对蓄热池体积的确定进行说明 。 太阳能炕蓄热池的体积不宜过大 ,以防止系统惰性太大不能 满足调节要求 ,同时也不宜过小 ,否则就失去了蓄热的性能 。 为方便系统的使用 ,蓄热池体积的计算应保证夜间用户睡眠 时段不需进行补燃为准 。根据能量平衡 ,计算公式如下 :V = Q ct式中 : V 蓄热池体积 ,m3 ;Q 夜间散热量 ,kJ ;水密度 ,kgm3 ;c 水比热 ,4. 19kJkg ;t 蓄热池水温变化 。经过计算 ,我国东北地区典型农村住宅设计日全天采暖 负荷为 54. 72 kWh5 ,由于夜间炕的散热量较小 ,假定夜间散 热占日采暖负荷的 13 ,室内设有两炕 ,则夜间每炕散热量为 9. 12kWh。若温度变化为 5 ,则蓄热池体积为 1. 57m3 ,寒冷 地区传统火炕下有足够的空间作为蓄热水池 。5 结语随着经济的快速发展和生活水平的提高 ,农村地区能源 消耗将会快速增长 。对于我国寒冷地区农村建筑 ,冬季采暖 是能耗的主要部分 。利用太阳能低温辐射采暖具有能量效 率高 ,可以降低常规能源消耗的特点 。而我国北方地区长期 采用炕采暖不仅具有高效低廉的优势 ,而且成为人们生活方 式的有机组成部分 。作者综合了太阳能低温辐射地板采暖 和传统火炕采暖的特点 ,将两者有机结合 ,提出一种新型“太 阳能炕”采暖方式 ,以炕下空间作为蓄热水池 ,减少蓄热水池 的空间占用和二次循环水泵的能耗 ,有效利用炊事和补燃烟 气余热 。该系统夏季可提供生活热水 ,冬季同时供暖 ,为我 国寒冷地区农村提供了一种可持续发展的供能方式 。参考文献 1 齐政新 ,李岩. 太阳能低温地板辐射采暖系统的探讨J . 煤气 与热力 ,2003 , (5) :2212 杨建昆 , 张旭. 采用太阳能加热系统的泳池设计 J . 节能 ,2004 , (2) 1 3 唐汝宁. 高寒地区百分百可再生能源住宅的可行性分析J . 太 阳能学报 ,2002 , (3) :231大跨度钢屋盖结构的日照温度应力观测徐丽 ,陈建秋 ,吴大鹏 ,杨泽群(广州大学工程抗震研究中心 ,广东 广州 510405)【摘 要】 以广州体育馆钢屋盖结构为例 ,对大跨度结构使用阶段在日照作用下的温度应力进行了现场连续测试 ,给出结构的不同构件在日照温差作用下温度应力的数值变化范围和分布规律 ,测试结果可为同类工程设 计和施工提供参考 。【关键词】 钢屋盖 ;日照作用 ;温度应力 ;观测【中图分类号】 TU393. 3【文献标识码】 B【文章编号】 1001 - 6864 (2006) 03 - 0115 - 03THE MEASUREMENT OF TEMPERATURE STRESS CAUSED BY SUNL IGHT ACTION OF LONG SPAN STEEL ROOF TRUSSXU Li ,CHEN Jian2qiu ,WU Da2peng ,YANG Ze2qun( Earthquake Engineering Research Test Center , Guangzhou University , Guangzhou 510405 ,China)Abstract : The continuous measurement of temperature stress caused by sunlight on steel roof truss of the Guangzhou stadium is presented in the paper. And it is given that the scope and distribution of the stress of each kind of components under sunlight temperature action. These results may give a valuable reference to rel2 evant engineering designs and constructions.Key words :steel roof truss ;sunlight action ;temperature stress ;measurement0 引言随着人们生活水平不断提高 ,工业生产 、文化 、体育等事 业不断进步 ,大大提高了社会对空间结构尤其是大跨度高性 能空间结构的需求 。这些大跨度空间结构大多为钢结构 ,在 其建造和使用阶段 ,温度效应都是不容忽视的因素 。由于自然环境条件变化所产生的温度荷载一般分为三 个类型1 :日照温度荷载 ,骤然降温温度荷载 ,年温温度荷 载 。其中年气温变化的特点是长期变化 、整体均匀 、整体位 移大 、相对简单 ; 日照温度变化则是短时急变 、局部性不均 匀 、局部应力大 、最复杂 。工程结构设计中通常均会考虑年 温变化 ,而对建筑物在日照温差作用下的响应研究得较少 , 且大多数是定性分析2 。日照作用是指同一天太阳照射在结构不同部位引起的温 差作用 。由于太阳照射强度随着建筑物所在的地理位置 、方 位 、朝向以及所处地区气候变化而改变 ,太阳辐射引起结构向 阳面和背阳面之间存在着温度变形和应力的差别 ,造成该作 用下的温度效应与其均匀温度场作用下的温度效应有明显的 不同 ,所引起的结构破坏形式也有一定差异2 3 。因此 ,以广 基金项目 广州市建设科技发展基金资助项目(200409)州体育馆主场馆为实例 ,对大跨度钢屋盖使用阶段的日照温 度应力进行观测 ,所得结果可