济南地区采用太阳能作为热源

1 济南地区采用太阳能作为热源 摘要 本文首先从采暖期内建筑物所需热负荷出发 得 到了建筑物的日需水量 然后根据济南地区的气象资料 由 已知的水平面上的太阳总辐射值 通过计算 得到了倾斜面 上的太阳总辐射的月平均值 结合太阳能集热器的能量平衡 方程 计算出了单支太阳能真空集热管的日产水量 而后计 算了单位建筑面积需要的集热器面积 分析了济南地区利用 太阳能采暖的可行性 指出在济南地区采用太阳能作为地板 辐射采暖的热源是一种经济 可行的方式 关键词 太阳总 辐射建筑耗热量指标日产水量 0 前言我国是太阳能资源十分 丰富的国家 三分之二的国土年日照在 2200 小时以上 年辐 射总量大约在每年 3340 8360MJ m2 相当于 110 250KG 标准 煤 m2 根据我国气象部门测量年辐射总量的大小 一般将我 国大陆部分划分为四个太阳辐射资源带 即一类地区 6700MJ m2 二类地区 5400 6700MJ m2 三类地区 4200 5400MJ m2 四类地区 4200MJ m2 即使我国 太阳能较差的地区 年辐射总量也接近东京 4220MJ m2 高于伦敦 3640MJ m2 汉堡 3430MJ m2 这些世界上太阳 能利用较好的城市 山东地区属于上述的第三类资源带内 其太阳能资源大有潜力可挖 地板辐射采暖由于热舒适性 热稳定性都比传统的采暖方式好 节能效果显著 因此得到 2 广泛应用 由于其热媒是低温热水 一般在 60 以下 太阳 能由于自身热密度较低 集热温度很难达到很高的水平 从 而使利用太阳能作为热源成为可能 因此 采用低温热水地 板辐射采暖 是充分利用太阳能这种低品位能量的最佳方式 本文以济南地区某办公楼为例 从采暖期内所需热负荷出发 分析太阳能作为地板辐射采暖热源的可行性 1 采暖期内的 热负荷计算以济南地区某办公楼为例 根据规范规定 民用 建筑供热指标取 45 70W m2 取建筑热负荷指标 50W m2 采 用地板辐射采暖其热负荷等于常规负荷值乘以系数 0 9 0 95 1 则采暖设计热指标 qsup1 W m2 由于 上述设计热指标是按采暖室外计算温度条件下计算出来的 计算采暖期的耗热量时 应该将其折算成面积平均热指标 即建筑耗热量指标 可以采用下式进行计算 1 1 式 中 面积平均热指标 W m2 室内计算温度 这里按 18 计 月平均温度 采暖室外计算 温度 济南地区为 7 根据平均热指标 按照各个 月的平均温度可以得出采暖期内各月的月平均面积热指标 进而算出每个月的采暖热负荷及采暖期内的总负荷 如表 1 所示 根据详细热工计算 可将热负荷换算成水量 列于表 1 g s 2 式中 采暖系统热负荷指标 W m2 水的 平均定压比热容 4 18KJ kgK 采暖供回水温 度差 低温地板采暖供回水温差为 8 15 这里暂取 3 10 表 1 采暖期内各月的采暖热负荷月份 1112123 总计采 暖天数 53131286101 月平均温度 7 91 1 1 41 17 6 月平 均面积热指标 W m2 19 1932 1136 8632 1119 76 日需水 量 kg m2d 14 8724 8928 5724 8915 32 说明 假定太 阳能集热器每天运行 9 小时 2 太阳能集热器的集热量全玻 璃真空太阳集热器的热量平衡方程式 其总集热量等于有效 太阳得热量减去热量损失 数学表达式为 3 式中 闷 晒水量 kg T1 T2 范围内水的平均定压比热容 4 18KJ kgK 水的初始温度 水的 终止温度 玻璃管的太阳透射率 吸收涂层 的太阳吸收率 累积太阳辐照量 KJ m2 集热管 采光面积 m2 T1 T2 范围内水的平均热损系数 W m2K 累积辐照时间 h 散热面积 m2 则一根全玻璃真空太阳能集热管日产热水量的计算 式为 4 式中取采暖期日平均累积太阳辐照量 KJ m2d 根据太阳能厂家提供的样本及其他资料 以上公式中的性能参数取以下值 0 88 0 9 0 062m2 0 9W m2 0 137m2 3 采暖期日平均 累积太阳辐照量的确定济南地区采暖期从 11 月 26 日到 3 月 6 号 共 101 天 相关文献指出 2 当集热器冬季使用时 最佳倾角为当地纬度加 10ordm 济南市地处北纬 36ordm 41sup1 故冬季最佳倾斜角为 4 46ordm 由济南地区气象资料 可得到济南市水平面 上的太阳总辐射日总量的月平均值 任意倾斜角度的太阳辐 射值 需通过计算得到 根据文献 1 在水平面上的太阳 辐射已知时 任意倾斜角度的太阳辐射值可用下式计算 5 式中 倾斜面上的总辐射平均值 W m2 水 平面上的总辐射 W m2 水平面上的直接辐射的平均 值 W m2 水平面上的散射辐射的平均值 W m2 倾斜面上和水平面上时直接辐射的比值 地表的平均 反射率 这里取 0 2 对于向南的倾斜面 由下式给出 6 式中 斜面与水平面的倾斜角 ordm 当地纬度 ordm 太阳赤纬角 ordm 可由下式确定 7 式中 某一天在一年中的日期序 号 根据上述公式 5 7 可得到济南市倾斜角 46ordm 时的采暖期内的月平均日太阳总辐射的值 列 于表 2 中 表 2 倾斜角 46ordm 时的采暖期内的月平均 日太阳总辐射的值月份 1112123 总计采暖天数 2531312825140 倾斜角 46ordm 时月平均日太阳总辐射 值 MJ m2d 18 0315 7916 4419 4623 05 倾斜角 46ordm 时月太阳辐射总量 MJ m2450 75489 49509 64544 88576 252571 01 太阳能利用 参数 0 4940 4850 4830 4920 49846ordm 倾斜面上太 阳辐射总量 MJ m2222 67237 4246 16268 08286 971261 28 5 因此 采暖期日平均累积太阳辐照量为 1261 28 140 9 009MJ m2 4 集热器的日产水量将计算出的 采暖期日平均累积太阳辐照量及太阳能集热器性能参数代入 公式 4 中 可计算出一根全玻璃真空太阳能集热管日产热水 量为 10 32kgd 因此 采暖期内单位建筑面积上需要 的集热器面积可以通过计算得出 4 5 列于表 3 中 表 3 采暖期内单位建筑面积上需要的集热器面积月份 1112123 总 计采暖天数 2531312825140 每日需水量 kg m2d 14 8724 8928 5724 8915 32 单位建筑面积所需集热器面积 m2 m2 0 090 1490 1720 1490 092 一般全玻璃真空管太阳 集热器由 15 至 20 根真空集热管组装而成 所以每组日产水 量约为 155 206kg 的热水 因此 只要采用适当的集热器面 积 就可满足采暖期内的热负荷要求 从表 3 中可以看出 采暖期内每月需要的负荷是不同的 因此各月计算出的集热 器面积也各不相同 选用较大面积的太阳能集热器会增加初 投资 但在以后的使用过程中 会节约常规能源的使用 节 省运行费用 并且太阳能是一种免费 丰富 不会造成环境 污染的能源 因此 应根据各地区常规能源的情况 通过经 济性分析与比较 选择适当的集热器面积 达到最为经济合 理的使用效果 5 结论本文从济南地区采暖期内建筑物所需 的热负荷出发 结合济南地区太阳辐射的情况 根据太阳能 集热器的能量平衡方程 得出了济南地区单位建筑面积所需 6 集热面积的值 指出只要采用适当的集热器面积 太阳集热 器上集取的太阳辐射量就可以满足采暖期内热负荷要求 从 而得出在济南地区利用太阳能作为地板辐射采暖的热源是一 种完全可行的方式 参考文献 1 王荣光 沈天行 可再生能 源利用与建筑节能 北京 机械工业出版社 2