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建筑供暖低碳化
发布日期:2014-05-08  来源:清华大学、北京清华索兰环能技术研究所  作者:李元哲  浏览次数:11310
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一 低温辐射供暖对节约能源的独特贡献

在建筑中采用低温辐射供暖是由于以下理由成立的:

1、辐射供暖是热量在建筑围护结构(顶、地、墙、窗等)内表面之间进行传递的,它不通过房间的空气,空气对辐射传热一般没有阻隔,因而,在这种供暖方式中,房屋内表面温度比暖气片采暖温度要高。由人体卫生知识,可知人体的舒适等效温度:

tsh=0.52tr+0.48tpJ                         (1-1)

上式中tr为室内人体活动区空气温度(℃);

tPJ为室内围护结构内表面平均温度(℃)。

由(1-1)式可见[1]:

当tPJ提高时,如tr不变,则tsh提高,反之,则tr可以降低些。

2、辐射采暖采用地板,从人体卫生讲最合适,而地板辐射采暖时的室内温度分布是自下而上逐渐降低,而不是对流和热风采暖时温度上热下冷,从而使房间的热耗减小。

3、采用辐射采暖时,无论是采用地面,还是天花板散热,表面积都大于暖气片,可是传热系数,尤其是地板向上的传热系数比较大(9W/㎡℃),所以其表面温度不需要很高,一般限制在28℃以下,而散热器(片)则要平均在50℃~60℃。(其它如辐射供暖可以节省室内空间、房间容易隔断、优化布局等不必赘述。)

综上所述,可见辐射采暖是民用建筑中节能采暖方式的首选,薄型预制地板采暖更适用于间歇式采暖,对于与空气源热泵相结合的薄型预制地板采暖,在北京为代表的寒冷(ⅡB)地区的示范说明,全冬季的能效比>3.0,相当于用一次能源的热电厂η达100%,比热电合产的供热系统还高。

二 空气源热泵地板采暖需要适应多低的室外温度

在我国北方寒冷地区(ⅡB)除个别高原地带外,绝大部分冬季最低室外气温在-14℃~-15℃左右。但这种天气一般是晴天,室外气温波动也很大,其最高气温常常在-6℃,平均温度为-10℃左右;室外气温的波动幅度为5℃,而由于房屋围护结构的热惰性,其内表面的波动幅度大大衰减。如过去的37墙,内表面的温度波幅仅为5/50℃,即1/10℃,现在的节能建筑波动幅度更小,仅为5/100℃=1/20℃,如考虑冷风渗透和玻璃窗的温度波动,房间的供热量也不必随一日外温的降低而加大,随外温的升高而减小,而是让外温短期(如一日)的降低、升高带来的扰动,让房屋围护结构的蓄热性能去承受。因此,从空气中取热的空气源热泵,对应室外气温只需按照它在短期内(一日)的平均温度运行工作即可。根据近20年的气象统计,北京地区为-7.5℃,相应的蒸发温度不低于-20℃,由于房屋的热稳定性,当室外气温下降到-15℃时,只要求热泵能正常运行(工作)就可以了,而不要求这时的供热量满足瞬时负荷的要求。

因此,地板辐射采暖,在节能建筑中,最冷天平均水温也不超过35℃,所以,在以北京为代表的北方寒冷地区(ⅡB)用于地板采暖的空气源热泵仅用一级压缩就足够了。在此,再次强调不要把室外气温与空气源热泵的蒸发温度混为一谈,后者比前者低10℃左右。

三 用于地板辐射采暖的空气源热泵需不需要变频

目前,广泛采用水盘管辐射采暖地板与热风采暖的分体空调比,由于其不可忽略的蓄热性,不但可以采用低温水运行,而且可以用启、停方式调节供热量、适应不同天气下的不同热负荷,而不影响能效比。

首先,由于地面装饰层下有5cm的豆石混凝土及水盘管,其下又有保温垫层,垫层下或为下层房间或为土壤,所以,可以视为半无限大壁体,当室温以±1℃波动时,例如:20℃±1℃控制热源启停时,该地板由于其蓄热性,会放出或吸收一定的热量,给室温波动±1℃造成足够的时间间隔τ,不但不会造成机器频繁启停,而且使平均投入电力不会有太大增加。下面以普通的辐射地板构造为例进行说明。
图a是上有陶瓷面砖的普通水盘管的厚型辐射供暖地板。

 

图a 普通水盘管的厚型辐射供暖地板上铺陶瓷砖(Ⅰ型)

 所述的时间间隔τ取决于地板材料的蓄热性及当时的房间热负荷,τ的推算如下:

1)水的蓄热性:

S的表达式 S=

水的λ、C、γ由手册查出如下:即30℃的水λ=0.617W/m℃, Cp=4.18kJ/kg℃,γ=995.7kg/m³,将其代入上式可得出Z=24h的水的蓄热系数:

S=13.65W/㎡℃

而豆石混凝土的S=13.8W/㎡℃,二者相近,所以,可将水盘管与碎石混凝土层都归结为一体,即后者。

2)蓄热系数S的定义是当半无限大壁体表面温度波动1℃时,壁体放出的或吸收的热流量,根据这一定义可求当单位面积地板表面向上的有效散热量分别为:65W、50W、40W、30W、20W时,室温波动±1℃的时间τ如下表:

 由表中数据可见:对应如北京地区“中冬”天气,地面向上有效散热量约40W/㎡的情况,以室温波动1℃控制机组启停,如仅由地板放(吸)热,其启、停的时间间隔为近3h,再加上其它围护结构内表面的少许放(吸)热就会大于3h,这一数据与作者在12月中旬北京地区的住宅内实测的数据4h非常接近。所以,冬季地板辐射采暖的空气源热泵不需要变频。

四 超低能耗的地板采暖住宅——太阳能、空气能集成采暖系统

以北京地区为代表的寒冷地区(ⅡB)是我国太阳能资源充足地区,全冬季南墙上的平均日照量达14MJ/㎡•d[2],太阳能及其转化形式的空气能是唾手可得的清洁能源,用它为能源不涉及土壤与地下水问题,不破坏生态平衡,不产生燃烧化石燃料的温室气体及细颗粒物PM2.5。一句话:该系统是建筑采暖的首选。

1 重点是村镇住宅

目前我国北方地区约70%的城镇建筑面积冬季采用了集中采暖,其余约30%的城镇建筑采用各种分散分户式局部采暖。在北方农村薪柴、秸秆等逐步被商品煤取代的今天,据统计,每年消耗600~700万吨,是排放有害气体、烟尘污染环境的不可低估的来源。

2 低层分户住宅的建筑节能

1)合理的建筑布局能改善建筑外环境,包括冬季防风,采光间距,夏季、过渡季促进自然通风,夏季遮阳。

2)平面布置、使用功能齐全,北、西、东三面屋顶外保温到位(传热系数0.45W/㎡℃左右)。

3)建筑构造为清洁能源利用创造条件。

它的特征是:①建筑围护结构符合GB/T15405-2005标准,不同地区有不同的配置;②朝向南北,偏东西不超过15°;③主要房间进深不超过5m,有后室,东西有杂物棚;④南墙上有不超过35%的单层玻璃窗,其夜间有热阻≮0.86㎡℃/W的保温帘,供冬季无日照时和夏季降温使用;⑤北外墙有小型带有保温的高窗,与前窗配合可起到通风换气或降温的作用;⑥二层楼南窗下有上人的挑台。

3 直接受益式单玻夜间保温窗

表2给出了上述南立面上装有共24㎡单玻夜间保温窗后,在北京地区全冬季的采暖保证率计算结果。

由表2可知,北京地区南垂面全冬季平均日太阳辐射量为14.19MJ/㎡,是相当大的,维持上图的建筑最低室温14℃的采暖能耗是30598MJ,24㎡单层窗有效得热量是14144.4MJ,采暖保证率为46.2%,高于双玻式直接受益式太阳房,如果最低室温提高到16℃,采暖保证率会降低到约40%。

4 真空集热管墙式集热

历史上的墙式空气集热器,即特朗勃墙。第一、由于热载体为空气,热容小,不易储存,容易造成过热损失,尤其是夏季;第二、南立面不美观,若将其改为以水为工质的横置的墙式真空管集热器,并与蓄热水箱及辐射地板内的水盘管结合,可以克服上述缺陷,并可以将过多的日照延迟到需要的时刻使用,这种墙式集热器,既是自然集热又可以是控制使用,所以,可以称为“主动起来的被动式采暖”,并且也改进了一些主动式采暖系统的缺陷。如倾角不是与屋顶配合(如30°),而是与南窗下墙配合(如60°~90°),则冬季得热可以增加20%~30%,夏季可以减少70%~80% [5],有利于冬季采暖,夏季不过热;又如可以安装在人员易接近的空间,便于维护管理。

图4、5、6给出了这种集热墙的示意图。

1——单层南向玻璃窗;2——南向窗下室外侧承重挑台;3——东西向横置真空集热管;4——蓄热水箱;5——空气源热泵室外机;6——蓄热水箱内盘管式冷凝器;7——蓄热水箱阴面上的供水管、回水管、补水、放气管;8——南向窗下室内侧装饰柜;9——辐射采暖地板中的水盘管;10——南窗保温帘;11——南向窗下室外侧坎墙斜面;12——水泵;13——泄水管

1——蓄热水箱;2——分水管阀;3——放气阀、供水管、补水阀、回水管;4——循环水泵;5——集水阀

如图所示,集热器为横置,从东、西两侧插入竖置水箱,它的好处是可以配置较长的真空管,减少尾托、插口等部件,降低了成本,1998年清华大学吴家庆等对横置真空管热水器与竖置的对比试验证明其集热效率相差不多[3],墙式真空管集热器,以倾角60°的南窗下墙为支托,可以减少热损失和支架费用,并且如图所示,室内侧的窗台下可做成有推拉门的检修柜,使水箱背部的供回水管、阀门及水泵皆可置于其内,既便于管理又避免冻结。

以下讨论这种集热器能发挥多大效能,它的经济价值如何。

以一个窗下的3.6㎡集热管配200L蓄热水箱为例,计算在北京地区“三九”天的晴天集热、蓄热、运行方式及采暖效果。表3列出了它一天中逐时的集热量与水温。

3.6㎡的集热器和水箱总长为3.5m,恰好置于一间20㎡居室的南窗下,由表3-2所示,一天的集热量恰好提供20㎡居室,最冷天34.5W/㎡的负荷9h~10h采暖,从落日17:00~次日2:00。(1㎡厚型水盘管辐射采暖地板温升1℃需要90kJ的热量,地板表面向室内传热系数为9.09W/㎡℃),若水泵流量是1t/h,扬程6mm(功率30W~40W),则落日后由16:00~17:00,蓄热水箱、厚型地板的温度与地板向室内的散热量列于表4。

5 辅助热源——空气源热泵低温热水机组

太阳能是间歇、不稳定的能源,北京地区冬季晴天率很高,但也必须考虑夜间至凌晨及阴雪天的辅助热量,清洁的、唾手可得的空气能是最好的选择。如果以最冷天、保证二层人居环境在16℃以上为准,则可选一台FRS-3.2(3/2HP)空气源热泵,低温热水(35℃)机组,借用已有的200L蓄热水箱,在其内放置盘管作为冷凝器,将室外机挂在南墙上,在一天温度较高的时刻,如下午19:00~20:00,在太阳能有效集热已经存入地板时运行,再向水箱内储热,待需要时启动水泵加热地板,则有如下数据:

外气温ta:-5℃~-6℃

蒸发温度te:-15℃~-16℃

冷凝温度:40℃~45℃

热水温度最高:35℃~40℃

供热量QY=2550W×2h=5100Wh,等于18360kJ,以热损失5%计储热量为4845Wh,等于17488kJ,可供夜间20㎡供暖6h~7h,也可以兼供邻室地板采暖。

输入电量pe=1137W×2=2274kWh;

COP=2.2,省电1.2/2.2=54%。

6 太阳能住宅在寒冷地区“三九天”运行预测

前述的以直接受益窗、真空管集热墙、蓄水箱及与蓄水箱耦合的空气源热泵为集成热源的太阳能住宅,在北京地区最冷天的错时运行方式如北京地区三九天太阳能住宅采暖设备错时运行预测图表所示。

根据文献[2],北京地区采暖5个月室温最低16℃的度日值为1860d℃,共151天,参考表2的数据,100㎡太阳房冬季采暖能耗为4247kWh,如果只保二楼,需2123.5kWh,其中,被动式采暖提供40%,即849kWh,真空管集热墙两套提供2×271=542kWh[4],还剩732kWh由空气源热泵负担,按冬季平均COP为2.5计算[6],耗电292.8kWh;水泵功率35W,冬季每天平均运行8h,总计42kWh,总耗电为292.8+42=334.8kWh。

注:1988年,中科院刘建民[4]针对北京地区气象计算了40°倾角的真空管集热器,每平米在冬季的有效得热量以42℃的热水为准,该得热量如下:

7 经济分析

8 结论

太阳能与空气能是唾手可得的清洁能源,尤其适用于单栋住宅,在我国北方寒冷地区(ⅡB),以被动式直接受益窗、真空管集热墙和空气源热泵集成的热源,以辐射地板为采暖的末端,不但可以利用低温的热水,而且有较大的蓄存能力,当热源错峰运行时耗电量小,一个冬季保证50㎡~100㎡采暖约334.8度电,如仅以保证一半的建筑面积计算,合每冬季3.35元/㎡,初投资合239.4元/㎡,并且节能减排效益明显。

五 应用于办公楼的低能耗供暖系统——太阳能/双级耦合空气源热泵

热泵作为太阳能采暖系统的辅助热源,多能互补,具有高效、节能、环保的优势。由于空气源热泵作为太阳能的辅助热源,是在夜间或阴天的情况下运行,工作时的环境温度低或湿度大,制取35℃以上热水,采用一级压缩制热量及能效比下降。而采用空气源热泵与水源热泵耦合,降低空气源热泵的冷凝温度,可广泛应用于办公、学校等民用建筑,作为非集中供暖,为太阳能和热泵在建筑采暖空调的综合利用提供低碳、环保、节能的范例。

5.1 双级耦合热泵的工作原理

      二级水源热泵         一级空气源热泵

         图5.1 双级耦合热泵工作原理图

图5.1给出了双级耦合热泵的工作原理图,图中一级为室外空气源热泵(一级),二级为水源热泵(二级)耦合于中间的水箱上,热泵工质为R22,水箱中的水温在最冷天保持15℃左右,它既是空气源热泵冷凝器的出水温,又是二级水源热泵蒸发器的热源温度。不难看出,由一级空气源热泵创造条件后的二级水源热泵工作情况类同于地下深井水源的热泵[2]。

2010年~2011年,作者在清华阳光昌平设备厂640㎡公建上,将索兰研究所生产的双级耦合式热泵作为太阳能供暖系统的辅助热源,进行了地板采暖,经两个冬季的测试证实了上述对它的评价。

下图为工程案例图。

5.2 双级耦合热泵的运行组合

为了使热泵系统更高效的工作,根据不同外温的采暖负荷,采用不同的系统运行模式。不太冷的初冬、初春季节,外温在-4℃以上,采用单级空气源热泵供暖,空气源热泵制热量满足外温-4℃时的采暖负荷要求。

寒冷冬季,外温低于-5℃,采用双级耦合热泵供暖。双级耦合时,水源热泵制热量满足冬季采暖设计负荷要求。

以本工程为例,建筑采暖负荷系数1140W/℃。

不同外温下采暖负荷见下表。

图5.2、图5.3是根据压机样本,12HP水源热泵与16HP空气源热泵机组在不同蒸发温度下的制热性能曲线。由图5.2、图5.3可见,在蒸发温度-10℃、出水温度42℃的情况下,单台16HP空气源热泵制热量为28kW,能满足采暖需求。蒸发温度-20℃,16HP空气源热泵与12HP水源热泵双级耦合时,出水温度为42℃,制热量为42kW,可满足采暖需求。

5.3 数据整理分析

双级耦合热泵系统在2010年~2011年冬季作为太阳能地板采暖的辅助热源,从11月26日到3月15日,其耗电量是14814kWh。
通过不同环温的典型天数据,分析热泵系统的节能效果。

由上表5.2.2可知,在初冬、初春季,室外温度较高,此时空气源热泵单级运行制热,既满足采暖要求,且能效比较高。

寒冷季节双级热泵耦合制热,对于12HP水源热泵(由2台6HP压机组成),蒸发温度10℃左右,单台压机出力18kW~21kW,机组出力36kW~42kW,出力大小受低温水箱影响,室外温度影响不大。

室外16HP空气源热泵,冷凝温度对电功率的影响不大,低温水箱温度10℃~20℃,功率10kW。

2010年~2011年冬季太阳能——双级耦合采暖能耗,太阳能得热,热泵制热量,耗电量统计见表5.2.4。

5.4 太阳能——双级耦合热泵采暖建筑节能减排效果

由表5.2.4可见,在2010年~2011年冬季实际运行中,采用太阳能双级耦合热泵采暖系统,节能76%以上,是相当大的,可实现建筑采暖低碳化,其中太阳能得热98523.4MJ,热泵供热125092.8MJ,共计62115kWh,若每度电折0.36kg标煤,则折合节约标煤22361.4t,每平米建筑面积节约标煤34kg。

 

参考文献

1、李元哲等,被动式太阳房的原理及其设计,能源出版社1989

2、李元哲主编,被动式太阳房热工设计手册,清华大学出版社1993

3、吴家庆等,真空管太阳能家用热水器及其东西向与南北向放置的比较,《太阳能学报》1988、10 vol·9 NO4

4、刘建民,《太阳能学报》1988.3

5、李元哲等,太阳能家用热水器与多层建筑结合的实践,《太阳能杂志》,1994总第16期

6、李元哲等,关于我国北方寒冷地区采用空气源热泵地板采暖的节能性与适应性分析《暖通空调》,2012.NO2

7、马最良等,空气源热泵冷热机组在寒冷地区应用的可行性分析,《暖通空调》2001.3

      [编辑:孟扬]
 

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