论文部分内容阅读
摘 要：太阳能系统的相关技术有着十分广阔的发展前景，对我国目前太阳能系统的有关技术发展与应用状况予以深入的总结，探索出和全球领先水平之间所存在的差距，将更加便于我国持续推动太阳能系统供热技术的发展和应用，在较大程度上，缩短和发达国家之间客观存在的差距。为了做到切实可行地缓解农村地区的冬季供暖能耗问题，行之有效地实现建筑物的节能效果，文章根据农村地区的实际状况，设计出了一套囊括了相变蓄热池在内的太阳能系统清洁炉具。实验结果显示，该太阳能系统清洁炉具在实际的运行过程当中，可以做到有效利用太阳能，就算是在十分恶劣的自然环境条件基础上，也能够与人们供暖需求保持一致。
关键词：太阳能;清洁炉具;设计;运行
Abstract：The related technologies of solar energy systems have very broad development prospects. An in-depth summary of the current technological development and application status of my country’s solar energy systems will make it easier for my country to continue to promote solar energy systems by exploring the gap with the world’s leading level. The development and application of heating technology has， to a large extent， shortened the objective gap with developed countries. In order to effectively alleviate the problem of heating energy consumption in winter and effectively realize the energy-saving effect of the building， the article designed a set of cleaning stoves with a solar energy system including a phase-change thermal storage tank. Considering the specific research process of the whole experiment， the indoor temperature can be kept above 20℃. Experimental results show that the solar system cleaning stove can effectively use solar energy， even in extremely harsh environmental conditions， it can also be consistent with people's heating needs.
Keywords：Solar energy; Cleaning stove; Design; Operation
1.引言
2020年，從我国建筑供暖能耗方面来看，已经超出了4.0亿吨标煤/年这样的数值。假如在今后的一定时间之内，仍然采取传统类型的能源供应模式，那么从实际角度来看，将会再度增加我国能源供需二者之间所客观存在的矛盾，人居环境受到较大的负面影响，使其可持续发展面临极大的阻碍。结合我国北方众多的农村区域相对丰富的太阳能资源来考虑，实施建筑清洁供暖技术，将会成功为我国节能减排外加低碳化模式的发展，拓展出前所未有的新型渠道。本文立足于对新时期广大农村地区的建筑能耗状况，针对太阳能系统清洁炉具的应用状况做了一系列的预测。现阶段，国家需要加大力度组织攻克成本低廉、效率较高的太阳能系统清洁炉具等有关技术的攻关，并且从农村与小城镇入手，开展较大范围的试点工程，及时总结其中存在的具体问题，制定行之有效的补贴机制以及推广体系，为接下来技术的普及和推广打下坚实的基础。
2.太阳能系统清洁炉具的设计
2.1集热方式
太阳能系统清洁炉具当中，集热器属于此类炉具的核心部件之一。不同的太阳能系统集热器工作温度范围以及应用见图1所示。从图1当中能够看到，在当前所运用的太阳能系统清洁炉具当中，所设计出的集热器则是先后经过了一系列改进之后，所开发出的平板类型集热器、真空管集热器以及复合抛物面（CPC）集热器等不同的三类。综合多方面因素，考虑到集热器保温性能以及安全可靠性等诸多方面的因素，集热器和供暖末端组合形式有着比较显著的差异。在本太阳能系统清洁炉具当中，设计出槽式太阳能集热器，使其能够顺利完成整个冬季的供暖工作，并且进行了具体运行方面的研究工作。
现阶段，针对太阳能系统清洁炉具的集热器研究工作，主要集中在以下几方面：首先是集热器和建筑一体化方面的设计，进而有效实现建筑供暖的过程当中，确保建筑彰显美观的特点。其次是集热器的优化，进而从根本上提高效率与集热温度。再则是太阳能系统集热器面积优化工作。
2.2辅助热源
由于太阳辐射兼具着间歇性以及不稳定性等两方面的特点，从一定时期来看，供暖需求往往带有着连续性和稳定性等两个不同方面的典型特征。为了有效确保太阳能系统清洁炉具有着相对来讲充足的稳定性和可靠性，和供暖舒适性要求二者保持相符的状况，务必设计出相互配套的辅助热源。现阶段，太阳能系统清洁炉具的辅助热源形式往往涵盖以下不同的类型：即电加热器、燃油锅炉、城市热网、工业余热以及热泵等等。近些年来，太阳能系统清洁炉具辅助热源广泛应用的是地源热泵，从而相关学者针对太阳能系统清洁炉具的有关地源热泵联合供暖系统研究成果的数量颇多。辅助热源在太阳能系统清洁炉具的整个设置过程当中，需要关注于所在地区的太阳能资源状况、常规能源供应条件外加相应的供暖负荷等等。在经济性、系统性能以及节能性等各项分析工作的前提之下，努力完成辅助热源的各项优先选择与设计工作是极为重要的。 2.3蓄热装置
因为太阳辐射所具有的周期性和不稳定性等这样典型的特点，由此便令太阳能与供暖需求二者之间客观存在了时间上的不匹配性。为了有效解决这样的问题，努力发掘出太阳能资源当中所蕴藏的极大潜力，太阳能系统清洁炉具当中，应设计出蓄热装置。依据蓄热时间具有的长短，蓄热装置包括短期蓄热与长期蓄热等不同的两类。针对短期蓄热来讲，主要蓄热方式涵盖了蓄热水箱以及相变蓄热等等。针对长期蓄热来讲，特别是在跨季节蓄热方面，主要涵盖了热水蓄热、地埋管蓄热、含水层蓄热外加砾石-水蓄热等等。综合以上因素考虑，本文所研究的太阳能系统清洁炉具运用热水蓄热。
3.太阳能系统清洁炉具的运行性能分析
3.1供暖季监测温度
环境温度针对系统的相应COP，外加太阳能系统清洁炉具集热以及热损失等来讲，均有着十分明显的影响。在测试过程当中，室外日平均温度能够达到1.0oC，室内日平均温度则能够达到19.6oC，由此室内外日平均温度的温差则达到了18.6oC。除此之外，室内1层日平均温度在测试期间，略微高于2层日相应的平均温度，主要是由于其选择的农宅是地板供暖，与1层对比来讲，2层屋的顶耗热量相对更大一些。从整体角度来看，该太阳能系统清洁炉具在农村冬季气候条件下，可以与房间供暖需求保持一致。将2019年12月19日作为典型的测试日，探讨供暖季温度变化房间温度所发生的相应变化。室内温度受到室外温度变化的影响相对来讲十分显著。在00：00-09：00这一时间段内，室内各个房间温度呈现出逐步降低的态势。在09：00之后，温度则呈现出迅速上升的态势。到了12：50，则达到峰值。在这之后，温度迅速降低。到了19：50之后，基本保持在稳定的态势。
3.2集热机组逐日性能
在供暖季期间，逐日耗电量最小值是37.7kW？h，最大值是96kW？h，平均值则是65.8kW？h。逐日制热量最小值则达到了182kW？h，最大值是329kW？h，平均值是279kW？h。从整个的供暖测试期间来看，日平均相应的COP则达到了4.29。着眼于测试期间来考虑，机组运行工况则涵盖如下3个不同的阶段：阶段1划分为2019年12月10-28日，机组供热量与耗电量日平均值依次达到了268.84kW？h和63.52kW？h，COP日平均值达到了4.27。阶段2划分为2019年12月29-2020年2月27日，机组供热量与耗电量日的相应平均值依次达到了295.13kW？h和70.55kW？h，COP的相应日平均值则达到了4.22。阶段3划分为2020年2月28-3月15日，其机组供热量和耗电量日平均值依次达到了227.5kW？h和50.93kW？h。在这个期间内，COP日的相应平均值则达到了4.54。由此不难发现，阶段2在室外温度与太阳能贡献率相对来讲处于较低态势的前提之下，集热机组供热量则得到了一定幅度的提高，耗电量随之得到增大，从而令该时间段内的机组COP相对来讲偏低。
3.3太阳能系统清洁炉具综合能效比
在测试的过程当中，集热机组供热量达到了26998kW？h，集热器集热量的数值则达到了1292kW？h，总供热量达到了28290kW？h。在測试过程当中，立足于集热机组供热量逐日变化的总体视角，集热机组供热量远远超出了集热器的相应集热量。立足于系统综合能效比和太阳能贡献率等两个不同的视角，在测试过程当中，太阳能日贡献率的最低数值则为0，最高数值则为38.22%，日均太阳能的相应贡献率则达到了9.93%。太阳能系统清洁炉具日综合能效比的最小值达到了3.40，最大数值则能够达到9.06，平均数值则达到了6.23。从2019年12月20日至2020年1月27日这一期间来看，太阳能日贡献率相对来讲处于较低的态势，平均数值仅仅是1.56。造成这样状况的因素，是在这一阶段，室外日平均温度的数值仅仅是达到了-0.17oC，太阳辐照量相对来讲较低。为了使房间适宜的温度得以保持，在太阳能集热量有限的基础之上，用户使集热机组供热量得到一定的提高，进而令该时间段内的太阳能贡献率相对来讲过低。
4.讨论
从目前来看，太阳能强度缺少稳定性、分布缺少均匀性等等，所以在太阳能系统清洁炉具的设计、运行、储热以及经济性等诸多方面均有十分严格的要求。
（1）太阳能系统清洁炉具需要具有相对来讲足够的空间，其主要用在布置集热系统的工作上。因为太阳能的能源密度数值相对偏低（峰值仅仅是1kW/m2），需要有着足够的空间，主要用于放置集热器，才可以满足相应的供暖能力。
（2）通常来讲，从整个太阳能系统清洁炉具来看，其涵盖了集热系统、储热系统、辅助热源系统以及控制系统等一系列的重要组成部分，其系统组成具有复杂的特点。不同的系统彼此之间是否满足科学匹配的要求，往往被视为决定该系统能否可以处于稳定运行状态的重中之重。
5.结论
“十四五”期间，是我国建筑节能与能源综合利用技术发展比较重要的阶段。在这样的时代背景下，依据多方的共同努力，仅仅围绕国家“十四五”科技攻关的综合性规划，结合具体的市场需求，着重研发出适合各类不同规模建筑的太阳能系统清洁炉具部件以及系统的研究工作，在效率高、成本低的集成技术等领域的攻关加大力度，真正为规模化利用太阳能系统清洁炉具，高效完成建筑供暖工作奠定十分牢固的科技基础。与此同时，还应针对技术成熟状况良好的太阳能系统清洁炉具技术努力促进其可以成果转化、实际运用，在较短的时间内满足配套化、产业化的要求，从根本上加快国内太阳能系统供暖的广泛开展，努力推动农村地区建筑节能以及能源综合利用质的飞跃。
参考文献：
[1]王春兰，许诚，徐钢等. 京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究[J]. 中国环境科学，2017，37（11）：4363-4370.
[2]周海舰，高乃平，李忠等. 北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析[J]. 煤气与热力，2018，38（1）：32-39.
[3]谭心，张晓军，虞启辉. 太阳能供暖系统的室内舒适性研究[J]. 太阳能，2018（5）：68-72
[4]卞峰，梁慧媛，牛蔚然等. 空气源热泵辅助太阳能供暖技术经济性分析[J]. 煤气与热力，2018，38（9）：27-31
[5]蔺瑞山，田斌守，邵继新等. 相变储热在太阳能采暖中的应用研究[J]. 节能技术，2018，36（5）：447-452
[6]李光元，于洪文，蒋鹏等. 中高温热管式太阳能吸收式空调系统的设计与研究分析[J]. 节能技术，2018，36（3）：244-247
关键词：太阳能;清洁炉具;设计;运行
Abstract：The related technologies of solar energy systems have very broad development prospects. An in-depth summary of the current technological development and application status of my country’s solar energy systems will make it easier for my country to continue to promote solar energy systems by exploring the gap with the world’s leading level. The development and application of heating technology has， to a large extent， shortened the objective gap with developed countries. In order to effectively alleviate the problem of heating energy consumption in winter and effectively realize the energy-saving effect of the building， the article designed a set of cleaning stoves with a solar energy system including a phase-change thermal storage tank. Considering the specific research process of the whole experiment， the indoor temperature can be kept above 20℃. Experimental results show that the solar system cleaning stove can effectively use solar energy， even in extremely harsh environmental conditions， it can also be consistent with people's heating needs.
Keywords：Solar energy; Cleaning stove; Design; Operation
1.引言
2020年，從我国建筑供暖能耗方面来看，已经超出了4.0亿吨标煤/年这样的数值。假如在今后的一定时间之内，仍然采取传统类型的能源供应模式，那么从实际角度来看，将会再度增加我国能源供需二者之间所客观存在的矛盾，人居环境受到较大的负面影响，使其可持续发展面临极大的阻碍。结合我国北方众多的农村区域相对丰富的太阳能资源来考虑，实施建筑清洁供暖技术，将会成功为我国节能减排外加低碳化模式的发展，拓展出前所未有的新型渠道。本文立足于对新时期广大农村地区的建筑能耗状况，针对太阳能系统清洁炉具的应用状况做了一系列的预测。现阶段，国家需要加大力度组织攻克成本低廉、效率较高的太阳能系统清洁炉具等有关技术的攻关，并且从农村与小城镇入手，开展较大范围的试点工程，及时总结其中存在的具体问题，制定行之有效的补贴机制以及推广体系，为接下来技术的普及和推广打下坚实的基础。
2.太阳能系统清洁炉具的设计
2.1集热方式
太阳能系统清洁炉具当中，集热器属于此类炉具的核心部件之一。不同的太阳能系统集热器工作温度范围以及应用见图1所示。从图1当中能够看到，在当前所运用的太阳能系统清洁炉具当中，所设计出的集热器则是先后经过了一系列改进之后，所开发出的平板类型集热器、真空管集热器以及复合抛物面（CPC）集热器等不同的三类。综合多方面因素，考虑到集热器保温性能以及安全可靠性等诸多方面的因素，集热器和供暖末端组合形式有着比较显著的差异。在本太阳能系统清洁炉具当中，设计出槽式太阳能集热器，使其能够顺利完成整个冬季的供暖工作，并且进行了具体运行方面的研究工作。
现阶段，针对太阳能系统清洁炉具的集热器研究工作，主要集中在以下几方面：首先是集热器和建筑一体化方面的设计，进而有效实现建筑供暖的过程当中，确保建筑彰显美观的特点。其次是集热器的优化，进而从根本上提高效率与集热温度。再则是太阳能系统集热器面积优化工作。
2.2辅助热源
由于太阳辐射兼具着间歇性以及不稳定性等两方面的特点，从一定时期来看，供暖需求往往带有着连续性和稳定性等两个不同方面的典型特征。为了有效确保太阳能系统清洁炉具有着相对来讲充足的稳定性和可靠性，和供暖舒适性要求二者保持相符的状况，务必设计出相互配套的辅助热源。现阶段，太阳能系统清洁炉具的辅助热源形式往往涵盖以下不同的类型：即电加热器、燃油锅炉、城市热网、工业余热以及热泵等等。近些年来，太阳能系统清洁炉具辅助热源广泛应用的是地源热泵，从而相关学者针对太阳能系统清洁炉具的有关地源热泵联合供暖系统研究成果的数量颇多。辅助热源在太阳能系统清洁炉具的整个设置过程当中，需要关注于所在地区的太阳能资源状况、常规能源供应条件外加相应的供暖负荷等等。在经济性、系统性能以及节能性等各项分析工作的前提之下，努力完成辅助热源的各项优先选择与设计工作是极为重要的。 2.3蓄热装置
因为太阳辐射所具有的周期性和不稳定性等这样典型的特点，由此便令太阳能与供暖需求二者之间客观存在了时间上的不匹配性。为了有效解决这样的问题，努力发掘出太阳能资源当中所蕴藏的极大潜力，太阳能系统清洁炉具当中，应设计出蓄热装置。依据蓄热时间具有的长短，蓄热装置包括短期蓄热与长期蓄热等不同的两类。针对短期蓄热来讲，主要蓄热方式涵盖了蓄热水箱以及相变蓄热等等。针对长期蓄热来讲，特别是在跨季节蓄热方面，主要涵盖了热水蓄热、地埋管蓄热、含水层蓄热外加砾石-水蓄热等等。综合以上因素考虑，本文所研究的太阳能系统清洁炉具运用热水蓄热。
3.太阳能系统清洁炉具的运行性能分析
3.1供暖季监测温度
环境温度针对系统的相应COP，外加太阳能系统清洁炉具集热以及热损失等来讲，均有着十分明显的影响。在测试过程当中，室外日平均温度能够达到1.0oC，室内日平均温度则能够达到19.6oC，由此室内外日平均温度的温差则达到了18.6oC。除此之外，室内1层日平均温度在测试期间，略微高于2层日相应的平均温度，主要是由于其选择的农宅是地板供暖，与1层对比来讲，2层屋的顶耗热量相对更大一些。从整体角度来看，该太阳能系统清洁炉具在农村冬季气候条件下，可以与房间供暖需求保持一致。将2019年12月19日作为典型的测试日，探讨供暖季温度变化房间温度所发生的相应变化。室内温度受到室外温度变化的影响相对来讲十分显著。在00：00-09：00这一时间段内，室内各个房间温度呈现出逐步降低的态势。在09：00之后，温度则呈现出迅速上升的态势。到了12：50，则达到峰值。在这之后，温度迅速降低。到了19：50之后，基本保持在稳定的态势。
3.2集热机组逐日性能
在供暖季期间，逐日耗电量最小值是37.7kW？h，最大值是96kW？h，平均值则是65.8kW？h。逐日制热量最小值则达到了182kW？h，最大值是329kW？h，平均值是279kW？h。从整个的供暖测试期间来看，日平均相应的COP则达到了4.29。着眼于测试期间来考虑，机组运行工况则涵盖如下3个不同的阶段：阶段1划分为2019年12月10-28日，机组供热量与耗电量日平均值依次达到了268.84kW？h和63.52kW？h，COP日平均值达到了4.27。阶段2划分为2019年12月29-2020年2月27日，机组供热量与耗电量日的相应平均值依次达到了295.13kW？h和70.55kW？h，COP的相应日平均值则达到了4.22。阶段3划分为2020年2月28-3月15日，其机组供热量和耗电量日平均值依次达到了227.5kW？h和50.93kW？h。在这个期间内，COP日的相应平均值则达到了4.54。由此不难发现，阶段2在室外温度与太阳能贡献率相对来讲处于较低态势的前提之下，集热机组供热量则得到了一定幅度的提高，耗电量随之得到增大，从而令该时间段内的机组COP相对来讲偏低。
3.3太阳能系统清洁炉具综合能效比
在测试的过程当中，集热机组供热量达到了26998kW？h，集热器集热量的数值则达到了1292kW？h，总供热量达到了28290kW？h。在測试过程当中，立足于集热机组供热量逐日变化的总体视角，集热机组供热量远远超出了集热器的相应集热量。立足于系统综合能效比和太阳能贡献率等两个不同的视角，在测试过程当中，太阳能日贡献率的最低数值则为0，最高数值则为38.22%，日均太阳能的相应贡献率则达到了9.93%。太阳能系统清洁炉具日综合能效比的最小值达到了3.40，最大数值则能够达到9.06，平均数值则达到了6.23。从2019年12月20日至2020年1月27日这一期间来看，太阳能日贡献率相对来讲处于较低的态势，平均数值仅仅是1.56。造成这样状况的因素，是在这一阶段，室外日平均温度的数值仅仅是达到了-0.17oC，太阳辐照量相对来讲较低。为了使房间适宜的温度得以保持，在太阳能集热量有限的基础之上，用户使集热机组供热量得到一定的提高，进而令该时间段内的太阳能贡献率相对来讲过低。
4.讨论
从目前来看，太阳能强度缺少稳定性、分布缺少均匀性等等，所以在太阳能系统清洁炉具的设计、运行、储热以及经济性等诸多方面均有十分严格的要求。
（1）太阳能系统清洁炉具需要具有相对来讲足够的空间，其主要用在布置集热系统的工作上。因为太阳能的能源密度数值相对偏低（峰值仅仅是1kW/m2），需要有着足够的空间，主要用于放置集热器，才可以满足相应的供暖能力。
（2）通常来讲，从整个太阳能系统清洁炉具来看，其涵盖了集热系统、储热系统、辅助热源系统以及控制系统等一系列的重要组成部分，其系统组成具有复杂的特点。不同的系统彼此之间是否满足科学匹配的要求，往往被视为决定该系统能否可以处于稳定运行状态的重中之重。
5.结论
“十四五”期间，是我国建筑节能与能源综合利用技术发展比较重要的阶段。在这样的时代背景下，依据多方的共同努力，仅仅围绕国家“十四五”科技攻关的综合性规划，结合具体的市场需求，着重研发出适合各类不同规模建筑的太阳能系统清洁炉具部件以及系统的研究工作，在效率高、成本低的集成技术等领域的攻关加大力度，真正为规模化利用太阳能系统清洁炉具，高效完成建筑供暖工作奠定十分牢固的科技基础。与此同时，还应针对技术成熟状况良好的太阳能系统清洁炉具技术努力促进其可以成果转化、实际运用，在较短的时间内满足配套化、产业化的要求，从根本上加快国内太阳能系统供暖的广泛开展，努力推动农村地区建筑节能以及能源综合利用质的飞跃。
参考文献：
[1]王春兰，许诚，徐钢等. 京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究[J]. 中国环境科学，2017，37（11）：4363-4370.
[2]周海舰，高乃平，李忠等. 北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析[J]. 煤气与热力，2018，38（1）：32-39.
[3]谭心，张晓军，虞启辉. 太阳能供暖系统的室内舒适性研究[J]. 太阳能，2018（5）：68-72
[4]卞峰，梁慧媛，牛蔚然等. 空气源热泵辅助太阳能供暖技术经济性分析[J]. 煤气与热力，2018，38（9）：27-31
[5]蔺瑞山，田斌守，邵继新等. 相变储热在太阳能采暖中的应用研究[J]. 节能技术，2018，36（5）：447-452
[6]李光元，于洪文，蒋鹏等. 中高温热管式太阳能吸收式空调系统的设计与研究分析[J]. 节能技术，2018，36（3）：244-247