目前建筑行业能耗占近1/3社会总能耗^[1], 而采用清洁能源是减少建筑能耗的有效途径。零能耗供暖系统是将建筑供暖所采用的常规能源改为可再生能源, 通过对其高效利用, 实现建筑供暖的自给自足。

　　 主动式太阳能供暖系统包括:集热系统、储热蓄热系统、辅助热源及供暖末端等^[2]。对集热系统的研究主要以集热器的面积最小或效率最高为目标函数, 分析在不同地区的最佳倾角、安装角度和集热效率等^[3,4,5,6,7];储热系统主要研究温度分层、蓄热容积优化及蓄热温差等问题^[8,9,10,11];对于常见的供暖末端, 研究成果主要包括低温散热器供暖的可行性及运行问题^[12], 通过对相变材料储能式低温热水供暖地板进行数值模拟, 分析其蓄热、放热性能及其对房间热性能的影响^[13], 并基于毛细管网末端温控的储热式低温热水供暖地板的模拟进行分析和实验研究^[14]。

　　 根据西藏的气候特征及经济状况, 取消辅助热源, 可以显著增加项目的经济性、降低运行费用, 同时基本满足热环境需求。本文从实际工程项目出发, 通过数值模拟及分析计算, 研究无辅助热源下的零能耗太阳能供暖系统的集热与蓄热系统, 为高寒地区的太阳能利用提供借鉴与参考。

　　 拉萨尼木太阳能供暖项目为牧民定居工程, 使用人群为经济条件较差的牧民, 虽然项目的初投资由政府承担, 但项目后期运行费用若较高, 会造成建得起用不起的现象, 使系统成为空摆设, 为此亟待寻求一种近零运行费用的供暖系统。

　　 拉萨市尼木县太阳能资源丰富, 非常适合利用太阳能供暖^[15]。图1显示了拉萨主要气象参数, 全年累计太阳辐照量高达7～8 GJ/m², 日平均辐照量高达19.84 MJ/ (m²·d) 。供暖季项目所在地连续阴天数小于2 d, 即使阴天太阳散射辐照度也能达到350 W/m²。由于辅助热源使用率较低, 若将该部分投资用于太阳能集蓄热系统建设, 将有利于提高资金的利用效率^[16]。同时, 该地区建筑密度小, 容积率低, 屋顶可利用面积充足, 有利于铺设太阳能集热设备^[17]。综合考虑, 该项目设计尝试取消辅助热源的主动式太阳能供暖系统 (运行能耗仅为水泵能耗) 。

　　 采取完全由太阳能集热与蓄热供热的形式, 取消辅助热源, 通过适当增加集热与蓄热系统, 来满足供热需求, 如图2所示。该主动式太阳能供暖系统由集热系统、蓄热系统和放热系统三大部分组成。其中集热系统主要包括槽式太阳能集热器、导热油泵及其附件等;蓄热系统由油-水板式换热器、蓄热水箱及蓄热循环水泵组成;放热系统由水-水板式换热器、供暖循环水泵及室内散热器末端等组成。

　　 具体方案为:采用槽式太阳能集热器进行集热, 集热介质为导热油, 油温200 ℃/190 ℃, 并设置油-水板式换热器和蓄热水箱进行蓄热, 蓄热水温为100 ℃/60 ℃;建筑需要供暖时, 蓄热水箱进行放热, 利用板式换热器换成75 ℃/50 ℃的热水, 通过供暖循环水泵输送到室内散热器末端进行供暖。

　　 表1给出了零辅助热源主动式太阳能供暖系统的特点。

　　 尼木县总面积3 275.8 km², 平均海拔4 000 m, 作为拉萨市低温太阳能供暖试点地区, 计划新建三期供暖工程, 本文针对供暖试点一期工程, 建筑总面积15 283 m², 共有100户120 m²双拼户型的居民住宅, 围护结构均按照DBJ 540001—2016《西藏自治区民用建筑节能设计标准》设计, 表2, 3给出了建筑主要围护结构的热工性能参数。

　　 采用DesignBuilder负荷模拟软件, 对研究地区典型建筑进行供暖负荷模拟计算。图3给出了所选取的典型住宅 (120 m²双拼户型) 建筑模型, 通过研究用能特性变化的规律为方案分析研究提供基础。

　　 图4给出了典型单体建筑供暖期逐时热负荷分布特征。根据保证率要求可得, 典型单体建筑 (面积为240 m²) 动态负荷峰值热负荷指标约为70 W/m², 建筑全年累计耗热量为17 311 kW·h, 建筑单位面积耗热量指标为72 kW·h/m²。

　　 集热与蓄热系统是太阳能供暖的关键系统。集热系统吸收太阳辐射并将所产生的热能传递给热媒;蓄热系统基于建筑供暖负荷昼间小、夜间大的特点, 通过设置蓄热装置来解决集热量与供暖需求不同步的问题。

　　 尼木县供暖季长, 且冬季环境温度低。相较于全玻璃真空管型集热器和平板集热器, 槽式太阳能集热器不仅能够增加有效集热量, 解决夏季过热和冬季防冻问题, 而且具有热输送温差大、热输送能耗低、系统运行安全可靠等优点, 因此, 该项目选择使用槽式太阳能集热器。

　　 槽式聚光集热器单轴追光通常有集热管东西水平轴跟踪 (反射面南北向转动) 、南北水平轴跟踪 (反射面东西向转动) 等方式。图5显示了2种跟踪方式全年接收的辐照量变化情况。全年东西轴接收辐照量为7 399.44 MJ/m², 南北轴为6 934.68 MJ/m²;供暖季东西轴接收辐照量为3 441.96 MJ/m², 南北轴为3 249.72 MJ/m²。

　　 图6显示了2种跟踪方式全年集热量随时间的变化。全年集热管东西轴集热量为4 808.16 MJ/m², 南北轴为4 450.32 MJ/m²;供暖季集热管东西轴集热量为2 249.64 MJ/m², 南北轴为2 103.48 MJ/m²。经计算, 东西水平轴跟踪供暖季节集热效率高于南北水平轴跟踪, 故该项目采用集热管东西水平轴跟踪方式。

　　 集热面积和蓄热容积的确定, 是太阳能供暖系统设计的重要环节。蓄热容积过大会造成水箱温度明显低于设计供水温度, 蓄热容积过小则会造成集热器回水温度偏高, 降低集热器的集热量, 同样会影响系统的节能性。可见, 集热面积与蓄热容积间存在直接耦合关系, 寻求最佳优化比, 有利于实现太阳能供暖系统的高效运行。

　　 GB 50495—2009《太阳能供热供暖工程技术规范》中指出, 各类太阳能供暖系统对应单位太阳能集热器采光面积的储热水箱的蓄热容积应根据相应指标进行选取, 但是由于不同地区、不同建筑类型及不同建筑参数的差异, 导致最佳蓄热容积不同, 现有技术并未给出准确的蓄热容积确定方法。

　　 针对现有蓄热容积确定方法中存在的问题, 该项目在确定蓄热容积时提供了一种优化方法, 如图7所示。基于集热面积与蓄热容积间的耦合关系, 采用迭代运算的方法, 实现集热与蓄热系统的优化配比:1) 对太阳能集热器进行动态模拟计算, 得出设计日全天逐时有效集热量, 有效集热量应满足建筑典型设计日供暖负荷需求, 以此作为集热器面积计算条件;2) 对整个项目的供暖期逐时热负荷进行动态模拟, 选取设计日全天供暖负荷逐时累加值作为蓄热容积的计算条件;3) 基于集热面积与蓄热容积的耦合关系, 采用设计日蓄热量作为蓄热容积的评判依据;4) 考虑蓄热和室内供暖需求的平衡性, 缩短蓄热时间, 采用间隔式蓄热水箱或多个蓄热水箱。

　　 根据集热面积与蓄热容积的耦合计算, 最终选取的主要设备参数如表4所示。

　　 为了论证方案的可行性, 选取典型日进行热平衡分析。图8为南北水平轴跟踪典型日热量平衡分析图。通过对典型日 (晴天) 集热、蓄热及负荷特性进行分析, 可以得出:利用白天集热的蓄热量基本可以满足夜间建筑的热需求, 只有早上1～2 h由于蓄热量不足, 难以满足建筑用热需求, 由此造成室温下降2 ℃左右, 基本满足了供热需求。

　　 太阳能供暖及热水中常用的换热器有板式换热器及容积式换热器, 由于所需水质及水温的不同, 太阳能供暖宜采用板式换热器。目前设计中, 换热器换热量采用下式计算:

　　 $Q{}_{\text{h}\text{x}}=\frac{kfQ}{3600S{}_{\text{y}}}(1)$

　　 式中 Q_hx为换热器换热量, kW;k为太阳辐照度时变系数;f为太阳能保证率;Q为太阳能供热供暖系统负担的供暖季日平均供热量, kJ;S_y为当地日平均日照时长, h。

　　 其中, 太阳能保证率、日平均供热量及日平均日照时长的取值与当地的太阳能辐射、气候条件、建筑类型等参数有关, 因此, 工程设计中取值常采用经验数值, 无法因地制宜且换热系统容量偏差较大。为了保证集热量基本可以通过换热系统有效输出, 根据动态逐时集热量, 以全年最大集热量为依据, 选取换热器换热量。图9显示了建筑全年集热量的变化, 总建筑面积为15 283 m², 换热器换热量可按照2 000 kW选取。

　　 对供暖一期项目全年节能量进行分析:采用主动式太阳能供暖系统相较于直接电加热, 节电量为52 kW·h/m², 总节电量为794 716 kW·h, 一次能源节省量为250 t标准煤, 节能率达到72%, 节能效果显著。

　　 利用计算所得的节能量, 根据污染物排放系数, 计算得到:预计每年减排CO₂ 167.5 t/a, SO₂4.1 t/a, NO_x 3.9 t/a, 粉尘2.4 t/a, 可有效改善区域内的环境质量, 环境效益显著。

　　 1) 通过分析典型日集热、蓄热及热负荷特性, 可以得出:集热量高于建筑热负荷需求, 且水箱余热量较高, 利用白天集热的蓄热量基本可以满足建筑夜晚的热需求。

　　 2) 针对现有蓄热容积确定方法中存在的问题, 基于集热面积与蓄热容积间的耦合关系, 采用迭代运算的方法, 实现集热与蓄热系统的优化配比。

　　 3) 分析了采用槽式太阳能集热器的可行性及必要性, 通过对比2种跟踪方式的集热量变化, 确定了采用东西水平轴跟踪方式。

　　 4) 相较于直接电加热, 总节电量为794 716 kW·h, 一次能源节省量为250 t标准煤;预计每年减排CO₂ 167.5 t/a, SO₂4.1 t/a, NO_x 3.9 t/a, 粉尘2.4 t/a。