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黄进
20 世纪,中国北方采暖以燃煤为主.因此,当北方地区进入采暖季时,环境污染问题也随之而来.因此,国家开始逐步淘汰燃煤采暖模式,“煤改气”“煤改电”逐渐成为北方采暖的主基调.2016 年,在北方“煤改气”和“煤改电”全面推进,采暖产品更新换代正如火如荼进行时,南方采暖需求也越来越大.以全国层面来看,采暖产品进入一个高速发展期.但是,采暖耗能较大,对产品的节能性要求较高.因此在利用单一能源采暖遇到瓶颈后,混合能源采暖的概念逐渐开始进入业内视野.
主要能源混合形式
采暖,是指在寒冷的季节,为使室内保持所需的温度而采取的热量供给措施.采暖有水暖、风暖、电暖等多种形式,目前主要以水暖为主.水暖,是以热水作为采暖的媒介,通过地暖、散热片或风机盘管等形式将热水中的热量传导到空气中,提升环境温度的采暖形式.水暖产品主要包括燃气采暖炉、空气源热泵采暖机组、太阳能采暖.燃气采暖炉的产品特点为,加热功率高、输出热量稳定、节能性和环保性良好.空气源热泵采暖机组的加热功率一般,输出热量随环境温度降低而下降,但节能性和环保性较优.太阳能采暖的加热功率偏低,输出热量受天气和季节影响较大,但节能性和环保性最优.
采暖耗能较大,对产品的节能性要求较高.同时,采暖是民生的基本要求,用户对采暖的稳定性和舒适性要求也较高.如何同时满足节能和舒适两大需求,可以说是采暖行业的永恒的课题.在利用单一能源采暖遇到瓶颈后,混合能源采暖的概念进入业内视野.
根据能源的特性,混合能源采暖系统主要有4 种组合形式：太阳能+ 燃气采暖、空气能+ 燃气采暖、太阳能+ 空气能采暖以及太阳能+ 空气能+ 燃气采暖.其中,采暖需求一般在冬季,而太阳能和空气能在冬季的效果都比较差,因此,太阳能+ 空气能采暖的形式并不推荐.另外,太阳能+ 空气能+ 燃气采暖形式由于涉及能源较多,系统比较复杂,一般只在少数大型项目中采用.所以,本文将主要对太阳能+ 燃气采暖、空气能+ 燃气采暖两种混合能源采暖模式进行分析.
太阳能+ 燃气采暖：安装有局限性太阳能+ 燃气采暖在理论上是一种非常理想的混合能源采暖形式.如果能尽量多地利用太阳能进行采暖,将大大减少燃气的消耗.同时,通过燃气的辅助,整个系统在阴雨天也能确保供暖的舒适性.但是,太阳能集热器的安装是这种混合能源采暖系统的最大局限.
以上海某大型别墅为例,其采暖面积为200m2,利用太阳能+ 燃气采暖炉进行采暖方案设计.第一步,总热量计算.上海的采暖设计通常为不小于100W/m2.按最低配置计算可得,此案例的能量需求为20kW 即1728000kJ/ 天.
第二步,计算系统中太阳能集热器的配置需求.首先,假设上海的采暖季为11 月至下一年3 月,查询国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》,可知这5 个月的太阳能辐射能量具体数据.然后,取太阳能吸收率（一般为40%~50%）,选取较高的吸收率50% 进行计算,可得出这5 个月每平方米太阳能集热器的能量吸收情况为5600kJ/m2~6300kJ/m2.最终,确定系统的太阳能保证率,也就是整个系统中太阳能使用的占比.根据不同地方,国家标准给出了不同的推荐范围,为0.3~0.8 不等.选取最低0.3 的太阳能保证率进行计算,得出需要的太阳能板数量为86m2.以较高的太阳能吸收率以及较低的太阳能保证率的条件下,得出在上海200m2 采暖面积需要安装太阳能板的数量为86m2.如此大面积的太阳能板安装,对于一般的别墅项目来说无法实现.
可见,太阳能+ 燃气采暖模式的最大限制就在于太阳能板的安装.大部分项目都会因为没有足够的太阳能集热器安装空间,而无法考虑太阳能+ 燃气采暖的组合模式.事实上,目前市场上最多的太阳能+ 燃气混合能源采暖系统中,太阳能一般只满足生活热水的供应需求,而采暖则全部由燃气供应.这也是比较合理的能源配置方式.
在这种混合能源采暖系统中,如果将太阳能利用到采暖中,一方面需要安装大量的太阳能板,占地面积大,一次性投入也大；另一方面,到了非采暖季,太阳能所吸收的热量过大,无法全部利用,存在大量的能源浪费.
空气能+ 燃气采暖：2 种模式
空气能采暖产品的能效,受环境温度影响较大.在环境温度超过20℃时,空气能产品能效可以超过400%,非常高效节能；在冬季最冷的时候,产品能效将降到150% 以下.同时,单位功率的空气能产品体积较大,占地面积大.如5P 的商用空气能,单台占地面积为1m2 左右,冬季最冷时所输出的功率大概为5kW.如果采暖面积为200m2,则需要20kW 的能源供应.如果完全采用5P 的空气能产品解决采暖问题,就同时需要4 台.
可见,这并不是合理的采暖解决方案,一是产品占地面积较大；二是到了其他季节,产品能效上升,用水量下降,空气能的配置明显过高.采用1 台5P 的空气能+1 台20kW 的燃气壁挂炉,就可以完美地解决单独使用空气能所存在的问题.基于以上的分析可知,空气能+ 燃气采暖的模式,将是一种节能性与舒适性并存、又行之有效的混合能源组合形式.
空气能+ 燃气采暖组合模式分为两大类：商用组合模式和家用组合模式.商用组合模式一般应用于较大的采暖项目中.在较大的空气能采暖项目中,一般都会设置1 个缓冲水箱.缓冲水箱的主要作用,是为了避免机组频繁启动,延长机器使用寿命,并有利于系统中空气的排出,可使系统运行更高效、安全.在空气能+ 燃气的采暖项目中,可以将燃气的加热设备与缓冲水箱进行连接.在缓冲水箱中设计温度探头,在适当的时候用燃气对缓冲水箱进行补热,使整个系统在寒冷的冬季也能实现稳定供热.
家用组合模式一般用于家用场合,系统规模相对较小.在家用组合模式中,一般会用恒温水箱提供生活用水.为了减少占地面积以及降低系统成本,项目一般不会设置较大容积的缓冲水箱.如何在未设置大容积缓冲水箱的前提下实现空气能+ 燃气的采暖组合,日本林内推出的Hybrid 空气能+ 燃气采暖系统提供了一个不错的解决思路.此系统的关键在于空气能内置的热交换器从普通的双层换热变为三层换热：一层是空气能内部的循环介质,二层是生活用水,三层是采暖用水.其中,二层的生活用水加热自带循环水泵,与生活用水的储热水箱连接；三层与燃气采暖炉的采暖回路进行连接,采暖回水通过空气能预热后再进入燃气采暖炉进行加热.这样的系统连接方式,空气能可以同时为生活用水和采暖进行加热,并在实现空气能利用率最大化的同时,保证系统热水和采暖供应的稳定.
以上两种空气能+ 燃气的混合能源采暖系统的组合模式,都可以很好地将两种能源进行优势互补,为采暖提供节能且稳定的解决方案.但空气能+ 燃气混合能源系统在国内的实际应用非常少.造成这种现象的原因主要有2 个.首先,空气能厂家和燃气厂家无法达成共识.在产品推广上,两种产品的厂家以互相排斥为主,很难形成联盟.虽然有部分燃气厂家开始进入空气能市场,但在空气能领域都还比较弱势.只有强强联合才能形成突破.第二,目前,节能理念虽然宣传较多,但尚未完全深入人心.混合能源的高成本,成为行业发展最大的拦路虎.只有当能源论文范文上升到一定程度或政府节能强制措施及节能产品补贴措施进一步加大,才有可能助推相关产品的快速发展.
太阳能超导地热采暖:太阳能采暖
与混合能源热水系统不同
混合能源采暖系统与混合能源热水系统有4 点不同.首先,热水是全年使用,而采暖只在较冷的采暖季使用.在考虑采暖的同时,需要考虑非采暖季的能源浪费问题.
第二,采暖的耗能远远大于热水.因为采暖需要长时间持续运行,而热水使用时间是间歇性的.因此,采暖系统对节能的要求更高.
第三,采暖对产品的功率要求更大,对能源的稳定性要求更高.因此,太阳能采暖只适合特殊项目,并不适合普遍推广.在系统中,太阳能只参与热水供应,而不参与采暖会成为一种比较常规的混合能源组合形式.
第四,混合能源采暖将很难百花齐放,在现有能源结构下,空气能+ 燃气采暖系统将是最合理的混合能源采暖组合形式.虽然这种混合能源系统在国内还不多,但在国外已相当成熟.
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