供热系统中太阳能和天然气结合使用的研究
李想+侯树杰
摘要：太阳能是一种无污染的可再生能源，并且可以减少对常规能源的消耗，减轻对环境的污染。太阳能可用来供暖，但是在太阳能较弱的夜晚和冬天光靠它来满足用户的要求就比较困难。因此，作者提出将太阳能和天然气供热相结合，建立太阳能、天然气供热优化模型并进行研究，以确保加热效率，降低能源消耗，减轻空气污染，节省成本。
关键词：太阳能；太阳能天然气供热优化模型；燃气
引言
近年来，环境问题已经引起社会的广泛重视，能源消耗问题越来越突出，燃料燃烧时产生的排放物已经严重影响居民环境，同时能源不断短缺也将对地球生态系统的可持续发展产生不利影响。因此，能源开发利用已成为全球关注的问题。采暖是能源消耗及环境污染问题之一，可再生能源在该采暖系统中的应用将会有效地减少其他传统能源的消耗，同时减轻环境污染。太阳能是一种取之不尽、使用方便的可再生能源。近年来，许多研究者一直专注于研究应用太阳能加热，模拟太阳能集热器的集热方式；分析过程中的热损失；用吸热管将太阳能转换过程中的热损失进行研究；建立数学模型来模拟研究太阳能和热能之间的转换，将太阳能并入到建筑材料或结构，不仅使建筑美观，而且节能环保。
目前，在加热系统太阳能应用存在一些不足，如大量的热损失、低效率和较低的温度，在低温区供热的问题还没有完全解决。尽管能源消耗大，燃气加热仍有其优点，如没有时间约束的加热，瞬间加热，效率高、温度高、零排放，可以很好地解决供暖问题。本文研究了供热系统并结合了太阳能、燃气两种供热方式，提出了一种太阳能燃气联合供热优化模型，其中可利用太阳能和燃气的优势保证供暖效果效率以降低能源消耗，减少空气污染。
2供热系统的设计
太阳能和天然气联合供热系统主要由太阳能集热器、燃气锅炉、蓄热水箱、热交换器、水管道供热设备和终端等构成。目前，主要有三种常用的太阳能集热器，即平板式、真空管式和集中式。其中，集中式太阳能集热器有最高的集热效率。本文采用这种太阳能集热器。
蓄热水箱被设计用于存储来自足够多的太阳辐射的剩余能量，以弥补辐射不足时的供热。例如，在晚上，它可以释放白天储存的热量，以满足用户对热水的需求。蓄热水箱的体积将决定集热效率。如果体积过小，水温会较高，集热能力较小，导致系统不稳定，不能满足用户需求；如果体积过大，水温会降低，燃气锅炉需要较长的启动时间，不适应天气变化。
热交换器主要用于传递热量，即将热量从太阳能收集器传递到供热系统。设计是否合理决定了系统的稳定性。本文采用油水板式换热器。具体型号应根据占期间的55.46%，这意味着辅助热源的使用时间一般在一半以上，单独的太阳能在冬天是不足以满足用户的热量需求。在本文中，根据住宅楼供热系统的初步统计，每平方米的成本30.54元。如果采用燃气供热系统，每平方米的成本将近10元。因此，这种太阳能和燃气组合供热系统显然是具有成本效益的，同时能够热交换器两侧的温度和液体流量来确定。还应根据传热油流量和水流量并结合这些泵的规格来选择油泵和水泵。
当太阳能单独用于供热时，具有热损失大、效率低、温度低等缺点，不能满足用户的要求。因此，建议将燃气与太阳能作为补充热源结合使用。本文采用燃气锅炉，具体型号可根据建筑物的平均热负荷选择。
2供热系统的运行模式
为了节能环保，随时满足用户的热需求，本文设计的系统提供多种操作模式。
当太阳能或蓄热水箱能够满足用户的热需求时，将尽可能少地使用燃气加热或完全关闭。具体模式为：太阳能供热、太阳能供热+储存、太阳能储罐组合供热和燃气供热。模式之间的开关将根据太阳能集热器的温度，储热水箱的温度设定值和热交换器两侧的温差来控制。油泵、水泵和阀门连接到温度传感器上，使得在不同模式之间，它们将在各自的温度设定点，触发开关自动地打开或关闭。
建筑物的热消耗和有效的集热能力与天气有关，天气越冷，消耗的热量越多，太阳能部分也随着热量消耗和集热能力的变化而变化。在最冷的时期，太阳能份额也很低，大概在20%以下。计算每日热采集效率，其维持在58-60%之间，波动小。太阳能集热器受到诸如天气等外部因素的影响较小，表明该设计方案中的供热系统具有良好的热收集性能。
系统各模式的运行统计资料如表2所示：
表2显示，在寒冷季节，燃气供热方式的运行时间满足用户的需求，节能环保。
3结论
为了减少供热系统对常规能源的利用，减轻环境污染，本文研究了结合太阳能和燃气的供热系统，提出了一种太阳能气体组合供热优化模型。
（一）本文提出的太阳能和燃气联合供热系统，可以利用太阳能和燃气的优点以适应天气和用户需求的变化。通过切换六种供热模式，可确保加热效率，同时降低能耗，减轻空气污染，节省成本。
（二）根據不同的住房条件，通过调节蓄热水箱的蓄热面积、统计数据和控制方式，可以优化系统，节约成本，同时满足热量需求
