吉林省冬季太阳能供暖气候可行性研究
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摘 要：2013-2014年冬季，在吉林省长春市进行了太阳能供暖试验。根据实验结果，利用吉林省50个观测站的气温和辐射量，研究在全省推广使用陶瓷太阳能板供暖的可行性。结果表明，太阳能供暖在吉林省可以提供45%以上的节能效果，具有良好的推广价值。但是其成本较高，若想达到18℃的城市供暖要求，供暖成本普遍在30元/m2以上。可通过改良供暖系统、选择经济的能量补充方式、政府补贴等方法降低其成本。
1 概述
东北地区冬季非常寒冷，供暖是需要在冬季解决的重点问题。目前东北城市供暖以热电联供为主，农村地区则以烧火炉、火炕为主。这两种方式都是以燃烧矿物质和秸秆为主，污染较大，是目前东北地区冬季雾霾天气频发的重要原因。
为探寻新型的供暖方式，我们在吉林省长春市进行了太阳能供暖试验。太阳能是取之不尽的清洁能源，但同时它也存在能量密度低、转换效率低等问题，如果解决好这些问题，太阳能供暖将很有发展前途。材料方面我们选用了新型的陶瓷太阳能板[1][2]；采光面积与供暖面积为1：2。经过1个供暖季的试验（2013年11月-2014年4月），结果表明在不低于10℃的供暖要求下，太阳能供暖系统提供了整个房屋供暖期需求热量的70%，陶瓷太阳能板的平均转换效率为19%，高于目前常用的太阳能热水器的玻璃真空管[3][4]。试验较好的完成了预定任务。
文章在供暖试验基础上，研究了太阳能供暖与各气象参数的关系，得出通用性计算方法，计算出吉林省全省各地区使用太阳能供暖的成本和能量供给比例，在不同气候状态下研究太阳能供暖的可行性。
2 资料与方法
2.1 资料
本文主要用到下列资料：
吉林省全省50站各月气温资料；
吉林省乾安气象站2009-2014年辐射量资料。
2.2 方法
为得出供暖与气候条件的关系，我们需构建热量平衡方程，并将等式两边转换为以气象参数为变量的函数。
热量平衡方程： QH=Q
方程中QH为热量散失速度，Q为热量补充速度。[5]
2.2.1 计算QH
QH=QHT+QINF
其中QHT为单位时间内通过建筑围护结构的传热量，QINF为单位时间内建筑物空气渗透耗热量。
QHT=Td×K×A
QINF=Td×V×？籽×C×N
其中Td为室内外温差，K为热传导系数，A为热传导面积，V为房屋换气体积，ρ为空气密度，C为空气比热熔，N为换气次数。[5]
QH=Td×K×A+Td×V×？籽×C×N 公式1[5]
公式1较为复杂，为尽可能的减少变量，我们建立一个简单的房屋模型，设定其室内面积为5m×10m=50m2，室内高度为3m，其墙壁厚度均为300mm，屋面厚度为200mm。窗户面积取JGJ26-2010中规定的最大面积（南面窗户占南墙的45%，北面窗户占北墙的25%，东西面不设窗户）。
计算得热传导面积A，并查得各部位热传导系数K。K取JGJ26-2010中规定的房屋传热系数上限限值，以计算在最不利条件下太阳能的供暖能力。结果见表1。
2.2.2 计算Q
（1）计算太阳能供暖系统提供的热量Qs
公式2中Qs为太阳能供热量，q为月平均辐射，b为转换效率，As为采光面积。
将采光与供暖面积之比设定为1：2和1：1两种，则S1=25m2、S2=50m2；月平均辐射q为乾安气象站观测所得斜面月平均太阳总辐射；根据实验结果，整个供暖期，陶瓷板太阳能供暖系统的平均转换效率在19%左右，在晴天情况下，气温、辐射量较低时，转换效率为14%，在辐射较好、温度较高的天气可以达到24%，则As=19%。
将各变量代入公式2，计算得供暖系统在不同月份供给的热量值，见表3。
（2）计算需要补充的热量Q
太阳能供暖提供的热量不足以支撑整个冬季的取暖，为此还需要有其他的供暖方式进行补充。
（3）计算供暖成本
为计算方便，我们选用电热作为太阳能供暖的补充热源。电热的热效率可取100%，将热量转换为电量并计算电费（吉林省电供暖电价为0.329元/kWh），电费与太阳能供暖系统的安装和维护费相加（陶瓷太阳能供暖系统安装费用为600元/m2，维护费用每年约200元，使用寿命为50年），则为供暖成本，计算结果见表4。
可见如果能将采光面积提高到与供暖面积相同，在10℃的供暖要求下，供暖成本将低于城市集中供暖（29元/m2）。其他的几种配置，供暖成本都较高。
利用上述方法计算出全省太阳能供暖的供热量及供热成本，以研究太阳能供暖在吉林省的气候可行性。各地区气温可以直接从气象台站获取，而辐射观测站较少，需要通过一定的方法推算全身辐射量分布情况。
（4）计算斜面辐射
根据刘新安[6]、于秀晶[7]等人的研究，计算得吉林省50个气象观测站的平均月总辐射量（1981-2010年）。
利用乾安县历史辐射资料（2009-2014年），计算得斜面辐射与平面辐射的比值。将该比值推广到全省使用，利用推算出的月总辐射量计算斜面平均月辐射量。
3 太阳能供暖在吉林省的气候可行性
利用吉林省各县斜面平均月辐射量、月平均气温、公式1、2、3，计算在吉林省全省使用太阳能供暖所能提供的热量和供暖成本。结果如下。
3.1 太阳能供暖所提供的热量
从图1可以看出，太阳能供暖供给的热量在吉林省呈现西部高（白城、松原、四平）、东南部高（白山）、中东部（长春、吉林、延边、通化）较低的形势。
需要注意的是，东南部山区的辐射分布很不均匀，山地的南坡辐射量较大，而北坡辐射量较小，因此实际中太阳能提供热量的分布也应随地形呈现出较大的变化，与图1的分布形式有较大区别。图1中所呈现的东南部山区的热量分布形式，可以代表辐射较充足的向阳坡的实际情况，具有参考价值。
而对于中西部来说，热量分布形式与总辐射量分布形式基本一致，计算所得结果对大部分地区都有较好的代表性。
3.2 太阳能供给热量占需求热量的比例（如图2）
可以看出，太阳能供热比例与太阳能供给能量的分布形式基本一致。在10℃的供暖要求下，采光面积与供暖面积之比为1：2时，太阳能供暖在全省都能提供43%以上的热量；而在18℃供暖要求下，采光面积与供暖面积之比为1：1时，太阳能供暖在全省都能提供57%以上的热量，在辐射较高的地区可以达到73%。仅就节能来看，太阳能供暖能够起到巨大的作用。
3.3 供暖成本（如图3）
可见太阳能-电热联合供暖的成本相对较高。如果想达到18℃的城市供暖要求，供暖系统的建设成本和电供暖的电费成本都会上升，对于吉林省大部分地区来说，供暖成本都会超过集中供暖的费用，在辐射较低的吉林市和延边市部分地区将达到40元/m2以上。
如果以10℃为供暖要求，采光面积与供暖面积设定为1：1，则供暖成本在20元/m2以下。
较高的成本主要是由电热成本高导致的，经计算，太阳能供暖的成本仅占总成本的32%-50%，所以如果采用其他更经济的热量补充方式，总体供暖成本可以控制在20元以下。
4 结论及讨论
（1）利用陶瓷太阳能板采集太阳能进行冬季供暖，在吉林省全省都可以达到45%以上的节能效果，节能效果较好。
（2）辐射是影响太阳能供暖效果最直接也是最重要的因素，辐射较高的地区供热量大，供暖成本低。气温也起到一定的影响作用，气温较高的地区供暖效果更好。
（3）试验中所利用的太阳
能-电热联合供暖方式，成本过高，不具备推广价值。这是由电热成本较高导致的，如果采用其他方式进行热量补充，成本可控制在20元以下。
（4）试验中得到的系统转换效率仍与陶瓷板的吸收效率有较大差距，应重新设计系统的保温层，改进循环系统，预期可达到40%的转换效率。供暖成本又可极大的下降。
（5）经走访，农村居民可接受的采暖费为10元/m2左右，我们的试验结果还有较大差距。东北地区太阳能供暖试验仍任重而道远，提高系统转换效率和优化能量补偿方式是未来的努力方向。
参考文献
[1]许建华，蔡滨，王启春，等.陶瓷太阳能房顶在建筑行业中的应用[J].佛山陶瓷，2014，7：4-6.
[2]陈贤伟，范新晖，周子松.陶瓷太阳能房顶在建筑行业中的应用[J].佛山陶瓷，2014，2：1-5.
[3]赵玉兰，张红，战栋栋，等.CPC热管式真空管集热器的集热效率研究[J].太阳能学报2007，28（9）：1022-1025.
[4]田琦.U型管式全玻璃真空管集热器热效率及性能研究[J].能源工程，2006，6：36-40.
[5]JGJ26-2010.严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].
[6]刘新安，范辽生，王艳华，等.辽宁省太阳辐射的计算方法及其分布特征[J].资源科学，2002，24（1）：82-87.
[7]于秀晶，胡轶鑫，梁洪海，等.吉林省太阳能资源及其利用区划的探讨[J].吉林气象，2008，3：29-31+48.
作者简介：姚立鑫（1985-），男，工程师，主要从事新能源开发利用工作。