论文部分内容阅读
摘要：太阳能采暖系统是以太阳能作为热源，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统。本文介绍了太阳能采暖系统原理及主要设备情况，并指出了系统设计中需要注意的一些问题。
关键词：太阳能集热器采暖系统 节能
中图分类号：TK511 文献标识码： A 文章编号：
1前言
随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在3300-8300MJ/(m2．a)[1]，全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2．4万亿标准煤，具有太阳能利用的良好条件。在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。
2 太阳能采暖系统及设备
太阳能采暖系统分为主动式和被动式两种[2]。被动式太阳能采暖的特点是通过建筑的朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分地收集、存储和分配太阳热，因而建筑物室内可以维持一定的温度，达到取暖的效果。被动式太阳能采暖在我国的东北及西北较寒冷地区发展很快。主动式太阳能采暖系统如图1所示，系统由太阳能集热器、供热管道、散热设备、储热设备和辅助能源等组成。通过太阳能集热器收集太阳辐射能，使其中的热媒被加热，热水沿供热管道送往热用户的散热设备，散热设备将热量散给房间。太阳能集热器相当于常规采暖的热源，当集热器的产热量不足时，则由辅助热源进行补充；当集热器的产热量超过用户的用热量时，则将多余的热量储存在储热器中。
图1 主动式太阳能采暖系统图
1. 太阳能集热器 2. 供热管道 3. 散热设备 4. 储热器 5. 辅助热源
2.1太阳能集热器
我国目前使用的太阳能集热器可分为两类：平板型和真空管型[3]。真空管型因构造的不同可分为:全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器、U形管真空管集热器等。由于太阳能采暖系统与建筑结合紧密，因而对集热产品与建筑的结合、故障率、使用寿命等性能要求较高，平板集热器结构简单，抗压，抗外力冲击，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑相结合。在热性能方丽，尽管平板集热器的保温性能不如真空管集热器，但由于其有效采光面大于真空管集热器，因此其热效率高于真空管集热器。平板型太阳能集热器具有采光面积大、结构简单、运行安全可靠、投资成本较低、维护管理方便、使用寿命长等优点，已应用于生活热水供应、供暖空调工程、温水养殖等领域。太阳能采暖工程中，非才能季能源过剩，真空管集热器易发生爆管、真空度降低等问题，而平板集热器则能较容易的解决这一问题。因此，目前太阳能采暖工程中，很多项目采用平板型集热器。
2.2储热水箱容积
集热器面积与蓄热水箱容积的合理配比, 对系统的运行、太阳能保证率有很大的影响。国外根据太阳能净保证率大小由太阳能系统提供的、最终传导到系统中的热量与整个热水采暖负荷的比值, 将保证率在35%以内的系统称为部分保证太阳能采暖系统, 在70%以上的系统称为全部保证太阳能采暖系统。应根据系统的太阳能保证率, 选择合适的集热器面积与蓄热水箱容积。为了达到70%的太阳能保证率，需要考虑季节性蓄热设备。将夏天的热量储备，可供冬季采暖使用。国外的集热器面积与水箱容积配比的经验数据为[4]：
集热器面积估算：每10m2建筑面积配比1.5~3m2平板集热器, 或1~2m2真空管集热器。
蓄热水箱容积:每m2集热器吸热面积需要配备250-1000L的蓄水设备
2.3辅助能源
太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性和不稳定性，因此在太阳能采暖系统中，必须设置辅助热源。辅助热源要根据当地太阳能资源条件，常规能源的供应状况，建筑物热负荷和周围环境条件等因素，做综合经济性分析，以确定适宜的辅助热源及合理的太阳能供暖比例。太阳能采暖中可以选择的辅助热源主要有小型燃油(气)锅炉，城市热网或区域锅炉房、工业废热、电锅炉、电热管、地源热泵及生物质燃料等。
2.4采暖末端
太阳能由于热密度较低，集热温度很难达到较高水平。普通散热器热媒温度要求较高(70℃以上)，而太阳能系统不易达到该出水温度要求，因此，在太阳能采暖系统中，通常采用地板辐射采暖的末端供热方式。地板采暖所需要的低温热水在35-55℃之间，正好是太阳能集热器所能提供的适合温度。地板采暖系统以整个地面作为散热面，热量主要以辐射方式传播，与以对流散热为主的散热器系统相比，舒适性更好，脚暖头凉的热感觉更符合人体的生理学调节特点，且可以在比末端采用散热器的系统低2-3℃的情况下获得同样的舒适感，节省供热能耗。夜间采暖负荷一般大于白天，但夜間却无太阳辐射，具有蓄热功能的地板采暖方式是非常适合的。因此，目前太阳能采暖系统普遍采用地板辐射散热系统作为末端。
3 太阳能采暖系统设计需注意的几个问题
（1）太阳能保证率
太阳能保证率是指太阳能提供的能源占采暖系统所需总热量的比例。对于太阳能系统，其保证率一般在20%-60%，国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率，甚至出现采暖系统所需的热量全部由太阳能提供，但从系统投资回报来说，太阳能保证率在30%-50%比较好。对于太阳能保证率较高的系统，必须考虑储热问题，但季节性储热会大大增加初投资。
（2）太阳能系统与建筑一体化
太阳能集热器是太阳能供暖系统的关键部件，在建筑设计过程中要预先考虑怎样把集热器很好的与建筑融为一体，实现建筑合理化、美观化。太阳能集热器安装在室外，水箱放在室内，控制系统控制太阳能热水系统的工作。集热器在室外的安装主要方式有：屋面架设式、阳台式、遮阳棚式、屋面嵌入式、南立面式、屋面构件式。在整个系统中，除太阳能集热器外，其余部件都在常规建筑水暖设计中相对比较成熟，所以关键是要改善太阳能集热器的性能、质量，使之适应建筑一体化的要求。这种太阳能热水系统是有压系统，所以首先要提高太阳能集热器的承压性能；其次，集热器应能抗冻、抗雨雪、抗冰雹，其结构形式应便于维护修理，更换损坏的部件。
（3）系统的过热问题
采暖系统集热器面积较大，非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需热量，因此会出现过热问题。如果设计不当，会造成系统温度高于系统部件工作允许温度，导致部件寿命缩短和连接件漏水，甚至会产生安全问题。解决系统过热的措施有：a、排水散热：在水箱出水口安装一个电磁阀，电磁阀另一端接排水管。当蓄热水箱的下部温度超过某一极限设计值时，打开电磁阀，将水箱内的热水排出，同时补充新处理过的冷水，与高温热水混合，降低水箱内温度。这样集热器产生的热量可以再传入水箱，换热后的传热介质重新流入集热器，降低了集热器的温度，解决了过热问题。需要注意的是最好使用经过水处理的传热介质，否则会由于高温结垢导致电磁阀等设备非正常启动而无法达到保护目的。b、集热器排空：当水泵停止运行时，集热器内的传热介质全部流回排空水箱，可有效解决过热问题。c、晚间散热：夜间太阳能集热器循环水泵运行，通过集热器和管道散热，降低水箱下部的温度，避免长时间的集热器过热。d、膨胀罐定压方法：在循环管路上安装膨胀罐，当传热介质受热膨胀后，传热介质可从集热器内排出，储存在膨胀罐内，仅剩余较少的液体在集热器内被气化。
4、结语
太阳能采暖系统的规模化应用是降低我国建筑采暖能耗的重要途径。相信随着太阳能技术的逐步成熟和工程实践中经验的不断积累，我国太阳能热利用技术发挥出更大的优势，不仅能解决建筑热水的供应问题，而且能满足人们对采暖、空调的要求，实现太阳能建筑的规模化、产业化。
参考文献
[1]王倩，高新宇，太阳能采暖系统应用现状与发展[J]，区域供热，2009，1期。
[2]刘舰，董傲霜，崔鹏，刘强，太阳能在建筑中热利用的几个问题，辽宁工业大学学报（自然科学版），2009，第3期。
[3]刘华斌，马友才，周珣树，姜毅，太阳能供暖空调系统设计探讨，暖通空调，2009，第3期。
[4]史葱葱，低能耗建筑太阳能采暖热水系统实例设计分析（上），太阳能与建筑，2008。
关键词：太阳能集热器采暖系统 节能
中图分类号：TK511 文献标识码： A 文章编号：
1前言
随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在3300-8300MJ/(m2．a)[1]，全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2．4万亿标准煤，具有太阳能利用的良好条件。在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。
2 太阳能采暖系统及设备
太阳能采暖系统分为主动式和被动式两种[2]。被动式太阳能采暖的特点是通过建筑的朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分地收集、存储和分配太阳热，因而建筑物室内可以维持一定的温度，达到取暖的效果。被动式太阳能采暖在我国的东北及西北较寒冷地区发展很快。主动式太阳能采暖系统如图1所示，系统由太阳能集热器、供热管道、散热设备、储热设备和辅助能源等组成。通过太阳能集热器收集太阳辐射能，使其中的热媒被加热，热水沿供热管道送往热用户的散热设备，散热设备将热量散给房间。太阳能集热器相当于常规采暖的热源，当集热器的产热量不足时，则由辅助热源进行补充；当集热器的产热量超过用户的用热量时，则将多余的热量储存在储热器中。
图1 主动式太阳能采暖系统图
1. 太阳能集热器 2. 供热管道 3. 散热设备 4. 储热器 5. 辅助热源
2.1太阳能集热器
我国目前使用的太阳能集热器可分为两类：平板型和真空管型[3]。真空管型因构造的不同可分为:全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器、U形管真空管集热器等。由于太阳能采暖系统与建筑结合紧密，因而对集热产品与建筑的结合、故障率、使用寿命等性能要求较高，平板集热器结构简单，抗压，抗外力冲击，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑相结合。在热性能方丽，尽管平板集热器的保温性能不如真空管集热器，但由于其有效采光面大于真空管集热器，因此其热效率高于真空管集热器。平板型太阳能集热器具有采光面积大、结构简单、运行安全可靠、投资成本较低、维护管理方便、使用寿命长等优点，已应用于生活热水供应、供暖空调工程、温水养殖等领域。太阳能采暖工程中，非才能季能源过剩，真空管集热器易发生爆管、真空度降低等问题，而平板集热器则能较容易的解决这一问题。因此，目前太阳能采暖工程中，很多项目采用平板型集热器。
2.2储热水箱容积
集热器面积与蓄热水箱容积的合理配比, 对系统的运行、太阳能保证率有很大的影响。国外根据太阳能净保证率大小由太阳能系统提供的、最终传导到系统中的热量与整个热水采暖负荷的比值, 将保证率在35%以内的系统称为部分保证太阳能采暖系统, 在70%以上的系统称为全部保证太阳能采暖系统。应根据系统的太阳能保证率, 选择合适的集热器面积与蓄热水箱容积。为了达到70%的太阳能保证率，需要考虑季节性蓄热设备。将夏天的热量储备，可供冬季采暖使用。国外的集热器面积与水箱容积配比的经验数据为[4]：
集热器面积估算：每10m2建筑面积配比1.5~3m2平板集热器, 或1~2m2真空管集热器。
蓄热水箱容积:每m2集热器吸热面积需要配备250-1000L的蓄水设备
2.3辅助能源
太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性和不稳定性，因此在太阳能采暖系统中，必须设置辅助热源。辅助热源要根据当地太阳能资源条件，常规能源的供应状况，建筑物热负荷和周围环境条件等因素，做综合经济性分析，以确定适宜的辅助热源及合理的太阳能供暖比例。太阳能采暖中可以选择的辅助热源主要有小型燃油(气)锅炉，城市热网或区域锅炉房、工业废热、电锅炉、电热管、地源热泵及生物质燃料等。
2.4采暖末端
太阳能由于热密度较低，集热温度很难达到较高水平。普通散热器热媒温度要求较高(70℃以上)，而太阳能系统不易达到该出水温度要求，因此，在太阳能采暖系统中，通常采用地板辐射采暖的末端供热方式。地板采暖所需要的低温热水在35-55℃之间，正好是太阳能集热器所能提供的适合温度。地板采暖系统以整个地面作为散热面，热量主要以辐射方式传播，与以对流散热为主的散热器系统相比，舒适性更好，脚暖头凉的热感觉更符合人体的生理学调节特点，且可以在比末端采用散热器的系统低2-3℃的情况下获得同样的舒适感，节省供热能耗。夜间采暖负荷一般大于白天，但夜間却无太阳辐射，具有蓄热功能的地板采暖方式是非常适合的。因此，目前太阳能采暖系统普遍采用地板辐射散热系统作为末端。
3 太阳能采暖系统设计需注意的几个问题
（1）太阳能保证率
太阳能保证率是指太阳能提供的能源占采暖系统所需总热量的比例。对于太阳能系统，其保证率一般在20%-60%，国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率，甚至出现采暖系统所需的热量全部由太阳能提供，但从系统投资回报来说，太阳能保证率在30%-50%比较好。对于太阳能保证率较高的系统，必须考虑储热问题，但季节性储热会大大增加初投资。
（2）太阳能系统与建筑一体化
太阳能集热器是太阳能供暖系统的关键部件，在建筑设计过程中要预先考虑怎样把集热器很好的与建筑融为一体，实现建筑合理化、美观化。太阳能集热器安装在室外，水箱放在室内，控制系统控制太阳能热水系统的工作。集热器在室外的安装主要方式有：屋面架设式、阳台式、遮阳棚式、屋面嵌入式、南立面式、屋面构件式。在整个系统中，除太阳能集热器外，其余部件都在常规建筑水暖设计中相对比较成熟，所以关键是要改善太阳能集热器的性能、质量，使之适应建筑一体化的要求。这种太阳能热水系统是有压系统，所以首先要提高太阳能集热器的承压性能；其次，集热器应能抗冻、抗雨雪、抗冰雹，其结构形式应便于维护修理，更换损坏的部件。
（3）系统的过热问题
采暖系统集热器面积较大，非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需热量，因此会出现过热问题。如果设计不当，会造成系统温度高于系统部件工作允许温度，导致部件寿命缩短和连接件漏水，甚至会产生安全问题。解决系统过热的措施有：a、排水散热：在水箱出水口安装一个电磁阀，电磁阀另一端接排水管。当蓄热水箱的下部温度超过某一极限设计值时，打开电磁阀，将水箱内的热水排出，同时补充新处理过的冷水，与高温热水混合，降低水箱内温度。这样集热器产生的热量可以再传入水箱，换热后的传热介质重新流入集热器，降低了集热器的温度，解决了过热问题。需要注意的是最好使用经过水处理的传热介质，否则会由于高温结垢导致电磁阀等设备非正常启动而无法达到保护目的。b、集热器排空：当水泵停止运行时，集热器内的传热介质全部流回排空水箱，可有效解决过热问题。c、晚间散热：夜间太阳能集热器循环水泵运行，通过集热器和管道散热，降低水箱下部的温度，避免长时间的集热器过热。d、膨胀罐定压方法：在循环管路上安装膨胀罐，当传热介质受热膨胀后，传热介质可从集热器内排出，储存在膨胀罐内，仅剩余较少的液体在集热器内被气化。
4、结语
太阳能采暖系统的规模化应用是降低我国建筑采暖能耗的重要途径。相信随着太阳能技术的逐步成熟和工程实践中经验的不断积累，我国太阳能热利用技术发挥出更大的优势，不仅能解决建筑热水的供应问题，而且能满足人们对采暖、空调的要求，实现太阳能建筑的规模化、产业化。
参考文献
[1]王倩，高新宇，太阳能采暖系统应用现状与发展[J]，区域供热，2009，1期。
[2]刘舰，董傲霜，崔鹏，刘强，太阳能在建筑中热利用的几个问题，辽宁工业大学学报（自然科学版），2009，第3期。
[3]刘华斌，马友才，周珣树，姜毅，太阳能供暖空调系统设计探讨，暖通空调，2009，第3期。
[4]史葱葱，低能耗建筑太阳能采暖热水系统实例设计分析（上），太阳能与建筑，2008。