太阳能供暖系统设计

太阳能供暖系统设计
摘要：阐述了太阳能供暖系统的组成、运行原理、主要设计参数和经济效益等，并介绍了一个太阳能供暖系统的实测情况。

欧洲各国对太阳能供暖给予了较高的重视，已规模化推广，到2005年共安装1536万m2太阳能集热器，太阳能供暖系统使用集热器约占集热器总量的20％，每年新建太阳能供暖系统约12万个，可节约常规能源20％～60％。

在国外，太阳能供暖已成为太阳能热利用的主要发展方向，国际能源机构在2001年指出，全球的太阳能供暖系统每年提供的能量折合电力约为4.2万MWh。

太阳能供暖技术对我国建筑节能有着非常积极的作用，是今后太阳能光热利用的新方向。

1太阳能供暖系统设计
1.1太阳能供暖系统简介
太阳能供暖系统主要由4部分组成：1)热量提供部分，太阳能集热器和辅助加热设备；
2)储热换热部分，储热水箱和换热设备；3)热量使用部分，供暖末端；4)控制部分，系统控制器。

太阳能供暖系统不同于太阳能热水系统，主要体现在以下几个方面：1)季节性使用明显，系统利用率低；2)供热需求量大，供暖季随时问变化明显；3)系统热媒温度根据不同的供暖形式而变化；4)冬、夏平衡问题，冬季需热量大，太阳能辐照量少，夏季需热量小，太阳能辐照量大。

1.2太阳能供暖系统运行原理
太阳能供暖系统在供暖季提供部分供暖热量，非供暖季提供足量生活热水，全年充分利用太阳能资源。

因此，太阳能供暖系统也常称为太阳能联合系统(solarcombisystem)。

系统运行原理如图1所示。

1)系统运行原理
太阳能集热循环：太阳能集热循环为温差控制、强制循环的落空系统。

系统通过比较太阳能集热器和水箱的温度控制集热器循环泵启停，当集热器温度高于水箱温度设定值时，循环泵启动，太阳能集热器不断将水箱中的热水加热；当温差低于设定值时.循环泵停止，室外太阳能集热器和管路中的水受重力作用落回水箱(要求集热器比水箱位置高)，防止反向散热，并达到冬季防冻的目的。

辅助加热循环：辅助加热为温度控制。

系统通过检测水箱中的温度是否达到设定温度，确定辅助热源是否开启。

2)系统特点
①采用套筒式水箱，满足供暖和生活热水的不同要求。

储热水箱由外层供暖水箱和内部热水箱组成，供暖水箱为开式非承压水箱，内部热水箱为承压水箱。

热水箱为承压顶水使用，提高了热水使用的舒适性，同时，春夏秋可利用供暖水箱中的热量，增加了热水量。

②太阳能循环采用一次循环、排空系统，在提高系统效率、减少系统投资的同时满足了冬季防冻要求。

系统不同于国外的二次循环系统，供暖水箱中的热水通过循环管路直接和太阳能集热器进行循环，取消了中间换热过程，提高了系统效率；采用系统落空技术替代国外采用防冻液防冻的方式，减少了系统投资，防冻简单、可靠。

③太阳能循环系统采用非承压系统，解决了夏季闭式二次循环系统高温、高压容易给系统管路和设备造成损坏的问题，提高了系统供暖的可维护性和使用寿命。

国外闭式二次循环太阳能供暖系统形式如图2所示。

1.3太阳能集热器与供暖方式的搭配
目前国内太阳能集热器主要有平板型、全玻璃真空管、热管真空管3种类型。

供暖方式主要有散热器供暖、低温地板辐射供暖和风机盘管3种。

由于每种集热器和供暖方式均有各自的运行温度，因此如何搭配太阳能集热器和供暖方式，决定了系统是否能够有效运行，尽可能利用太阳能资源。

1)从得热性能上分析
集热器的选择主要从其得热性能来分析，3种集热器不同进口温度下的效率曲线如图3所示。

从图3中可以看出，各种供暖方式宜采用不同的太阳能集热器，情况如表1所示。

另外，从图3可以看到，太阳能集热器在低温段工作时具有良好的集热性能，随着工作温度的提高，集热性能呈下降趋势，因此，从最大限度利用太阳能资源角度考虑，选择工作温度较低的低温热水地板辐射供暖方式最为理想。

2)从系统运行安全可靠性考虑
太阳能供暖系统有一个冬夏平衡问题，在非供暖季，由于系统所需负荷减少，太阳能集热器会长时间处于空晒、闷晒的不利条件下，太阳能系统会产生过热问题。

在这种环境下要保证集热器长时间安全、可靠地运行，必须选择合适的太阳能集热器并采取相应的保证措施。

根据太阳能集热器的集热特性，平板型集热器冬季在75℃左右，夏季9O℃左右，集热效率接近于零，达到吸热与散热自平衡状态，本身就解决了系统的过热问题。

而其他两种真空管集热器，则必须加装相应的散热装置才能解决系统的过热问题，增加了系统的复杂程度和造价。

因此，从系统运行安全可靠性考虑，平板型集热器是太阳能供暖系统的最佳选择。

3)太阳能集热器与供暖方式的最佳搭配
通过以上两个因素的分析，可以得出：在一般寒冷地区，如果系统在夏季除热水以外没有热量消耗，太阳能平板型集热器和低温热水地板辐射供暖是最佳的搭配方式。

这种搭配既符合太阳能集热器的集热特性，又简单地解决了系统在非供暖季的过热问题，保证了系统长时间运行的安全可靠性。

1.4太阳能集热器面积与供暖面积的配比
太阳能集热器面积与供暖面积的配比要考虑以下3个问题：1)太阳能的节能率；2)建筑的供暖负荷；3)系统的经济效益。

以北京地区为例，采用平板型集热器和低温热水地板辐射供暖系统，在不同配比(太阳能集热器面积／供暖面积)下，太阳能系统在冬季供暖能耗中的节能比例如表2所示。

考虑热负荷指标为50W/m2的200m2建筑，采用平板型集热器，太阳能集热器面积与供暖面积在不同配比下，建筑的供暖耗热量、热水耗热量、太阳能的供热量及与电相比的系统回收年限如表3所示。

由表2和表3可以看出，太阳能集热器面积与供暖面积的不同配比有以下两大特点：1)太阳能集热器面积增大，贡献率增加，但由于在非供暖季设备有更多的闲置，其表3太阳能集热器面积与供暖面积不同配比下太阳能系统的回收年限注：太阳能部分增加的投资指除去常规供暖末端、辅助加热后的费用。

综合回收年限增加；2)节能建筑更适合采用太阳能供暖系统。

太阳能集热面积太小.起不到应有作用；面积太大，经济效益降低。

因此，根据国内、外经验，综合考虑各种因素，太阳能系统的供暖贡献率宜取60％以下，太阳能集热器面积与供暖面积的配比应控制在1：5至1：10之间。

2太阳能供暖项目实施与测试
2005年末，在北京市平谷区某村共建设了单体别墅型太阳能供暖系统71个，并于2005年12月至2006年1月进行了为期两周的实际测试。

2.1项目概况
别墅采用太阳能+生物质供暖炉，结合低温热水地板辐射供暖形式，提供居民冬季供暖和四季生活热水供应。

单栋建筑供暖面积接近200m2，供暖负荷指标约35W/m2，平板型太阳能集热器面积每户28m2。

计算得到的系统节能情况如图4所示。

2.2测试结果
测试表明，在太阳能和辅助供暖炉共同作用下，可保证室内温度18℃以上；夜晚供暖系统停止运行，环境温度在-9～-5℃时，整个夜晚室温下降2～3℃；停止辅助能源系统，晴天
室温可达到11～15℃，多云天气室温可达到10～12℃。

整个冬季运行表明，以平板型集热器组成的供暖系统，采用落空式防冻设计可以保证冬季系统安全运行，即使在意外停电情况下也可保证系统防冻。

3太阳能供暖系统与建筑的结合
3.1安装方式
在实际的太阳能供暖项目中，太阳能集热器可采用嵌入屋面瓦中、安装在屋面瓦上、安装在南立面上、安装在大倾角坡屋面上(更利于冬季吸收太阳能)等多种方式。

3.2注重和建筑同步设计
在实际工程项目中，如果在建筑设计时没有考虑太阳能系统的安装，在施工中会遇到诸如屋顶集热器安装预埋、管道布置、设备间选取、供水供电等各种问题。

因此，在建筑设计时必须同步考虑太阳能系统的设计、安装，才能保证施工的顺利进行及系统的质量。

4结论
4.1太阳能供暖系统冬季提供部分供暖热量、非供暖季提供足量生活热水，方案切实可行，是今后太阳能光热利用的重要趋势之一。

4.2太阳能平板型集热器搭配低温热水地板辐射供暖系统是理想的组合方式，解决了太阳能供暖系统夏季过热的问题，最大限度地利用了太阳能资源。

4.3综合考虑供暖效果和经济效益，太阳能供暖系统的规模不宜太大，太阳能贡献率一般控制在60％以下，太阳能集热器面积和建筑供暖面积比值一般在1：5至1：10之间。

4.4节能建筑更适合采用太阳能供暖系统。

4.5为了保证系统施工质量和建筑美观，太阳能供暖系统必须和建筑设计同步进行，力争达到太阳能建筑一体化。