文献综述

太阳能在采暖系统中的应用

（河北科技师范学院机电科学与工程系）

摘要：太阳能供热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。本文的研究主要是设计了一种太阳能采暖系统，该系统主要由集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统、管道系统和其他能源辅助加热（换热）设备集合构成[1]，详细分析了太阳能供热利用技术，并根据市场太阳能供热工程中存在着设计不合理、建筑室内温度达不到舒适要求、初投资高等问题，提出了一种新型的太阳能采暖热水复合系统及其工作原理，该系统满足室内冬季供暖的同时提供用户一年四季热水的需要，具有广泛的应用前景。

关键词：太阳能；采暖系统；集热系统；蓄热系统

引言：近年来，随着国家经济的快速发展，常规能源的大量消耗和日趋枯竭，已经严重影响了人类社会的可持续发展[2]，因此节能问题在供暖系统的设计中越来越被人们重视。太阳能是永不枯竭的清洁能源，有着矿物能源不可比拟的优越性，既是近期急需的能源补充，又是未来能源的基础。我国对太阳能的利用始于20世纪70年代，30多年来我国各种太阳能利用技术获得了不同程度的发展。国家经贸组织制定《2000-2015年新能源与可再生能源产业发展规划重点》指出：我国今后将大力发展太阳能等新能源[3]，在建设部指定的《中国“住宅阳光计划”纲要》（草稿）中提出：根据当前太阳能技术与产业条件，考虑到今后发展趋势，结合我国住宅建设的实际情况，太阳能低温热水地板辐射采暖技术是实施中国“住宅阳光计划”的重点优先领域之一[4]，其中太阳热能为建筑物供热采暖可以获得非常良好的节能和环境效益，长期以来，一直受到世界各国的普遍重视，成为了太阳能热利用的趋势之一。

1 太阳能供热采暖系统国内外研究现状

太阳能采暖系统是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖和热水供热需求的系统，因此常称为太阳能联合系统（Solar Combined System）[5].一般而言，太阳能供暖可分为主动式和被动式两种方式，其中主动采暖被人类利用较晚[6]。20世纪8年代，以德国为代表的欧洲为代表的欧洲国家开始大规模的应用太阳能供热技术[7]。近年来，欧盟国家的太阳能供暖增长迅猛，约占全球太阳能热利用市场的40%--50%[8]。随着我国能源与环境问题的加剧，人们也逐渐重视太阳能供暖方式，已经相继在北京、西藏等地完成了一批太阳能供暖项目，如清华阳光公司办公楼、北京太阳能研究所办公楼、西藏科技厅办公楼和平谷新农村村民住宅等，取得了良好的经济效益和社会效益[9]。

2 太阳能采暖技术的可行性

今年来，我国建筑住宅得到了跨越式的发展，居住条件大有改善，但是冬季采暖是一个尚未解决的问题。目前，南方地区大多采用燃煤碳取暖，能耗大且不卫生；北方地区大多采用土炕、土煤炉采暖，还有很多地区尚无采暖设备，仅靠燃烧薪柴驱寒，过度砍伐加剧了水土流失、生态坏境的恶化。

太阳能作为一种可再生的清洁能源，无需开采和输运，方便安全必将成为人类主要能源之一，其低廉、安全、环保等特点符合新农村建设的客观要求[10]。我国北方地区大多处于太阳能丰富的二类地区，空气透明度高，辐照量足。这为在北方推广太阳能采暖技术提供了重要的依据[11]。

3 太阳能采暖技术的特点

太阳能采暖系统，既可以向用户提供生活洗浴热水，也可以满足用户冬季室内供暖要求。一般由太阳能集热器、蓄热水箱、循环水泵及管路、控制系统、辅助热能及室内末端散热设备等组成[12]。

流程图如图1所示。集热系统主要由集热器、换转盘管、循环泵、分水泵、辅助热源和众多阀门组成，采暖系统由采暖地板盘管、分水器、采暖循环泵和生活用水口等组成[13]。系统工作时，集热系统中防冻液在集热器与换热盘管间温差控制下全自动强制循环以加热水箱，然后利用采暖循环泵进行地板辐射采暖。系统还配有自动控制系统，以控制集热器和辅助加热系统，在日照不足时，自动启动辅助热源加热系统，使热水温度保持在设定值，保证阴雨天和晚上居民的用热需要，最大限度的实现了系统的节能与优化[14]。该系统有以下几个特点：

图1 太阳能直接采暖系统流程图

3.1采用低温热水地板辐射采暖

用低温热水流经埋入地板的盘管，释放热量，加热土壤，是辐射均匀传至室内，梯度合理，符合人体脚暖头凉的生理要求。在保持同样舒适感的前提下，地板辐射时室内设计温度可比传统采暖方式降低了2-3℃,节省供热能耗[15]。

3.2 将水箱设计成垂直分层形式

利用水在不同温度下的密度差实现水箱温度分区，底部的水温低，上部水温高。太阳能集热器与水箱下部相连，地板辐射采暖的供水温度较低，一般在30—40℃，与水箱中部相连；生活热水系统同水箱上连通，供水温度50--60℃，可满足日常生活需要[16]。

3.3 采暖双循环系统

以防冻液作为集热系统循环介质，避免集热器冻裂。集热系统和采暖系统分开运行[17]，分设铜管换热器、控制器检测水箱与集热温度差，达到指定指标便启动循环泵，低于设定指标便自动停泵。

3.4 采用辅助热源

由于太阳能自身的特点，生物质能应为较理想的辅助加热方式，以满足用户对热舒适度的要求。采用自动控制系统切换，保证阴雨天和晚上用户的热需要，最大限度的实现系统节能与优化[18]。

3.5 太阳能系统与建筑的一体化

该系统建筑结构和太阳能设备构造合理、整体和谐、不影响建筑美观又可以节省能源，符合功能化、没观花和生态化的发展方向。把储热水箱和循环泵放在居民厨房屋顶上，控制器放在厨房中，管线布置方便，损耗小。集热器的倾角与房屋倾角一致，嵌入屋顶中形成一体，美观大方[19]。

4 太阳能采暖效益分析

4.1 经济效益

以菩萨鹿村某居民住宅采暖系统为例，住宅面积约150㎡，采用地板辐射采暖系统，供回水温度45℃/35℃，室内外管路相同[20]。不同之处在于热源，各方案热源分别燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、低温电热膜辐射采暖。由图2可知，利用太阳能采暖可节省较多采暖费用，优势明显。