太阳能在采暖系统中的应用

太阳能在采暖系统中的应用

【摘 要】 太阳能采暖系统是一种满足住户采暖和热水供热需求的新型太阳能热水系统，是太阳能热利用技术的延伸。文中介绍了太阳能采暖系统的构成和太阳能采暖系统国内外现状以及太阳能采暖技术及设备。

Abstract: As an extension of the current solar thermal technology. Solar heating is a new kind of solar hot water system to meet both heating and hot water residential demand. The article covers it constitution, current status and related technology and equipment

【关键词】 太阳能 采暖系统 现状技术设备

Key Words: solar, heating, status, technology, equipment 引言

20世纪90年代，温室气体排放造成的全球变暖问题引起了国际社会的高度重视和广泛关注，利用可再生能源替代常规能源是改变目前的能源结构最有效的途径。采暖在国内建筑用能中占据较大份额，北方地区采暖占家庭能耗的一半以上，同时利用原煤作为采暖能源是造成冬季大气污染的主要根源。因此，减少和替代采暖用煤最有效的途径是推广使用太阳能采暖等可再生能源技术。

一、太阳能采暖系统概况

1.1太阳能采暖系统

太阳能采暖系统，由集热、蓄热、供热子系统和辅助热源组合而成，供热子系统就是常规的采暖系统，集热子系统由太阳能集热器和循环系统所组成，在不能取得太阳热或蓄热量不能满足需要时，则由辅助热源供给采暖负荷，太阳能采暖系统一般采用温度较低的平板型集热器(通常以30—60℃的水作为介质收集太阳热)，蓄热材料以水和卵石床最为常见。辅助热源有燃料式和电气式两种。供热系统可以是常用暖气片、风机盘管、顶棚辐射板、地面辐射板等。冬季太阳能供暖系统的集热温度为40℃左右，顶棚辐射(水温可在35℃左右)和地面辐射板(水温在25—30℃也能运行)对太阳能利用比较合适，但地暖设备费用高，安装施工与维修困难，一般说来，只要选择较好的散热设备，利用其它方式采暖也能满足一定的舒适要求，所以不一定局限于地板辐射。

1.2国外应用现状

欧洲、北美对太阳能供热(热水、采暖)系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推

广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的20—50％；以色列80％住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度27米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。丹麦Marstal太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积1．83万m2，与社区热力网连接，1996年建成运行，年热负荷28GWh/y，同时使用2100m3水箱、4000m3水容量砂砾层及10000m3地下水池蓄热。

1．3国内应用现状

我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达l亿平方米，生产量和使用量居世界第一。虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大、维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。

二、太阳能采暖系统原理

太阳能采暖系统是指以太阳能作为采暖系统的热源，利用太阳能集热器将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统。太阳能采暖可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能采暖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收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热设备集合构成，相比于被动式太阳能采暖，其供热工况更加稳定，但同时，投资费用也增大，系统更加复杂。随着经济和社会的发展，主动式太阳能采暖开始大规模应用。

2.1运行原理

太阳能集热循环：太阳能集热循环为温差控制，强制循环的落差系统。系统通过比较太阳能集热器和水箱的温度控制集热循环泵启停，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，防止反向算热，并达到冬季防冻的目的。

太阳能采暖系统原理图

2.2太阳能供热采暖系统实例介绍

位于北京天普太阳能集团工业园的新能源示范楼总建筑面积8000m2，采用太阳能、热泵系统相结合，以满足大楼夏季空调、冬季供暖的需要，系统冬季由太阳能集热器陈列、热泵机组、蓄热水池和自动控制系统等部件组成。采暖时，优先使用太阳能集热器向1200m3的地下蓄水池存贮热能，热泵吸收车间冷却水中的热量作为辅助热源。在1月1日至3月15日的冬季，该系统的太阳能集热系统工作了443．5h，向地下蓄能水池存储能量32762．9kWh；辅助热源热泵工作675h，蓄热299025kWh，系统共蓄热331787．9kwh，消耗电能93644．5kwh．能耗比达到3．54，太阳能／热泵系统方案达到不排放CO2，显示了系统的节能效益和社会效益。

三、太阳能采暖技术及设备

3.1辅助能源

太阳能辐照强度随着时间、季节和天气是显著变化的，大部分的太阳能采暖系统需配备辅助能源系统，当阴天、夜晚等太阳能满足不了采暖需求时，由辅助能源系统提供全部或部分热能。辅助能源系统有：①燃煤锅炉；②燃油或气锅炉；③电锅炉；④生物质锅炉等。以上辅助能源按出力调控方式不同分两类：一类是可及时控制的能源，如燃油或燃气锅炉、电锅炉和带燃烧器的生物质锅炉；另一类是非及时控制的能源，如燃煤锅炉和烧劈柴锅炉等。在采暖系统设计中，对于非及时控制的辅助能源，可以利用容量较大水箱进行储热缓冲，保证采暖系统进水温度波动较小，提高采暖的舒适度和便于对水泵和控制阀等部件的控制。

3.2太阳能保证率

太阳能保证率是指太阳能提供的能源占系统热水和采暖所需总热量的比例。对于太阳能采暖系统，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，甚至实现热水和采暖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，不推荐使用。

3.3系统的防冻问题

太阳能采暖系统是一个四季运行的系统，系统须考虑冬季的防冻问题，采取的方案有：①集热器回路传热工质采用防冻液；②落水式排空防冻系统；③夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻；④敷设电热带防冻。

3.4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要热量，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：①集热器排空；②集热器闷晒运行；③设计散热系统，以保证系统在安全温度下运行。

3.5采暖系统的储热水箱

太阳能集热系统、热水系统和采暖系统对工作温度要求是不同的：太阳能集热系统的工作温度越低，热效率越高，因此系统设计中应尽量降低太阳能集热系统工作温度，太阳能采暖适宜采用低温地板采暖系统，供水温度在40℃左右；生活热水供水温度为50℃～60℃。为实现不同的供水温度要求，太阳能采暖系统一般采用垂直分层水箱。垂直分层水箱工作原理是利用水在不同温度下的密度差，实现同一水箱可以产生不同的温度分区，即低温的水位于水箱底部，高温的水位于水箱上部时，并可以相互不掺混。分层水箱下部布置与太阳能集热器相连的换热器；中部水温适合于采暖，与采暖系统相连；上部水温最高，布置生活热水的换热器。

3.6系统换热设计

太阳能采暖系统之间换热利用换热器实现，换热器种类有：①盘管式换热器；②套筒式水箱壁面换热；③板式换热器。盘管式换热器是太阳能采暖系统使用最广泛的换热方式，目前使用的材料有铜管、不锈钢波纹管和耐高温塑料管，为提高换热能力，很多厂家使用外翅片管；套筒式水箱是把生活热水水箱放置在储热水箱中，利用内置生活水箱的壁面进行换热；外接板式换热器一般适合集热器面积较大的系统，换热器两侧的工质采用强制循环，优点是换热能力不受换热水箱大小的制约，缺点是换热温差较小。

3.7采暖系统的控制

采暖系统的控制主要是根据系统各部分的温度控制水泵和阀门。例如：①集热器回路控制：当集热器出水温度高于储热水箱的换热器处水温时，开启集热器系统循环水泵，否则关闭；②防冻控制：当集热器进水温度低于设定温度(如4℃)，开启水泵进行温循环防冻或排空系统工质；③防过热控制：当储热水箱温度高于设定温度(如75℃)，关闭集热器系统循环水泵使集热器系统进入闷晒运行或启用其他防过热措施。

结论

太阳能资源丰富、清洁无污染，显然其能源密度低、能量供应具随机性和间歇性，给太阳能利用技术的发展带来一定的困难，但随着新材料研究的进展、技术及工艺的进步，特别是蓄热技术的发展，和对能源的合理配置及环保的要求，太阳能将在空调、制冷、供暖等各方面取得更大的进展，成为暖通空调领域的主

要冷热源之一，只有广阔的发展前景。

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