搜索
太阳能用于建筑供暖热水复合系统技术分析刘伟锋[1]宋蕾[1]张立敏[2]阎一娜[2]（山东省建筑设计研究院250001，济南蓝天阳光新能源有限公司250101）摘要:本文指出太阳能用于建筑供暖与热水是解决降低建筑能耗的途径之一，详细分析了太阳能供热利用技术，并根据市场上太阳能供热工程存在着系统设计不合理、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需要，具有广泛的市场应用前景。关键词:太阳能供暖热水引言随着国家经济的快速发展发展，能源短缺问题日益严重。我国北方大部分地区冬季寒冷,一年中近1/3时间属采暖季。由于传统的采暖手段既严重影响了空气质量,又加剧了我国能源的紧张程度[1]。太阳能是一种没有污染、取之不尽、用之不竭的洁净能源，我国对太阳能的光热利用始于20世纪70年代，30多年来我国各种太阳能热利用技术获得不同程度的发展。国家经贸委组织制定的《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[2]，在建设部制定的《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，考虑到今后的发展趋势，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[3]。2006年2月，山东省政府发布的《山东省中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）中提出，未来十五年中要积极推进太阳能开发利用，并积极研究开发太阳能与民用建筑密切结合的措施，综合利用太阳能技术。其中太阳能用于建筑供暖热水成为当前太阳能热利用的趋势之一，也为解决过高建筑能耗提供新的途径。1太阳能供暖热水复合系统介绍太阳能供暖热水复合系统，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、辅助热源及室内末端散热设备等组成。太阳能供暖方式可分为主动式和被动式两种方式。随着我国各类建筑节能设计标准的发布，被动式太阳能采暖已经被逐渐实施，这类采暖方式由建筑师统一考虑。主动式太阳能供暖系统是使用常规能源，利用水泵或风机等动力设备，将热水或热空气从太阳能集热系统输送到蓄热系统或采暖房间内，即分为太阳能空气加热供暖和太阳能热水供暖系统。其中太阳能热水供暖复合系统是目前市场上应用技术较为成熟的一种方式，太阳能热水供暖系统又可以分为太阳能季节蓄热和短期蓄热供暖系统。主动式采暖在我国起步较晚，目前国内外技术应用最为成熟，最适宜市场化运作的太阳能短期蓄热的热水供暖系统，本节主要介绍太阳能短期蓄热的热水供暖系统。太阳能短期蓄热热水供暖系统形式可以分为间歇运行系统和连续运行系统，其中连续运行系统按太阳能热利用方式不同可以分为直接式和间接式。下面分别加以介绍：1.1太阳能间歇采暖运行系统太阳能间歇运行系统是将太阳能集热、蓄热系统白天储存的热量以空气或水的形式在夜间送往室内供暖，在太阳能储存热量不足的情况下，可与常规能源配合使用，其原理图如图2.4所示：太阳能集热器8水箱辅助热源用户图2.4：太阳能间歇供暖系统原理图该系统结构简单，初投资较低，系统利用白天蓄热水箱得热量在夜间通过管路送往室内供暖，当蓄热水箱热量不足时可用辅助热源保证室内供暖需要。但系统对太阳能辐照度要求较高，只适合我国华北、西南等一些冬季室外温度相对较高、日照充足地区。1.2太阳能连续采暖运行系统目前全国大部分采暖地区的建筑白天也需要采暖，连续运行的太阳能采暖系统可以满足这种建筑采暖的要求，同时也是适用最广泛的一种系统。按太阳能热利用方式不同可以分为直接式和间接式；两种形式分析对比如下：所谓直接式就是将太阳能集热器加热蓄热水箱的热水直接用来供暖（如图2.5所示），水同时做集热介质和室内供暖介质。太阳能集热器8水箱辅助热源用户图2.5：太阳能直接供暖循环原理图一太阳能直接供暖循环形式相比太阳能间歇供暖形式在太阳能集热循环部分增加循环泵，靠压力循环不断收集太阳能蓄热量满足室内供暖要求。此种系统适宜在冬季环境温度较高，防冻要求不严格的地区使用。间接式就是集热器的集热量不直接去供暖，而是通过换热器换热或是通过热泵将热水的温度再次提高后用于供暖，即：太阳能集热部分与供热部分相互独立。有以下两种形式：（一）太阳能集热器使用防冻液或者导热油等传热系数较高的介质，同时可以防止集热管路寒冬季节的冻结，也可以杜绝水做循环介质对管路的腐蚀，循环介质的热量靠换热盘管传递给蓄热系统储存然后用于室内供暖。其如图2.5所示：太阳能集热器8水箱辅助热源用户图2.5：太阳能间接供暖循环原理图一（二）太阳能集热器加热的热水不直接给建筑供暖而是通过热泵将水温度再次提高后供暖，也叫太阳能热泵供暖(如图2.6所示)：串联式太阳能热泵系统集热器压缩机冷凝器节流阀用户蒸发器蓄热水箱循环泵循环泵循环泵图2.6太阳能间接供暖循环原理图二该系统在太阳能辐照度小，集热温度低，直接供暖不可能的情况下，可以通过热泵提取水箱中的热量获得较高温度的供暖热媒，是较为节能的技术。综上所述，太阳能采暖系统相比纯粹太阳能热水系统存在一定的优势，但同时也存在一些缺点，受天气影响较大，当冬季室外温度较低阴雨天，系统靠辅助热源供暖，运行费用较高。因此，合理的太阳能采暖热水复合系统设计成为其推广应用的关键。目前市场上太阳能采暖工程存在着系统设计不合理、建筑室内温度达不到舒适要求、初投资高等问题。本文总结太阳能采暖经验教训，提出一种新型的太阳能供暖热水复合系统。2新型太阳能供暖热水复合系统该系统充分考虑了太阳能集热器受阴雨天等影响因素，其运行费用较低，满足室内冬季供暖的同时，一年四季提供生活热水，有着较高的利用效率。2.1系统运行原理图由于普通利用散热器进行采暖的工质温度要求较高（70℃以上）不适合太阳能出水温度要求（太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高），所以利用地板辐射采暖与太阳能集热系统配合是最佳的解决方案，室内设计温度可比散热器形式低2℃~3℃，节能20%~30%[4]，地面作为散热源温度不能过高，人员经常停留处一般不高于29℃[5]，地板采暖的供水温度一般在60℃以下[6]，太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高[7]。所以利用太阳能地板辐射采暖是目前建筑冬季采暖的最佳解决方案（如图2.7所示）。1238D-17D-2D-3D-4太阳能地板辐射采暖原理图45D-5D-6761太阳能集热器2生活水箱3蓄热水箱4洗浴热水5室内盘管6电辅助7循环泵8排气阀D电磁阀2.7太阳能供暖热水复合系统循环原理图（一）从图中可以看出：该复合系统有两个水箱，生活热水箱与采暖水箱相互分开，为了保证生活热水不受采暖热水污染，生活热水箱加装换热盘管，系统循环依旧包括两个部分：太阳能集热循环与室内供暖循环。（二）运行工况：集热循环：太阳能集热器首先加热供热水箱，生活热水箱用于储存太阳能集热器多余的热量；当太阳能集热器温度t1大于或等于水箱t3为10℃时，电磁阀D-1关闭，D-2开启，集热循环泵7开启，当集热水箱水温升至50℃时，电磁阀D-2关闭，D-1开启；当太阳能集热器温度t1大于或等于水箱t2为10℃时，太阳能集热器用于加热生活热水箱水温至50℃，当集热器水温与水箱水温相差低于5℃时，循环泵关闭；这样反复循环使水箱水温不断升高；自动上水：当水箱2、3水位低于40%时，电磁阀D-3、D-4开启，水箱上水；当水箱水位达到100%时，电磁阀D-3、D-4关闭，上水结束。管道防冻：当集热管道T4温度低于5℃时，循环泵7开启，当T4达到10℃时，循环泵7停止工作；恒温供水：当水箱2出水温度低于设定供暖温度40℃，辅助电加热6开启，加热室内供水温度至60℃，当集热水箱出水温度大于65℃时，辅助电加热关闭。室内温度控制；室内温度可根据用户需要自行设置，比如室温控制器设置18-22℃，当室温达到22℃时，供暖循环泵停止供水，当室温低于18℃时，循环泵7重新开启；当时室内循环回水比水箱水温高时，电磁阀D-6开启，D-5关闭，室内回水通过辅助电加热加热至供水温度供于室内；总之，该系统存在一定的优势，满足室内冬季供暖和一年四季提供生活热水需求，运行费用较低，有着广泛的市场推广应用前景。该系统的设计包括许多因素：采暖所需热量的储存、蓄热水箱的个数、蓄热与集热介质的选择、换热器的形式、辅助热源类型等等，系统的设计必须因地制宜、充分考虑当地太阳能资源状况、气象状况、居民生活习惯、投资成本等多方面因素；3结论太阳能供热技术已经越来越成熟，我国大部分供暖地区太阳能资源丰富，我们还应积极推广应用太阳能热水供暖复合利用技术。太阳能供暖热水技术有着显著的节能和环保效益，在传统能源越来越紧缺，提倡低碳经济的今天，太阳能热水供暖技术会得到越来越广泛的推广和应用。建立比较适合我国实际情况的太阳能供暖热水系统，需要考虑防冻、抗腐蚀的集热器等产品以及系统各部分的合理，需要进一步的探索努力。参考文献[1]贺平,孙刚.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[2]姜宏安，杨晓光.住宅用太阳能热水系统探讨[J]，中国西部科技,2004，(4)：78-79[3]郑瑞澄.太阳能低温热水地板辐射采暖[J]，太阳能,2000，(1)：14-16[4]齐政新，杨基春等，利用太阳能地板采暖减少建筑能耗[J]中国能源，2001，（6）：28-30[5]ASHRAE，ASHRAE，Handbook-Fundamentals[M],Altamta:ASHRAE,1989[6]齐政新，李岩，太阳低温地板辐射采暖系统的探讨[J]煤气与热力2003.2（5）：312-315[7]段志强，吴家庆，玻璃真空管太阳能集热器及其初步应用[J]真空应用1986（3）