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