太阳能采暖技术及系统设计

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。
１．６ 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
图 １ 太阳能联合系统示意图
１．１ 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。
从投资回收年限看， 以太阳能采暖方式替代电或 油等能价比高的能源， 投资静态回收期远低于系统寿
图 ３ 平谷挂甲峪村太阳能采暖系统工作原理图
根据热负荷和屋面情况， 系统采用 ２８ ｍ２ 平板太 阳能集热器， 采用温差循环方式， 落空式防冻防过热 设计方案。控制流程如下： 在集热器的上集管和储热 水 箱 下 部 设 立 两 个 温 度 测 点（ Ｔ１ 和 Ｔ２） ， 当 Ｔ１ 与 Ｔ２ 温差高于设定上限温差， 太阳能循环泵开始运行， 把集 热器吸收的太阳能传输到储热水箱； 当 Ｔ１ 与 Ｔ２ 温差 低于设定下限温差， 太阳能循环泵停止工作； 在冬季当 Ｔ１ 达到防冻警示温度后， 循环泵停止工作， 太阳能 集 热器中水在重力作用下回流到水箱， 实现排空防冻； 在 非采暖季， 只要水箱高于设定最高温度， 循环泵停止工 作， 集热器中水回流到水箱， 系统停止往水箱输送热 量， 集热器逐步达到闷晒平衡状态， 实现排空防过热。 此外， 循环泵与手动开关连接， 可以根据热水需求强制 关闭太阳能系统。这种系统与其他系统相比， 有以下
第 ２６ 卷第 ２ 期
朱敦智等： 太阳能采暖技术及系统设计
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１．７ 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。
１．２ 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。
１．５ 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。
命， 投资回报较高， 值得规模化推广； 对于替代天然气 或其他能价比低的能源， 投资静态回收期已接近或高 于系统寿命， 投资经济性较差， 投资回报主要体现在社 会效益和环境效益方面， 推广该技术应综合分析。
３ 太阳能采暖系统案例
北京平谷区大华山镇挂甲峪村太阳能采暖项目 是北京市发改委支持的可再生能源利用示范项目。该 项目利用太阳能采暖技术结合生物质锅炉作为辅助 能源， 实现可再生能源解决农村的采暖、热水和炊事的 家庭用能需求。
０ 引言
１ 太阳能采暖系统的设计
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。
挂甲峪太阳能采暖系统采用复合水箱， 属国内首 创， 该水箱将开式储热水箱和闭式生活热水水箱嵌套 在一起， 利用生活热水水箱的壁面给生活热水加热， 构成夹套式换热器。储热水箱设计成开式水箱适宜于 落空式太阳能系统， 系统结构简单， 成本低； 闭式生活 热水水箱利用水箱壁面进行换热， 省去换热系统， 并 利用自来水管网压力提供洗浴用水， 不需安装供水 泵， 减少投资和使用费用； 生活热水水箱与太阳能集 热系统和采暖系统隔开， 并采用搪瓷水箱， 保证生活 热水达到饮用水水质； 生活热水采用容积式换热器， 保证外水箱温度低时用水需求， 提高瞬时热水供水能 力， 嵌套水箱还可以大大提高非采暖季的热水供应 量； 此外， 太阳能系统与采暖系统为直接系统， 不设置 换热装置， 可降低太阳能系统工作温度， 提高太阳能 的集热效率。
太阳能采暖在欧洲等发达国家已大规模推广， 已 成为太阳能热利用新的应用领域。欧洲到 ２００５ 年共 安 装 １５３６ 万 ｍ２ 太 阳 能 集 热 器［１］， 采 暖 系 统 使 用 集 热 器约占集热器总量的 ２０ ％， 每年新建太阳能采暖系统 约 １２ 万个， 每个系统可节约常规能源 ２０ ％～６０ ％。
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建筑热能通风空调
２００７ 年
优点： ① 系统传送介质使用水， 与防冻液相比减少膨 胀罐， 投资低， 此外还降低运行维护费用（ 防冻液系统 需要每年检查防冻液成分， ５ 年左右须更换， 平均每年 费 用 可 达 到 ３００～５００ 元） ； ② 可 靠 性 高 ， 实 现 无 人 值 守， 在意外停电情况下， 水自动回流到水箱， 避免系统 结冻和过热造成系统安全隐患； ③ 冬季采用排空防 冻， 减小夜晚的热损失。
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， 换热温差较小。
因此在采暖系统设计中不能简单把热水系统放大， 必 须考虑以下几个方面： ① 辅助能源； ② 太阳能保证率； ③ 系统的防冻问题； ④ 系统的过热问题； ⑤ 换热系统 的设计。在系统设计中， 尤其需注意系统的过热问题 和换热水箱的设计。
１．３ 系统的防冻问题 太阳采暖系统是一个四季运行的系统， 系统须考
太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下 差异： ① 采暖负荷在不同月份变化很大， 热水负荷四 季差别较小； ② 热水系统进水温度较低， 供水温度较 高， 而采暖系统供回水温差较小； ③ 太阳能与采暖负 荷存在明显矛盾： 太 阳能辐照强度高的月份 （ ３～１０ 月） 不 需 要 采 暖 ， 太 阳 辐 照 强 度 高 的收集太阳 能并结合辅助能源满足采暖和热水的供热需求的系 统， 因此常称为太阳能联合系统（ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｍｂｉｓｙｓｔｅｍ） 。
如图 １， 太阳能采暖系统主要由三部分构成： ① 热 能提供部分， 即太阳能集热器和辅助能源； ② 储热和 换热设备； ③ 热能利用部分， 提供生活热水和采暖。
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设计方法， 对太阳能采暖系统的成本和经济性进行了分析， 并介绍一种 新型太阳能采暖系统。 关键词： 太阳能 采暖 经济性
Ｓ ｏ ｌａ ｒ Ｅｎ ｅ ｒｇ ｙ Ｈｅ ａ ｔ ｉｎ ｇ Ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉｔ ｓ Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ
２ 太阳能采暖系统成本及经济性分析
以北京地区 １５０ ｍ２ 民用建筑为例， 采暖负荷取平 谷挂甲峪村新村建筑计算采暖负荷 ３１．６ Ｗ／ｍ２， 生活热 水按 ４ ｍ２ 太阳能集热器得热量计算， 太阳能系统采用 平板集热器， 非采暖季平均热效率设定为 ５０ ％， 采 暖 季平均热效率为 ４５ ％。系统投资、年收益及投资回收 期如下表和图 ２。
Ｚｈｕ Ｄｕｎｚｈｉ， Ｌｕ Ｃｈａｏ ａｎｄ Ｌｉｕ Ｊｕｎ （ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ）
Ａｂｓｔ ｒ ａｃｔ ： Ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｆｏｒ ｒｅｓｉｄｅｎｔｓ， ｉｓ ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅ ｙｗｏｒ ｄｓ： ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ， ｈｅａｔｉｎｇ， ｅｃｏｎｏｍｙ