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摘要：主動式太陽房的供暖系統是由太陽能集熱器、熱水槽、泵、散熱器、控制器和貯熱器等組成的供暖系統。它可以根據需要進行自動調節，可以提供舒適的室內環境，因此在我國東北地區主動式太陽房的推廣與應用具有廣闊的前景。本文在技術上分析太陽能集熱器、季節性蓄熱問題,主要研究建立了利用太陽能采暖的完整系統，并對系統一些設備的數據進行了簡單的計算，通過計算，檢驗了該系統的可靠性其結果證明東北地區利用太陽能是完全可行的；通過本太陽能供暖系統可以對其性能進行分析，并可預測其長期節能效果，還可通過該系統進行實物設計，為東北地區今后在建筑中推廣利用太陽能供暖工作提供理論依據。

關鍵詞：太陽能供暖集熱器輔助熱源

0引言

隨著我國經濟的高速發展和人口的有計劃增長，能源需求量日益增加，太陽能這種可再生清潔能源的開發有著重要的意義。雖然人類在建筑中利用太陽能方面已積累了不少經驗，但有目的地研究太陽能建筑還是最近幾十年來的事。1939年美國麻省理工學院建成了世界上第一座用來采暖的太陽能建筑，到七十年代世界性能源危機后，太陽能建筑的發展速度大大加快，目前世界上大約有幾十萬座太陽能建筑。

太陽能建筑是指利用太陽能替代部分常規能源使室內達到一定溫度的一種建筑。早期的太陽能建筑物是利用太陽熱能與光能的自然傳遞使居室溫暖明亮，通常稱為“被動式太陽能建筑”。而后隨著科學技術的發展和人們對居住環境要求的提高，逐漸從被動式太陽能建筑發展成“主動式太陽能建筑”。主動式太陽能建筑是由太陽能集熱器、熱水槽、泵、散熱器、控制器和貯熱器等組成的供暖系統。它與被動式太陽能建筑一樣，圍護結構應具有良好的保暖隔熱性能。

1東北地區利用太陽能供暖的可行性

我國是太陽能資源十分豐富的國家，三分之二的國土面積年日照量在2200小時以上，年輻射總量大約在每年3340～8360MJ/平方米，相當于110～250kg標準煤/平方米。我國的太陽能資源按年輻射總量劃分為五類地區：豐富地區（6690～8360MJ/平方米），較豐富地區（5852～6690MJ/平方米），中等地區（5016～5852MJ/平方米），較差區（4180～5016MJ/平方米），最差區（3344～4180MJ/平方米）。即使我國太陽能較差的地區，年輻射總量也接近東京（4220MJ/平方米），高于倫敦（3640MJ/平方米）、漢堡（3430MJ/平方米）這些世界上太陽能利用較好的城市，可見我國東北地區在建筑中的太陽能利用還大有潛力可挖。

1975年我國在甘肅地區首次建造了小型被動太陽房，之后有關人員結合我國的實際情況在理論、實驗、材料等方面作了大量的工作，但大多數是以被動式太陽能房為主，主動式太陽房的研究比較少。我國東北的冬季是需要供暖的地區，大部分處于太陽能資源較豐富的地區之內，采暖期（11月～3月）日照率高，這對利用太陽能供暖提供了優越的條件。實踐證明，東北地區利用太陽能供暖是完全可行的。

2太陽能供暖系統

在上一章中總結了一些東北地區的氣象資料，其中主要以長春為例進行了太陽輻射和氣溫的分析。在此章中將用到部分氣候資料來加以計算，并確定出系統方案，最后得出結論，東北地區利用太陽能采暖是可行的。

2.1系統布置

2.1.1主動式太陽能建筑的采暖系統及各部件的名稱

如圖1所示，該系統可分為兩個循環回路：集熱回路和采暖回路。

1—集熱器2—過濾器3—循環泵（同8，9）4—貯存器5—集熱器熱交換器

6—減壓閥7—蓄熱水箱10—電動閥11—輔助熱源12—散熱器13—排氣閥

圖1太陽能供暖系統示意圖

2.1.2集熱回路

主要包括集熱器、貯存器、集熱器熱交換器、過濾器、循環泵等部件，在該回路中采用差動控制，使用兩個溫度傳感器和一個差動控制器，其中一個溫度傳感器（熱敏電阻或熱電偶）安裝在集熱器吸熱板接近傳熱介質出口處，另一個溫度傳感器安裝在蓄熱水箱底部接近收集回路回流出口，當第一個傳感器溫度大于第二個傳感器5～10℃時，集熱泵就開啟。再這種情況下流體從貯存器經集熱泵進入集熱器，同時空氣從集熱器置換進入貯存器中；相反，當蓄熱水箱出口溫度與集熱器吸熱板溫度相差1～2℃時集熱泵就關閉，在這種情況下依靠把集熱器中的水排入到貯存器的方法來實現防凍，貯存器要隔熱或封閉以防冰凍溫度。

2.1.3采暖回路

主要包括蓄熱水箱、散熱器、輔助熱源、電動閥等部件。采暖回路是指采暖房間中熱媒的循環回路，自動控制一般使用兩個溫度傳感器和一個差動控制器；其中一個溫度傳感器置于蓄熱水箱采暖回路出口附近，室內設置溫度敏感元件測量定溫，當室內溫度降低時，此時蓄熱水箱溫度很高并達到一定的數值，輔助加熱器關閉，由蓄熱水箱提供熱量；另一個溫度傳感器安裝在采暖回路的回水管道中，如果室內溫度繼續下降，且第一個傳感器讀出的溫度低于第二個時，即蓄熱水箱的熱量不能滿足負荷要求，電動閥切斷蓄熱水箱與系統的聯系，使其脫離循環，這是由輔助加熱器供暖。

2.1.4系統控制

太陽能供熱系統需要不同于一般系統的控制。首先，當集熱器能夠供應熱量時，要有辦法開動集熱器的泵。這通常是由一個溫差控制起來完成，它測量集熱器出口和蓄熱器底部之間的溫差。當集熱器的泵關掉，而這一溫差上升超過某一定值時，泵就開動了。當流體正在流動而溫差降到近于零時，泵就關掉。

建筑物也需要一種不同于一般的控制。當收集的太陽能盡可能快地加以應用時，就得到了太陽能系統的最好運行效果。最好這樣來安排控制，當房間內的恒溫器要求熱量時，系統就傳遞從蓄熱器所能得到的熱量。假如太陽能不能滿足熱負荷，則恒溫器的第二級開動輔助爐來補充所需的熱量。在一些設計中當太陽能系統不能滿足熱負荷時則全部由爐子來承擔，這樣就形成了一個較簡單的系統。

2.2采暖負荷

2.2.1氣象資料（以長春為例）

根據氣象資料，統計并給出以下數據，以用來計算熱負荷。

室外參數如下[統計年份（1951～1980）]：

年平均溫度：4.9℃，冬季采暖室外計算溫度：-23℃，冬季最低日平均溫度：-29.8℃，冬季日照率：66%

最大凍土深度：169cm，日平均溫度≤+5℃的供暖期天數：174d，日平均溫度≤+5℃期間內的平均溫度：-8.0℃

日平均溫度≤+5℃的起止日期：10月22日～4月13日，日平均溫度≤+8℃的供暖期天數：192d

日平均溫度≤+8℃期間內的平均溫度：-6.6℃，日平均溫度≤+8℃的起止日期：10月11日～4月20日

極端最低溫度：-36.5℃，極端最低溫度平均值：-30.2℃，冬季大氣壓力：99.4kPa

冬季室外最多風向平均風速：5.1m/s，冬季室外平均風速：4.2m/s，冬季最多風向：SW，冬季最多風向的頻率：20%

室內參數如下：供暖室內計算溫度：18℃

2.2.2供暖熱負荷

利用體積熱指標法，可按下式概算建筑物的供暖設計熱負荷：

（1）

式中—建筑物的供暖設計熱負荷，kW；—建筑物的外輪廓體積；—供暖室內計算溫度，℃；—供暖室外計算溫度，℃；—建筑物的供暖體積熱指標（也稱建筑物的比熱特性指標），W/·℃，它表示各類建筑物在室內、外溫差1℃時，每1建筑物外圍體積的供暖設計熱負荷。

其中，建筑物的外輪廓體積為280供暖室內計算溫度為18℃，供暖室外計算溫度’為-23℃，建筑物的供暖體積熱指標為0.41W/·℃（查“簡明供熱設計手冊”表8—3），則：

=4.7kW

建筑物的供暖設計熱負荷取4.7kW，即設定100建筑面積的建筑物日負荷為406080kJ/天。

2.3集熱器

2.3.1集熱器類型

集熱器可分為三種基本類型：平板型集熱器、中等性能的聚焦式集熱器和聚集式收集器

最簡單的平板型集熱器是由一塊玻璃板（或透明板）安裝在涂有吸熱黑體的平板上構成。透明玻璃的太陽輻射被捕集在平板和玻璃蓋之間，并被黑體吸收。黑體吸收后的太陽輻射轉化成熱能，然后傳導給通道中流動著的流體。本文選平板型集熱器，傾角為55度，集熱器內流體為乙二醇，可防止冬季凍結。

2.3.2集熱器面積的確定

（1）集熱器面積公式

根據上一節，確定系統熱負荷為4.7kW，因而可以計算出集熱器面積，求集熱器面積所需公式為：

kJ/月（2）

kJ/月（3）

（4）

式中—集熱器的集熱量，kJ/月；——月負荷，kJ/月；I—太陽輻射月平均值，kJ/月

—集熱器效率，%；—日負荷，kJ/d；—月份天數，d；—所需集熱器面積，。

（2）計算步驟示例

一月份：天數31天，太陽輻射的月平均值321818kJ/月，集熱器的效率40%，日負荷406080kJ/d。

集熱器的集熱量：

=32181840%=128727kJ/月

一個月的熱負荷：

=40608031=12588480kJ/月

所需集熱器面積：

==97.8

逐月（1月、2月、3月、4月、10月、11月、12月）計算，結果記入表1。

計算結果表1月份

每月天數（d）

太陽輻射的月平均值I(kJ/月)

集熱器的效率（%）

集熱器的集熱器(kJ/月)

月負荷(kJ/月)

所需集熱器的面積F()

1月

31

321818

40

128727

12588480

97.8

2月

28

443080

40

177232

11370240

64.2

3月

31

631180

50

315590

12588480

39.9

4月

30

790020

50

395010

12182400

30.8

10月

31

497420

50

248710

12588480

50.6

11月

30

355300

40

142120

12182400

85.7

12月

31

275880

40

110352

12588480

99.8

最終，集熱器面積取30平方米。

2.4蓄熱器

2.4.1蓄熱原理

蓄熱可分為兩種，一種是顯熱蓄熱，另一種是潛熱蓄熱。在本文系統中未用到潛熱蓄熱理論，所以不加以說明，現只對顯熱蓄熱進行介紹。貯存在蓄熱介質中的顯熱熱量可由下式給出：

（5）

式中—單位體積的蓄熱量，；—溫度，℃；—物質的比熱，，—物質的比重，。

嚴格地說，物質的、依溫度而變，但在作為蓄熱介質使用的溫度范圍內，可以看作是常數。因此，上式變為

（6）

結果，物質的蓄熱量與溫度差成比例。但實際可以利用的熱量，或者由于物質內的溫度分布不同得不到平均溫差，或者由于熱損失等通常有所減小。

2.4.2蓄熱器容量的計算

蓄熱器中儲存的能量應該可以供應系統2～3天的采暖運行，系統日熱負荷為406080kJ/d，所以2.5天的熱負荷是1015200kJ。蓄熱器的利用溫差為10℃，蓄熱器效率為95%，可得蓄熱器容積為：

==2.55（7）

則，蓄熱器容量取2.6m2。

3結論

3.1研究建立了利用太陽能采暖的完整系統，并對系統一些設備的數據進行了簡單的計算，通過計算，檢驗了該系統的可靠性其結果證明東北地區利用太陽能是完全可行的。

3.2通過本太陽能供暖系統可以對其性能進行分析，并可預測其長期節能效果，還可通過該系統進行實物設計，為東北地區今后在建筑中推廣利用太陽能供暖工作提供理論依據。

3.3本系統在設計時進行了一次優化，提高了熱能利用效率。使系統更有效的發揮其節能的作用。雖本系統是對獨立式100平方米建筑進行的研究，但它亦適用于其它大型建筑，這樣使原有設計得到了廣泛的利用。

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