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摘要：主動(dòng)式太陽(yáng)房的供暖系統(tǒng)是由太陽(yáng)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(tǒng)。它可以根據(jù)需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，因此在我國(guó)東北地區(qū)主動(dòng)式太陽(yáng)房的推廣與應(yīng)用具有廣闊的前景。本文在技術(shù)上分析太陽(yáng)能集熱器、季節(jié)性蓄熱問(wèn)題,主要研究建立了利用太陽(yáng)能采暖的完整系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)一些設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算，通過(guò)計(jì)算，檢驗(yàn)了該系統(tǒng)的可靠性其結(jié)果證明東北地區(qū)利用太陽(yáng)能是完全可行的；通過(guò)本太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)可以對(duì)其性能進(jìn)行分析，并可預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期節(jié)能效果，還可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，為東北地區(qū)今后在建筑中推廣利用太陽(yáng)能供暖工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能供暖集熱器輔助熱源

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的有計(jì)劃增長(zhǎng)，能源需求量日益增加，太陽(yáng)能這種可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)有著重要的意義。雖然人類(lèi)在建筑中利用太陽(yáng)能方面已積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但有目的地研究太陽(yáng)能建筑還是最近幾十年來(lái)的事。1939年美國(guó)麻省理工學(xué)院建成了世界上第一座用來(lái)采暖的太陽(yáng)能建筑，到七十年代世界性能源危機(jī)后，太陽(yáng)能建筑的發(fā)展速度大大加快，目前世界上大約有幾十萬(wàn)座太陽(yáng)能建筑。

太陽(yáng)能建筑是指利用太陽(yáng)能替代部分常規(guī)能源使室內(nèi)達(dá)到一定溫度的一種建筑。早期的太陽(yáng)能建筑物是利用太陽(yáng)熱能與光能的自然傳遞使居室溫暖明亮，通常稱為“被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑”。而后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)居住環(huán)境要求的提高，逐漸從被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑發(fā)展成“主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑”。主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑是由太陽(yáng)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(tǒng)。它與被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑一樣，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的保暖隔熱性能。

1東北地區(qū)利用太陽(yáng)能供暖的可行性

我國(guó)是太陽(yáng)能資源十分豐富的國(guó)家，三分之二的國(guó)土面積年日照量在2200小時(shí)以上，年輻射總量大約在每年3340～8360MJ/平方米，相當(dāng)于110～250kg標(biāo)準(zhǔn)煤/平方米。我國(guó)的太陽(yáng)能資源按年輻射總量劃分為五類(lèi)地區(qū)：豐富地區(qū)（6690～8360MJ/平方米），較豐富地區(qū)（5852～6690MJ/平方米），中等地區(qū)（5016～5852MJ/平方米），較差區(qū)（4180～5016MJ/平方米），最差區(qū)（3344～4180MJ/平方米）。即使我國(guó)太陽(yáng)能較差的地區(qū)，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(yáng)能利用較好的城市，可見(jiàn)我國(guó)東北地區(qū)在建筑中的太陽(yáng)能利用還大有潛力可挖。

1975年我國(guó)在甘肅地區(qū)首次建造了小型被動(dòng)太陽(yáng)房，之后有關(guān)人員結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況在理論、實(shí)驗(yàn)、材料等方面作了大量的工作，但大多數(shù)是以被動(dòng)式太陽(yáng)能房為主，主動(dòng)式太陽(yáng)房的研究比較少。我國(guó)東北的冬季是需要供暖的地區(qū)，大部分處于太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)之內(nèi)，采暖期（11月～3月）日照率高，這對(duì)利用太陽(yáng)能供暖提供了優(yōu)越的條件。實(shí)踐證明，東北地區(qū)利用太陽(yáng)能供暖是完全可行的。

2太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)

在上一章中總結(jié)了一些東北地區(qū)的氣象資料，其中主要以長(zhǎng)春為例進(jìn)行了太陽(yáng)輻射和氣溫的分析。在此章中將用到部分氣候資料來(lái)加以計(jì)算，并確定出系統(tǒng)方案，最后得出結(jié)論，東北地區(qū)利用太陽(yáng)能采暖是可行的。

2.1系統(tǒng)布置

2.1.1主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的采暖系統(tǒng)及各部件的名稱

如圖1所示，該系統(tǒng)可分為兩個(gè)循環(huán)回路：集熱回路和采暖回路。

1—集熱器2—過(guò)濾器3—循環(huán)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(dòng)閥11—輔助熱源12—散熱器13—排氣閥

圖1太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)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(guò)濾器、循環(huán)泵等部件，在該回路中采用差動(dòng)控制，使用兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)差動(dòng)控制器，其中一個(gè)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(zhì)出口處，另一個(gè)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)傳感器溫度大于第二個(gè)傳感器5～10℃時(shí)，集熱泵就開(kāi)啟。再這種情況下流體從貯存器經(jīng)集熱泵進(jìn)入集熱器，同時(shí)空氣從集熱器置換進(jìn)入貯存器中；相反，當(dāng)蓄熱水箱出口溫度與集熱器吸熱板溫度相差1～2℃時(shí)集熱泵就關(guān)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(lái)實(shí)現(xiàn)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(dòng)閥等部件。采暖回路是指采暖房間中熱媒的循環(huán)回路，自動(dòng)控制一般使用兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)差動(dòng)控制器；其中一個(gè)溫度傳感器置于蓄熱水箱采暖回路出口附近，室內(nèi)設(shè)置溫度敏感元件測(cè)量定溫，當(dāng)室內(nèi)溫度降低時(shí)，此時(shí)蓄熱水箱溫度很高并達(dá)到一定的數(shù)值，輔助加熱器關(guān)閉，由蓄熱水箱提供熱量；另一個(gè)溫度傳感器安裝在采暖回路的回水管道中，如果室內(nèi)溫度繼續(xù)下降，且第一個(gè)傳感器讀出的溫度低于第二個(gè)時(shí)，即蓄熱水箱的熱量不能滿足負(fù)荷要求，電動(dòng)閥切斷蓄熱水箱與系統(tǒng)的聯(lián)系，使其脫離循環(huán)，這是由輔助加熱器供暖。

2.1.4系統(tǒng)控制

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)需要不同于一般系統(tǒng)的控制。首先，當(dāng)集熱器能夠供應(yīng)熱量時(shí)，要有辦法開(kāi)動(dòng)集熱器的泵。這通常是由一個(gè)溫差控制起來(lái)完成，它測(cè)量集熱器出口和蓄熱器底部之間的溫差。當(dāng)集熱器的泵關(guān)掉，而這一溫差上升超過(guò)某一定值時(shí)，泵就開(kāi)動(dòng)了。當(dāng)流體正在流動(dòng)而溫差降到近于零時(shí)，泵就關(guān)掉。

建筑物也需要一種不同于一般的控制。當(dāng)收集的太陽(yáng)能盡可能快地加以應(yīng)用時(shí)，就得到了太陽(yáng)能系統(tǒng)的最好運(yùn)行效果。最好這樣來(lái)安排控制，當(dāng)房間內(nèi)的恒溫器要求熱量時(shí)，系統(tǒng)就傳遞從蓄熱器所能得到的熱量。假如太陽(yáng)能不能滿足熱負(fù)荷，則恒溫器的第二級(jí)開(kāi)動(dòng)輔助爐來(lái)補(bǔ)充所需的熱量。在一些設(shè)計(jì)中當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)不能滿足熱負(fù)荷時(shí)則全部由爐子來(lái)承擔(dān)，這樣就形成了一個(gè)較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

2.2采暖負(fù)荷

2.2.1氣象資料（以長(zhǎng)春為例）

根據(jù)氣象資料，統(tǒng)計(jì)并給出以下數(shù)據(jù)，以用來(lái)計(jì)算熱負(fù)荷。

室外參數(shù)如下[統(tǒng)計(jì)年份（1951～1980）]：

年平均溫度：4.9℃，冬季采暖室外計(jì)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(shù)：174d，日平均溫度≤+5℃期間內(nèi)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(shù)：192d

日平均溫度≤+8℃期間內(nèi)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(fēng)向平均風(fēng)速：5.1m/s，冬季室外平均風(fēng)速：4.2m/s，冬季最多風(fēng)向：SW，冬季最多風(fēng)向的頻率：20%

室內(nèi)參數(shù)如下：供暖室內(nèi)計(jì)算溫度：18℃

2.2.2供暖熱負(fù)荷

利用體積熱指標(biāo)法，可按下式概算建筑物的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷：

（1）

式中—建筑物的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；—建筑物的外輪廓體積；—供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；—供暖室外計(jì)算溫度，℃；—建筑物的供暖體積熱指標(biāo)（也稱建筑物的比熱特性指標(biāo)），W/·℃，它表示各類(lèi)建筑物在室內(nèi)、外溫差1℃時(shí)，每1建筑物外圍體積的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。

其中，建筑物的外輪廓體積為280供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃，供暖室外計(jì)算溫度’為-23℃，建筑物的供暖體積熱指標(biāo)為0.41W/·℃（查“簡(jiǎn)明供熱設(shè)計(jì)手冊(cè)”表8—3），則：

=4.7kW

建筑物的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷取4.7kW，即設(shè)定100建筑面積的建筑物日負(fù)荷為406080kJ/天。

2.3集熱器

2.3.1集熱器類(lèi)型

集熱器可分為三種基本類(lèi)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(jiǎn)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(gòu)成。透明玻璃的太陽(yáng)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(yáng)輻射轉(zhuǎn)化成熱能，然后傳導(dǎo)給通道中流動(dòng)著的流體。本文選平板型集熱器，傾角為55度，集熱器內(nèi)流體為乙二醇，可防止冬季凍結(jié)。

2.3.2集熱器面積的確定

（1）集熱器面積公式

根據(jù)上一節(jié)，確定系統(tǒng)熱負(fù)荷為4.7kW，因而可以計(jì)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(fù)荷，kJ/月；I—太陽(yáng)輻射月平均值，kJ/月

—集熱器效率，%；—日負(fù)荷，kJ/d；—月份天數(shù)，d；—所需集熱器面積，。

（2）計(jì)算步驟示例

一月份：天數(shù)31天，太陽(yáng)輻射的月平均值321818kJ/月，集熱器的效率40%，日負(fù)荷406080kJ/d。

集熱器的集熱量：

=32181840%=128727kJ/月

一個(gè)月的熱負(fù)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(jì)算，結(jié)果記入表1。

計(jì)算結(jié)果表1月份

每月天數(shù)（d）

太陽(yáng)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(fù)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(tǒng)中未用到潛熱蓄熱理論，所以不加以說(shuō)明，現(xiàn)只對(duì)顯熱蓄熱進(jìn)行介紹。貯存在蓄熱介質(zhì)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(zhì)的比熱，，—物質(zhì)的比重，。

嚴(yán)格地說(shuō)，物質(zhì)的、依溫度而變，但在作為蓄熱介質(zhì)使用的溫度范圍內(nèi)，可以看作是常數(shù)。因此，上式變?yōu)?/p>

（6）

結(jié)果，物質(zhì)的蓄熱量與溫度差成比例。但實(shí)際可以利用的熱量，或者由于物質(zhì)內(nèi)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(jì)算

蓄熱器中儲(chǔ)存的能量應(yīng)該可以供應(yīng)系統(tǒng)2～3天的采暖運(yùn)行，系統(tǒng)日熱負(fù)荷為406080kJ/d，所以2.5天的熱負(fù)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(jié)論

3.1研究建立了利用太陽(yáng)能采暖的完整系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)一些設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算，通過(guò)計(jì)算，檢驗(yàn)了該系統(tǒng)的可靠性其結(jié)果證明東北地區(qū)利用太陽(yáng)能是完全可行的。

3.2通過(guò)本太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)可以對(duì)其性能進(jìn)行分析，并可預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期節(jié)能效果，還可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，為東北地區(qū)今后在建筑中推廣利用太陽(yáng)能供暖工作提供理論依據(jù)。

3.3本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了一次優(yōu)化，提高了熱能利用效率。使系統(tǒng)更有效的發(fā)揮其節(jié)能的作用。雖本系統(tǒng)是對(duì)獨(dú)立式100平方米建筑進(jìn)行的研究，但它亦適用于其它大型建筑，這樣使原有設(shè)計(jì)得到了廣泛的利用。

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