一種嚴寒地區空氣式太陽能采暖與熱水系統方案

韓 宇

目前生活熱水與冬季采暖多采用水系統，冬季為防凍介質循環或者系統排空處理，冬季很可能造成系統因凍結而漏水，采用空氣作為太陽能系統的循環的介質，可以直接解決系統因凍結造成的漏水。采用空氣作為介質可以直接給室內供應熱風，通過自動控制調節供熱量，多余熱量存儲于水箱內。

傳統太陽能熱水系統均以液體尤其是水作為傳熱、貯熱介質，存在“冬季易凍、夏季過熱、易漏、易腐蝕、壽命短”等缺陷和弊端，在寒冷、缺水、電力供應不足的地區尤為突出。而恰恰是這些經濟發展相對滯后、自然環境相對惡劣的地區，是太陽能資源豐富，采暖與熱水供應需求大的地區。太陽能供熱工程系統迫切需要從技術上徹底解決工程的“安全”與“壽命”兩大難題。

本系統包括兩個小系統：熱風系統和熱水系統，通過手動風閥的切換進行兩個系統的切換，整個系統主要由空氣集熱太陽能、風機、氣水換熱水箱、風道、循環泵等組成。

熱風系統原理：空氣式太陽能集熱器的選擇性膜層吸收太陽光，轉換為熱量，通過風機循環，將真空管收集的熱量直接傳送至室內采暖，多余的熱量存在蓄熱水箱當中。

熱水系統原理：空氣式太陽能集熱器的選擇性膜層吸收太陽光，轉換為熱量，通過風機循環，將真空管收集的熱量與特制的水箱，直接與水箱中的水進行熱交換，逐步將水箱內的水加熱，達到滿足地暖采暖及洗浴溫度。

系統運行原理說明

太陽能熱風+熱水采暖+生活熱水系統運行原理說明

（1）太陽能熱風采暖模式

1）風閥控制：風閥FA1 關閉，FA2、FA3 打開

2）熱風采暖：當集熱器出口溫度T1 ≥60℃（可調）且室內溫度≤18℃（可調）時，集熱風機FJ 啟動，系統進入熱風采暖模式；當集熱器出口溫度T1 ≤50℃（可調）或室內溫度≥20℃（可調）時，集熱風機FJ 停止運行。

（2）太陽能熱水采暖模式

1）風閥控制：風閥FA1 打開，FA2、FA3 關閉；

2）氣水換熱循環：當集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值大于某一設定值T=15℃（可調）且水箱溫度T2 ≤50℃（可調）時，集熱風機FJ 開始運行，當集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值小于某一設定值T’=10℃（可調）或水箱溫度T2 ≥60℃（可調）時，集熱風機FJ 停止運行。

3）熱水采暖：①當水箱溫度T2 ≥50℃（可調）且室內溫度T3 ≤18℃（可調）時，地暖循環泵P1 開始運行；②當水箱溫度T2 ≤35℃（可調）且室內溫度T3 ≥20℃（可調）時，地暖循環泵P1 停止運行。

（3）非采暖模式

1）風閥控制：風閥FA1 打開，FA2、FA3 關閉；

2）氣水換熱循環：當集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值大于某一設定值T（可調）且水箱溫度T2 小于50℃（可調）時，集熱風機FJ 啟動，當集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值小于某一設定值T’（可調）或水箱溫度T2 大于50℃（可調）時，集熱風機FJ 關閉。

本系統白天收集太陽的熱量直接供熱，如果房間溫度已經足夠則可以把熱量存入系統的水箱中，夜晚或者陰雨天時繼續提供熱量。如果遇到連續的陰雨天還需要采用輔助熱源，一般家庭可以采用電暖器給予輔助加熱。

本設計方案采用熱風作為循環介質較好的解決了冬季水系統凍結的問題，裸露的大部分設備都為空氣介質，對-30℃以下的低溫有天然的優勢，相對加入防凍介質的水系統因為防凍介質的加入可能對系統造成腐蝕，另外因為漏水、補水可能造成防凍介質的組成比例變化，經過一段時間運行，防凍溫度自然不能達到要求，最終導致系統凍結，或者腐蝕漏水。

圖1 太陽能熱風、熱水采暖系統原理示意圖（本圖不代表實際安裝方式）