太陽能供熱系統優化設計的相關問題研究

劉紀廣

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節能和環保效益。就太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術的推廣和應用提供一定的理論依據。

關鍵詞：太陽能；供熱系統；優化設計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質傳送給供熱系統，進而實現對建筑的供熱。太陽能供熱技術的應用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環境，但該技術在應用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩定性，且熱能存儲技術尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統的運行效率，已經成為該領域研究的關鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行探討，具有重要的現實意義。

1 工作原理和相關設計

1.1 太陽能供熱系統的工作原理

太陽能供熱系統由集熱系統、輔助熱源系統、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構成，主要分為能源供應、能源存儲和能源利用三個環節（如圖1所示）。與傳統的供熱方式相比，太陽能供熱系統并不以常規能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發揮其作用，幫助完成供熱任務。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統構成

該系統的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統的設計

太陽能供熱系統的設計主要集中在集熱系統和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統的設計包括選型、定位、連接和確定面積四個環節。在選型前，應對太陽能集熱器進行分類：按照結構類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統的定位主要依據集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯、并聯和混聯三種連接方式，連接方式的選擇要根據具體情況判定。由于太陽能供熱系統主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設計主要包括選擇、裝置和運行三個環節，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導熱系數大等優點，被廣泛應用。相變材料一般要封存在容器里，構成相變蓄熱裝置，該裝置可實現采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統的優化設計

2.1 太陽能集熱系統的優化

集熱系統的優化應考慮集熱器的最佳傾角和最優面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發揮系統的集熱作用。最佳傾角主要受當地的地理緯度、太陽輻射量、太陽角和月份等因素的影響；集熱器的最優面積會直接影響系統的運行效果，最優面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關系，以計算供熱系統的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應的集熱器面積較小，該情況出現的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優面積要小于最不利工況對應的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統的優化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發現，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據日蓄熱量集中的區間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎上，還可計算出蓄熱裝貿填充的相變材料的質量。

3 結束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩定性，將太陽能集熱系統、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結合在一起，實現了太陽能供熱系統供熱的穩定性。通過分析太陽能供熱系統的工作原理和相關設計，我們認為，因太陽能供熱系統由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優化設計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優面積和蓄熱系統的容量，以使系統運行效果達到最佳。

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節能和環保效益。就太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術的推廣和應用提供一定的理論依據。

關鍵詞：太陽能；供熱系統；優化設計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質傳送給供熱系統，進而實現對建筑的供熱。太陽能供熱技術的應用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環境，但該技術在應用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩定性，且熱能存儲技術尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統的運行效率，已經成為該領域研究的關鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行探討，具有重要的現實意義。

1 工作原理和相關設計

1.1 太陽能供熱系統的工作原理

太陽能供熱系統由集熱系統、輔助熱源系統、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構成，主要分為能源供應、能源存儲和能源利用三個環節（如圖1所示）。與傳統的供熱方式相比，太陽能供熱系統并不以常規能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發揮其作用，幫助完成供熱任務。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統構成

該系統的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統的設計

太陽能供熱系統的設計主要集中在集熱系統和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統的設計包括選型、定位、連接和確定面積四個環節。在選型前，應對太陽能集熱器進行分類：按照結構類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統的定位主要依據集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯、并聯和混聯三種連接方式，連接方式的選擇要根據具體情況判定。由于太陽能供熱系統主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設計主要包括選擇、裝置和運行三個環節，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導熱系數大等優點，被廣泛應用。相變材料一般要封存在容器里，構成相變蓄熱裝置，該裝置可實現采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統的優化設計

2.1 太陽能集熱系統的優化

集熱系統的優化應考慮集熱器的最佳傾角和最優面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發揮系統的集熱作用。最佳傾角主要受當地的地理緯度、太陽輻射量、太陽角和月份等因素的影響；集熱器的最優面積會直接影響系統的運行效果，最優面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關系，以計算供熱系統的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應的集熱器面積較小，該情況出現的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優面積要小于最不利工況對應的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統的優化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發現，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據日蓄熱量集中的區間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎上，還可計算出蓄熱裝貿填充的相變材料的質量。

3 結束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩定性，將太陽能集熱系統、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結合在一起，實現了太陽能供熱系統供熱的穩定性。通過分析太陽能供熱系統的工作原理和相關設計，我們認為，因太陽能供熱系統由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優化設計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優面積和蓄熱系統的容量，以使系統運行效果達到最佳。

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節能和環保效益。就太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術的推廣和應用提供一定的理論依據。

關鍵詞：太陽能；供熱系統；優化設計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質傳送給供熱系統，進而實現對建筑的供熱。太陽能供熱技術的應用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環境，但該技術在應用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩定性，且熱能存儲技術尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統的運行效率，已經成為該領域研究的關鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統優化設計的相關問題進行探討，具有重要的現實意義。

1 工作原理和相關設計

1.1 太陽能供熱系統的工作原理

太陽能供熱系統由集熱系統、輔助熱源系統、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構成，主要分為能源供應、能源存儲和能源利用三個環節（如圖1所示）。與傳統的供熱方式相比，太陽能供熱系統并不以常規能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發揮其作用，幫助完成供熱任務。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統構成

該系統的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統的設計

太陽能供熱系統的設計主要集中在集熱系統和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統的設計包括選型、定位、連接和確定面積四個環節。在選型前，應對太陽能集熱器進行分類：按照結構類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統的定位主要依據集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯、并聯和混聯三種連接方式，連接方式的選擇要根據具體情況判定。由于太陽能供熱系統主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設計主要包括選擇、裝置和運行三個環節，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導熱系數大等優點，被廣泛應用。相變材料一般要封存在容器里，構成相變蓄熱裝置，該裝置可實現采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統的優化設計

2.1 太陽能集熱系統的優化

集熱系統的優化應考慮集熱器的最佳傾角和最優面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發揮系統的集熱作用。最佳傾角主要受當地的地理緯度、太陽輻射量、太陽角和月份等因素的影響；集熱器的最優面積會直接影響系統的運行效果，最優面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關系，以計算供熱系統的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應的集熱器面積較小，該情況出現的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優面積要小于最不利工況對應的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統的優化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發現，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據日蓄熱量集中的區間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎上，還可計算出蓄熱裝貿填充的相變材料的質量。

3 結束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩定性，將太陽能集熱系統、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結合在一起，實現了太陽能供熱系統供熱的穩定性。通過分析太陽能供熱系統的工作原理和相關設計，我們認為，因太陽能供熱系統由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優化設計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優面積和蓄熱系統的容量，以使系統運行效果達到最佳。