淺談我國北方地區(qū)的太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：供暖是我國北方地區(qū)居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的一項重要內(nèi)容，太陽能作為一種重要的可再生能源，對保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境、緩解能源緊張有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章結(jié)合我國北方地區(qū)的供暖需求，闡述了太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計方案及優(yōu)化，為人們提供一個舒適、健康的生活和工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：我國北方地區(qū)；太陽能；供暖系統(tǒng)；設(shè)計

近年來，資源利用、生態(tài)平衡和環(huán)境保護(hù)受到人們的廣泛關(guān)注，供暖能耗在整個建筑能耗中占有較大比例，在我國北方大部分地區(qū)太陽能資源非常豐富，具有較高的利用價值，通過充分利用太陽能資源，合理設(shè)計太陽能供暖系統(tǒng)，可有效降低建筑能耗。

1 太陽能供暖系統(tǒng)概述

1.1 太陽能供暖系統(tǒng)優(yōu)勢

太陽能供暖系統(tǒng)主要是利用太陽能輻射來加熱低溫水使之升溫，在當(dāng)前太陽能熱利用中應(yīng)用廣泛，技術(shù)也比較成熟，發(fā)展趨勢迅速。

太陽能供暖系統(tǒng)一般由太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)泵、循環(huán)管道、末端設(shè)備、加熱裝置等組成，集熱器是整個太陽能供暖系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對于供暖系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性有著至關(guān)重要影響。因此，一個合理的太陽能供暖系統(tǒng)，必須充分考慮建筑物供暖熱負(fù)荷、供電情況、集熱器安裝條件、安裝位置、太陽輻射資源等[1]因素，合理選擇集熱器類型、集熱器面積、蓄熱水箱容量，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和建造成本，提高太陽能資源的利用率，確保建筑熱環(huán)境的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 太陽能供暖系統(tǒng)組成

1.2.1 太陽能集熱器。太陽能集熱器是太陽能供暖系統(tǒng)關(guān)鍵的集熱元件，其主要是利用太陽輻射熱量，在太陽照射的白天將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。

1.2.2 蓄熱水箱。蓄熱水箱是儲存熱水的重要容器，由于太陽能不是一個穩(wěn)定的熱源，集熱器只有在有太陽照射時才能夠集熱，所以需要設(shè)置蓄熱水箱將集熱器在太陽照射條件下產(chǎn)生的熱能保存起來，使供暖系統(tǒng)具備一個連續(xù)穩(wěn)定的熱源。目前，我國太陽能供暖系統(tǒng)蓄熱水箱內(nèi)膽主要采用同樂搪瓷，水質(zhì)清潔、耐腐蝕、保溫效果好、使用壽命較長。

1.2.3 循環(huán)管道。連接管道包括兩個獨(dú)立的閉式循環(huán)環(huán)路，其一是從蓄熱水箱將低溫液輸送到集熱器，再從集熱器將高溫液輸送到蓄熱水箱；其二是從蓄熱水箱將高溫水輸送到末端設(shè)備，再從末端設(shè)備將低溫水輸送到蓄熱水箱。設(shè)計合理、連接正確的循環(huán)管道對整個太陽能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有著重要影響，連接管道應(yīng)具有較高的質(zhì)量。

2 我國北方地區(qū)的太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計

2.1 太陽能集熱器選擇

太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射熱并且傳遞熱能的裝置，當(dāng)前我國太陽能集熱器主要采用真空管集熱器和平板型集熱器。真空集熱器由肋架、真空管、U型管等組成，U型管表面涂有吸收涂層，設(shè)置在玻璃管下方，可產(chǎn)生聚光效應(yīng)。真空管集熱器的熱效率很高，但是其耐熱沖擊能力低、耐冰凍性較低，當(dāng)冷水直接接觸玻璃真空管時，真空管易發(fā)生炸裂，嚴(yán)重影響整個供暖系統(tǒng)的運(yùn)行，并且玻璃管容易結(jié)垢很難清理，穩(wěn)定性較差。平板型集熱器主要由集熱板、透明蓋板、隔熱層等組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、耐熱沖擊性好、承壓高、使用壽命長、集熱快、易與建筑結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，但其存在不耐冰凍、熱損失大、造價高等問題，在我國北方寒冷地區(qū)需要通過采用回流排空和防凍液二次循環(huán)技術(shù)，來解決集熱器防凍問題。

2.2 集熱器安裝

集熱器安裝在集熱器需成行排列，太陽能集熱器相互不遮陽的最小距離計算公式：S=L×tgB×sinB，其中：S是不擋光最小距離；L是集熱器長度；B是集熱器安裝傾角[2]。

2.3 蓄熱裝置選擇

太陽能供暖系統(tǒng)需設(shè)置蓄熱器，常用的蓄熱方法包括化學(xué)儲存、潛熱儲存和顯熱儲存三種，蓄熱材料一般采用相變材料、土壤或者水。太陽能供暖系統(tǒng)主要以水作為蓄熱介質(zhì)，因此可選擇蓄熱水箱。用于供暖系統(tǒng)的蓄熱水箱宜選擇分層式結(jié)構(gòu)，不僅能夠降低集熱器進(jìn)口溫度，還能增加可被利用的熱水量，從而提高系統(tǒng)效率。蓄熱水箱的容量，一般可按照每平方米集熱器0.05～0.10m3的容量進(jìn)行配置。

2.4 輔助熱源

在我國北方寒冷地區(qū)，供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性是十分必要的，但不可一味地增加集熱器面積和蓄熱水箱的容量，這會大幅度地增加工程投資和降低太陽能系統(tǒng)的利用率。在太陽能難以提供充足的熱量時，應(yīng)選擇合理的輔助熱源，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合各地區(qū)的氣候狀況和條件，對供熱負(fù)荷小的系統(tǒng)可通過分散布置電熱風(fēng)機(jī)、電暖器等方式來解決，對供熱熱負(fù)荷大的系統(tǒng)，則應(yīng)通過輔助電加熱器、燃油、燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐來控制調(diào)節(jié)，在具備集中供熱地區(qū)，則可連接熱力管網(wǎng)進(jìn)行供暖。

2.5 末端裝置

建筑物室內(nèi)的供暖設(shè)備位于能源輸送系統(tǒng)終端，將熱能導(dǎo)出并分散到所需之處，稱為末端裝置，一般分為對流散熱和輻射散熱兩種，對流散熱常用的有風(fēng)機(jī)盤管和散熱器，輻射散熱常用的有毛細(xì)管輻射系統(tǒng)和地板輻射系統(tǒng)。

2.5.1 散熱器末端系統(tǒng)。散熱器末端系統(tǒng)是我國北方地區(qū)建筑應(yīng)用最廣泛的一種供暖末端系統(tǒng)，其通過太陽能獲取熱能，由熱水載體輸送到室內(nèi)散熱器中，這種簡便的將太陽能熱水轉(zhuǎn)移到室內(nèi)的采暖方式，在我國寒冷地區(qū)早期太陽能采暖中發(fā)揮著重要作用。

2.5.2 地板輻射末端系統(tǒng)。太陽能地板輻射末端系統(tǒng)主要是利用太陽能集熱器作為熱源，將地埋盤管埋于地板下通過循環(huán)系統(tǒng)將熱水導(dǎo)入埋管中，使地板下的埋管和熱水進(jìn)行熱交換，通過地板埋管將吸收的熱量輻射到室內(nèi)，形成室內(nèi)供暖系統(tǒng)，通過輻射傳熱方式一部分投射到室內(nèi)物體表面，一部分投射到人體表面，具有輻射強(qiáng)度和溫度的雙重作用，可給人們以舒適感。

2.5.3 毛細(xì)管輻射末端系統(tǒng)。毛細(xì)管輻射末端系統(tǒng)是指在住宅建筑中的墻面、吊頂和地面鋪設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，不僅可降低安裝難度，也可以節(jié)省大量室內(nèi)空間，通過輻射方式傳遞大部分的熱量，和其他形式末端系統(tǒng)相比，舒適性高、無噪音，也不會滋生細(xì)菌，安裝厚度約10mm，供水溫度可低至32℃，極大地提高了系統(tǒng)的熱利用率。

2.6 供暖地板結(jié)構(gòu)設(shè)計

地板輻射供暖系統(tǒng)水溫較低，可將管路直接埋設(shè)在墊層中，由面層、填充層、隔熱層等組成，隔熱層可確保熱量不斷向上傳遞，通常采用質(zhì)量輕、密度小的高效保溫材料，將保溫防潮層敷設(shè)在隔熱層上，在填充層上敷設(shè)防水層。太陽能地板輻射供暖系統(tǒng)盤管可采用回型和蛇型敷設(shè)方式[3]，盤管敷設(shè)方式應(yīng)結(jié)合盤管最小彎曲半徑合理選擇，在鋪設(shè)塑料管時應(yīng)保持均勻一致，低溫管和高溫管相互間隔設(shè)置，使板面溫度更加均勻，地板構(gòu)造中應(yīng)緊密排列各層材料。由于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地板中都設(shè)置保溫層，只需要考慮盤管向上的傳熱效應(yīng)。

3 結(jié)束語

我國北方地區(qū)日照率高、太陽能資源豐富，太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，充分考慮多種因素，優(yōu)化設(shè)計太陽能供暖系統(tǒng)的各個部分，選擇經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性較高的末端系統(tǒng)，考慮到室內(nèi)舒適度，應(yīng)盡量采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，不僅具有良好的節(jié)能環(huán)保效果，而且便于維護(hù)管理。

參考文獻(xiàn)

[1]張玲.寒冷地區(qū)農(nóng)居太陽能炕采暖系統(tǒng)設(shè)計研究[D].山東建筑大學(xué)，2010.

[2]康玉東.寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)住宅建筑太陽能采暖系統(tǒng)研究[D].山東建筑大學(xué)，2011.

[3]高金水.太陽能供暖系統(tǒng)分析[D].天津大學(xué)，2012.

作者簡介：周國軍（1968，10-），男，河南濟(jì)源人，學(xué)歷：本科，研究方向：太陽能供暖。