主動式太陽房的設計應用

張　寧　張殿光　*

(大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧 大連　116000)

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主動式太陽房的設計應用

張寧張殿光*

(大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧 大連116000)

摘要：以一棟小規模別墅為對象，提出了以太陽能—熱泵為熱源供熱的方法，確定了太陽能集熱器的面積和貯熱水箱的容量，解決了太陽能的不可控制性等問題，對節約能源以及環境保護有重要的作用。

關鍵詞：主動式太陽房，集熱器，貯熱水箱，熱泵

能源是人類生存和社會發展的物質基礎,相比煤，石油，天然氣等不可再生能源燃料，太陽能燃燒時不會釋放大量氣體，使環境受到污染，而且我國是太陽能資源十分豐富的國家之一，尤其是大西北，太陽能的開發利用具有巨大的潛力。

1主動式太陽房

主動式太陽房的設備主要包括：太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助熱源及管道、閥門、風機、水泵、控制系統等。主動式太陽能建筑就是通過高效集熱裝置(太陽能集熱器)來獲取太陽能，然后通過媒介(空氣或水系統)將收集到的熱量送入建筑內的建筑形式。

2太陽能集熱器

按集熱管產品劃分可以將集熱器分為平板式、全玻璃真空管式、熱管真空管式等。平板型太陽能集熱器和真空管太陽能集熱器是目前市場上比較常見的兩種集熱器類型。

3別墅建筑采暖系統實例

3.1工程概況

本文以大連市一棟占地面積為196.87 m2的單棟雙層別墅型建筑為對象進行設計。相關參數如表1所示，計算結果見表2。

3.2太陽能采暖系統原理

太陽能采暖系統原理圖見圖1。

3.3自動控制系統

本設計采用半自動控制系統，主要包括自動監測水溫、自動監測水位、定溫進水、貯水箱水滿后自動轉入溫差循環、早上8點自動開啟熱泵系統等。

當T1>50 ℃時，控制器啟動水泵，水進入集熱器中加熱，并將集熱器中的熱水壓入水箱中。當T1<40 ℃時，水泵停止工作，同時為了防止集熱器夜間的損失加上止回閥。當蓄熱水箱溫度T3>45 ℃時，開啟水泵進行采暖。當陰雨天或冬季光照強度弱的時候，開啟三通閥，利用輔助熱源加熱。

3.4太陽能采暖系統主要參數

根據選定的建筑，可以確定太陽能采暖系統的主要參數(如表1所示)。根據這些參數可以計算出太陽能集熱器面積和儲熱水箱有效容積。太陽能集熱器面積的確定依據是建筑供熱負荷和集熱器有效集熱強度。建筑供熱負荷可由當地采暖熱指標和建筑面積確定，本文依據國標確定大連地區建筑采暖熱指標為40 W/m2。平板集熱器在大連地區的有效集熱強度需要通過具體測試數據獲得，這里取0.242 kW/m2。

親子閱讀活動之前，一年級組老師們會集體研究制訂詳細的活動計劃，包括親子閱讀的目的、要求以及具體時間、地點、人員、閱讀書目、閱讀方式和閱讀評價等內容。然后，老師們會按照計劃給家長們印發材料，召開家長培訓會。家長培訓會分階段進行，一個學期要開十余次。

3.5太陽能建筑采暖方式

針對我國目前采暖技術的發展現狀，采暖方式一般采用低溫熱水地板輻射采暖系統，這種系統以不高于60 ℃的熱水作熱媒(適合太陽能集熱溫度不高的特點)，在埋設于地面填充層中的加熱管內循環流動，通過加熱地面，然后以輻射傳熱方式向室內供熱。

3.6采暖熱負荷計算

民用建筑采暖熱負荷計算有兩種方法，一種是理論計算法，根據太陽房耗熱量，圍護結構散失熱量，空氣滲透量等計算采暖熱負荷；另一種是指標估算法，民用建筑節能設計標準給出了大部分城市的面積熱指標，所以工程中也可以通過簡單的面積熱指標估算法來計算采暖熱負荷:

Q熱=3.6ARqzb×24。

其中，Q熱為建筑耗熱量，kJ；AR為建筑面積，m2；qzb為面積熱指標，40 W/m2。代入數據得：Q熱=3.6×393.74×40×24=1 360 765 kJ/d。

3.7貯熱水箱容量計算

水箱的容水量要根據太陽能地板采暖日需熱水量進行設計。貯熱水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環用。由于生活用水溫度較高，所以在貯熱水箱內部設立一個水箱與生活用水相連，將該水箱與空氣源熱泵相連。為了避免生活用水溫度過高，在洗浴熱水管路上設置自來水進口，以實現混合降溫的目的。只要系統循環水不出現漏失，就不需要對供熱循環水箱進行補水。在夜間無太陽能工作的情況下，為了更大程度的節約能源，將系統設計為夜間供熱的熱量全部由貯熱水箱提供，由下式計算得出：

mccp(Th-T1)=ARqzby×3.6×Δτ=QRy。

其中，Th為貯熱水箱最高水溫，℃；T1為貯熱水箱最低水溫，℃；Δτ為貯熱水箱供熱時段長度，h；qzby為日間供熱折合單位面積熱指標，W/m2；QRy為夜間供熱負荷，kJ。

代入數據得：日間供熱負荷QRR=393.74×10×3.6×10=141 746 kJ。

夜間供熱負荷QRy=1 360 765-141 746=1 219 018 kJ。

貯熱水箱容量mc=1 219 018/(4.187×10)=29 114 kg。

3.8集熱器面積的計算

太陽能集熱器的面積可以根據建筑日間供熱量和夜間所需貯存量之和，即每天太陽能集熱器的有效集熱量和太陽能集熱器的平均集熱強度之比計算：

其中，A為集熱器面積，m2；Qout為太陽能集熱器有效集熱量，kJ；I為太陽能集熱器的平均集熱強度，kJ/m2。代入數據得：集熱器面積A=1 360 765/(3 600×0.242×10)=156 m2。

3.9生活用水的相關計算

1)太陽能熱水系統設計小時耗熱量的計算公式為：

其中，Qh為設計小時耗熱量，kJ/h;qr為熱水用量定額，L/(人·d)或L/(床·d)；m為用水計量單位數，人數或床位數；C為水的比熱，C=4.187 kJ/(kg·℃)；tr為熱水溫度，65 ℃；tl為冷水溫度，7 ℃；ρ為熱水密度，kg/L；T為每日使用時間，h；Kh為小時變化系數。代入數據得：Qh=4.0×8×80×4.187×58×0.981/24=25 411.4 kJ/h。

2)太陽能熱水系統設計小時供熱量的計算公式為：

其中，Qg為設計小時供熱量，kJ/h;T1為熱泵機組每日設計工作時間，h；K1為安全系數，1.05～1.10。 代入數據得：Qg=1.05×8×70×4.187×58×0.981/12=11 673.4 kJ/h。

3)生活用水貯熱水箱容積計算。

全日制集中熱水供熱系統貯熱水箱有效容積，應根據日耗熱量、熱泵持續工作時間及熱泵工作時間內耗熱量等因素確定，當其因素不確定時宜按下式計算：

其中，Vr為貯熱水箱有效容積，L；Qh為設計小時耗熱量，kJ/h;Qg為設計小時供熱量，kJ/h;η為有效貯熱容積系數，0.85～0.90；K2為安全系數，1.10～1.20。

代入數據得：Vr=1.1×(25 411.4-11 673.4)×24/(0.85×58×4.187×0.987)=1 780 L。

3.10輔助熱源系統

為了保證陰雨天或冬季光照強度弱的時候系統正常運行，設計了輔助能源系統，作為輔助熱源的能源種類繁多，但為了使系統的構成簡單化，一般使用電能的居多，在儲熱水箱中設置電加熱器，在太陽能無法滿足建筑采暖要求時，啟動電加熱器作為補充。

4結語

在對大連某別墅的設計計算過程中，本文以前人的研究成果為基礎，闡述了主要的計算方法。可以發現主動式太陽能熱泵系統的可行性，不僅節約了能源還起到了環境保護的作用，用更復雜的設備組合和更精確的控制系統滿足居民對環境質量舒適度的要求，太陽能的應用必將成為日后的發展趨勢。

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Application of the design of active solar house

Zhang NingZhang Dianguang*

(CollegeofMachinery&DynamicEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116000,China)

Key words:active solar house, heating cluster case, hot water storage tank, heat pump

Abstract:Taking a small-scale villa as the target, the paper puts forward heating methods with solar energy-heat pump as heating source, determines the solar heating cluster case area and hot water storage tank volume, and solves uncontrollability problems of solar energy, which has significant role for saving energy resources and protecting environment.

文章編號：1009-6825(2016)14-0180-02

收稿日期：2016-03-06

作者簡介：張寧(1992- )，女，在讀碩士

通訊作者：張殿光(1977- )，男，副教授

中圖分類號：TU201.5

文獻標識碼：A