陶瓷太陽能集熱系統在北方農村冬季采暖中的應用★

秦 旖

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

?

·綠色環保·建筑節能·

陶瓷太陽能集熱系統在北方農村冬季采暖中的應用★

秦 旖

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

結合工程實例，介紹了陶瓷太陽能采暖系統的構造及運行原理，分析了采用該系統采暖后房屋室內溫度的變化情況，指出陶瓷太陽能集熱系統可有效調控農村獨立住宅溫度，承擔采暖中的大部分冷負荷。

陶瓷太陽能集熱器，采暖，農村，室內溫度

0 引言

隨著“城鄉一體化”步伐加快，農村經濟取得突飛猛進的發展。伴隨著農民生活質量的提高，農民對房屋的熱舒適性需求也逐步提高。然而，受村落分布不集中因素影響，集中供暖的形式難以在農村中開展，農村冬季采暖問題漏洞百出。目前，農村冬季采暖主要選取燃煤方式，或是輔以秸稈、柴草、電、氣等能源的獨立取暖[1]，這些方式存在資源燃燒帶來的大氣污染、能源浪費等問題。因此，尋求節能、高效、環保的農村采暖技術勢在必行。

太陽能作為清潔能源，“取之不盡、用之不竭”，一直以來都是國內外學者研究的熱點。太陽能集熱器可以實現太陽能向熱能的轉化：集熱器內的水吸收太陽能后升溫來對采暖設備加熱或提供生活用熱水。目前太陽能集熱器種類按材質不同可分為真空管集熱器、平板集熱器、陶瓷集熱器、塑料集熱器等。其中，陶瓷太陽能集熱器因集熱率高、壽命長、價格低、安裝方便等優勢成為建筑加裝太陽能系統的最好選擇之一[2]。本文以山西省太原市晉源區某一農村居民獨立建筑中的陶瓷太陽能集熱系統為例，采用實測室內溫度變化的方法，用以分析陶瓷太陽能集熱系統在北方農村冬季采暖中的應用。

1 陶瓷太陽能集熱系統

1.1 系統構造

陶瓷太陽能集熱系統由集熱器、集熱水箱、控制柜、循環泵系統、末端采暖設備、輔助熱源等構成。其中，陶瓷太陽能板以普通陶瓷為基底，在向陽面澆筑工業廢棄物生成的釩鈦黑瓷,太陽能吸收率高達0.95。陶瓷太陽能板坡向屋面設置，與建筑物屋面形成一體：陶瓷太陽能板與其下覆蓋的玻璃棉對建筑物起到了保溫的作用；同時，陶瓷太陽能板上方的鋼化玻璃在保護太陽能板的同時又充當了建筑物的防水層。

圖1為陶瓷太陽能采暖系統構造圖。

1.2 系統運行原理

在集熱水箱底部出口處和陶瓷太陽能板出水口處分別設置溫度傳感器：當太陽能板出水口處溫度(T1)與集熱水箱底部出口處溫度(T2)差值(T1-T2)高于設定溫度(5 ℃)時，循環水泵開啟，集熱器內吸收太陽能升溫后的熱水進入集熱水箱內與水箱內的冷水進行熱交換，同時定溫水位電磁閥開啟向集熱器內補充自來水；當溫度差值(T1-T2)低于設定溫度(5 ℃)時，循環水泵與定溫水位電磁閥關閉。隨著集熱水箱與集熱器內冷熱水的不斷換熱，集熱水箱內的水溫度持續升高。當集熱水箱內的溫度達到末端采暖設備供熱所需溫度時，水泵開啟，集熱水箱內的熱水進入末端采暖設備用于房間供熱。當集熱水箱內的水位低于設定值時，補水電磁閥開啟向水箱中補充自來水至達到設定水位停止補水。其中，輔助熱源用以滿足冬季陰雪天的供熱需求。

2 工程實例

2.1 工程概況

本次陶瓷太陽能集熱采暖測試系統選取在山西省太原市晉源區某一農村居民獨立建筑中。該獨立建筑為單層建筑，坐北朝南，建筑面積82.61 m2。在屋頂沿屋面傾角敷設陶瓷太陽能集熱板：集熱板規格選取710×710×26,分4排9列敷設，共計敷設36塊；集熱板連接選取串并聯方式，敷設傾角22°。在室內安置采暖系統中的集熱水箱，水箱容量選取1.5 t。末端采暖方式選取輻射地板供暖。

集熱器敷設效果圖如圖2所示。

2.2 參數選取

1)集熱板面積選取。

參照文獻[3]，選取計算用采暖期室外平均溫度-1.1 ℃，計算用室內平均溫度18 ℃，計算用采暖期天數127 d。利用PKPM采暖居住建筑能效測評軟件計算得該獨立建筑在采暖期內建筑耗熱量指標為31.16 W/m2。因此，滿足冬季供暖負荷所需的陶瓷太陽能板面積可用式(1)[4]計算：

(1)

其中，q為日平均釆暖負荷,取31.16 W/m2；A0為建筑面積，取82.61 m2；f為太陽能保證率,取0.1～0.3；JT為太原市集熱器安裝的平均日太陽能輻照量,取16.89 MJ/m2；ηcd為系統使用期的平均集熱效率，取0.25～0.5；ηL為管道及集熱水箱熱損失率，取0.2～0.3。

由式(1)計算得，為滿足冬季室內的供熱負荷，陶瓷太陽能板的計算面積為14.5 m2。實際工程中屋頂敷設陶瓷太陽能集熱板面積18.2 m2，因此，實際工程中使用的陶瓷太陽能集熱系統可以很好地滿足房屋的供熱需求。

2)集熱水箱的選取。

在進行集熱水箱容積的確定時，對于短期蓄熱的太陽能供熱采暖系統，集熱器對應的水箱容積選取80 L/m2[5],則18.2 m2集熱板面積對應的水箱容積為1.46 t。因此，本次陶瓷太陽能集熱系統中集熱水箱容積選取為1.5 t。

2.3 系統運行

陶瓷太陽能集熱采暖系統運行時間為2015年11月1日～2016年3月1日：設定集熱系統每日早晨9:00開始集熱器和集熱水箱內的水循環，至下午16:00循環結束；地暖采取間歇供暖方式，集熱水箱從15:00開始向地暖供水直至次日10:00供水結束。陰雪天時，開啟電加熱設備用于地暖供熱。同時，在室內、室外分別安置溫度探頭用以監測室內外空氣溫度的實時變化。

3 結果分析

在采用陶瓷太陽能集熱采暖系統為獨立建筑供暖時，由于供暖期較長，溫度探頭獲取得到的室內外空氣溫度數據較多，故選取系統供暖時最冷日(晴天)1月18日室內外空氣逐時溫度數據和最冷月份1月份的室內外空氣平均溫度數據進行分析，如圖3，圖4所示。其中，1月1日～1月11日、1月16日～1月22日、1月30日為晴天，余下時間為陰雪天。

圖3為1月18日室內、室外空氣溫度日變化。

由圖3分析可得，在采用陶瓷太陽能集熱采暖系統為獨立建筑供暖后，室內外空氣溫度變化趨勢基本一致：室外溫度波動范圍-11 ℃～3.5 ℃，供暖后，室內溫度波動范圍14 ℃～16.4 ℃。可以看出，采用陶瓷太陽能集熱系統進行供暖，可以有效地承擔農村獨立住宅中的大部分冷負荷。供暖后的室內溫度略低于設計標準溫度18 ℃，但仍可以滿足居住熱需求。

圖4為1月份室內、室外空氣平均溫度變化。

由圖4分析可以得知，2015年1月份室外平均溫度波動范圍

-6.5 ℃～0 ℃，在采用陶瓷太陽能集熱采暖系統為獨立建筑供暖后，室內溫度波動范圍14 ℃～19 ℃，符合農村住宅采暖需求[6]。因此，在北方農村地區使用陶瓷太陽能集熱系統供暖是有效的。

4 結語

本文從實際工程出發，對陶瓷太陽能集熱系統在北方農村冬季采暖中的應用進行分析，得出以下結論：

1)陶瓷太陽能集熱采暖系統可以有效地利用太陽能來對建筑物進行供熱。在使用該供熱系統后，最冷月室內溫度可以保持在14 ℃～16.4 ℃范圍內波動，符合農村住宅采暖需求。

2)采用陶瓷太陽能集熱采暖系統為農村獨立建筑供暖時，地暖的運行方式選取為間歇運行就可以較好地滿足室內熱需求。

3)在陰雪天時，需要輔以電加熱的方式來對地暖進行加熱來滿足供暖需求。

[1] 張 強.以城鄉一體化思路解決農村供暖問題[J].北京農業職業學院學報，2012,26(6):3-5.

[2] 潘 晉，孟 陽.我國北方農村太陽能采暖研究[J].建設科技，2015(6):76-78.

[3] GB J26—2010，嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].

[4] 潘 晉.青島某新農村供熱系統集成技術研究[D].濟南：山東建筑大學碩士學位論文，2015.

[5] GB 50495—2009，太陽能供熱釆暖工程技術規范[S].

[6] 劉 鳴，陳 濱，張寶剛，等.北方地區低能耗自循環農村住宅實踐性能分析[J].建設技術，2012,43(7):611-614.

Application of ceramic solar water heating system in the rural north of the winter heating★

Qin Yi

(ShanxiAcademyofBuildingResearch，Taiyuan030001,China)

Combining with engineering examples, it introduces the structures and operation principles of ceramic solar energy heating system, through the analysis of the indoor temperature changes after using ceramic solar water heating system, it is concluded that the ceramic solar water heating system can control the temperature of independent rural housing effectively, bearing the most of the cooling load of the heating.

ceramic solar water heating system, heating, rural, indoor temperature

1009-6825(2016)20-0193-02

2016-05-09★:山西省農村建筑節能關鍵技術合作研究(中歐合作項目)(項目編號：2013DFE63170)

秦 旖(1991- ),女，碩士

TU832.17

A