太阳能供热设计研讨

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本文作者：段林李昌锋单位：兰州交通大学

0引言

太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，随着科学技术的进步，近年来受到了全社会的高度重视，已经开始被广泛的应用于发电、取暖、供水等诸多领域。在我国大部分国土面积属于供暖地区，建筑采暖是保证生存的基本条件；另外，我国太阳能资源最为丰富的地区大多是气候寒冷、常规能源比较缺乏的偏远地区，这些地区既有实际的采暖需求，又有充足的太阳能资源，是应用太阳能供热采暖条件最为优越的地区。因此，太阳能供热采暖将是继太阳能热水之后，最具发展潜力的太阳能热利用技术，有着广阔的应用前景。

1太阳能集热器系统的设计原则

a）应合理设计太阳能集热器在建筑上的安装位置。建筑设计应将所设置的太阳能集热器作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，保持建筑统一和谐的外观，并与周围环境相协调；设置在建筑任何部位的太阳能集热器应能充分接受阳光；应与建筑锚固牢靠，保证安全；同时不得影响该建筑部位的承载、防护、保温、防水、排水等相应的建筑功能。建筑设计应为系统各部分的安全维护检修提供便利条件；b）太阳能集热器宜朝向正南或南偏东、偏西30°的朝向范围内设置；安装倾角可选择在当地纬度±10°的范围内；受实际条件限制时，可以超出范围，但应进行面积补偿，合理增加集热器面积，并进行经济效益分析[1]；c）受条件限制不能按推荐方位和倾角设置太阳能集热器时，按式(1)进行集热器面积补偿，计算增加的集热器面积。AB=AS/RS，(1)式中：AB为面积补偿后确定的集热器面积；AS为用式(3)和(5)计算得出的集热器面积；RS为近似等于与集热器安装方位角和倾角所对应的补偿面积比；d）放置在平屋面上的集热器在冬至日的日照时数应保证不少于4h，互不遮挡、有足够间距(包括安装维护的操作距离)，排列整齐有序；e）正午前后n小时照射到集热器表面上阳光不被遮挡的日照间距s由式(2)计算。S=Hcothocsγ0，(2)式中：S为日照间距（m）；H为前方障碍物的高度，m；h为计算时刻的太阳高度角；γ0为计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角；f）宜将集热器在向阳坡屋面上顺坡架空设置或顺坡镶嵌设置。建筑坡屋面的坡度宜等于集热器接受阳光的最佳角度，即当地纬度±10°；g）低纬度地区设置在墙面、阳台栏板、女儿墙上的太阳能集热器应有一定的倾角，使集热器更有效地接受太阳照射；h）集热器连接成集热器组宜采用并联方式；采用串联连接时，串联的集热器个数不宜超过3个。集热器组之间宜采用并联方式连接，各集热器组包含的集热器数量应该相同，每组集热器的数量不宜超过10个；i）太阳能集热器类型及面积的确定。(a)太阳能集热器的类型应与使用当地的太阳能资源、气候条件相适应，在保证太阳能供暖系统全年安全、稳定运行的前提下，选择性能价格比最优的集热器；(b)直接系统集热器总面积用式(3)计算：式中：AC为直接系统集热器总面积，m2；Q为建筑物的耗热量指标，W/m2；A0为建筑面积，按各层外墙外包线围成面积的总和计算，m2；JT为当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐照量kJ/m2•日；f为太阳能保证率，%，按表1选取；ηcd为基于总面积的集热器集热效率，%，由测试所得的效率曲线方程，根据归一化温差计算得出；ηL为管路及贮热装置热损失率，%。Q按式(4)计算：Q=QHT+QIHF+QIH，(4)式中：Q为建筑物的耗热量指标，W/m2；QHT为单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量，W/m2；QIHF为单位建筑面积的空气渗透耗热量，W/m2；QIH为单位建筑面积的建筑物内部得热，住宅建筑取3.8W/m2。(c)间接系统太阳能集热器总面积AIN按式(5)计算：AIN=AC•（1+UL+ACUhx+Ahx），(5)式中：AIN为间接系统集热器总面积，m2；AC为直接系统集热器总面积，m2；UL为集热器总热损失系数，W/(m2•℃)，测试得出；Uhx为换热器传热系数，W/(m2•℃)；Ahx为间接系统换热器换热面积，m2；j）太阳能集热系统的设计流量确定。(a)太阳能集热系统的设计流量GS分别用式(6)和(7)计算：GS=3.6•g•AC，(6)GS=3.6•g•AIN，(7)式中：GS为太阳能集热系统的设计流量m3/h；g为太阳能集热器的单位面积流量L/(h•m2)；AC为直接式太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2；AIN为间接式太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2：（b）太阳能集热器的单位面积流量g与太阳能集热器的特性有关，宜根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。在没有企业提供相关技术参数的情况下，根据不同的系统，宜按表2中给出的范围取值。(c)宜采用自动控制变流量太阳能集热系统，设太阳辐照感应传感器(如光伏电池板等)，根据太阳辐照条件控制变频泵改变系统流量，实现优化运行。

2太阳能供暖系统的蓄热方式选取原则

a）应根据太阳能集热系统形式、系统性能、系统投资，供暖负荷和太阳能保证率进行技术经济分析，选取适宜的蓄热分系统；b）贮热水箱蓄热适用于液体工质集热器短期蓄热太阳能供暖系统[3]；c）地下水池蓄热适用于液体工质集热器季节蓄热太阳能供暖系统；畜热量大、施工简便、初投资低，是性能价格比最优的季节蓄热系统；d）土壤埋管蓄热适用于液体工质集热器季节蓄热太阳能供暖系统，蓄热量大、施工简便、初投资蓄热量大，但施工较复杂，初投资高；e）卵石堆蓄热适用于空气集热器短期蓄热太阳能供暖系统；f）相变材料蓄热同时适用于空气集热器和液体工质集热器短期蓄热太阳能供暖系统；g）贮热水箱容积配置。各类太阳能供热系统对应每平方米太阳能集热器采光面积的贮热水箱容积范围宜按表3选取，根据设计蓄热时间周期和蓄热量等参数计算确定；

3太阳能供暖系统的辅助热源设计原则

a）太阳能供暖系统应设辅助热源及其加热/换热设备、设施，辅助热源可因地制宜选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热和生物质燃料等，加热/换热设备、设施有各类锅炉、换热器和热泵等；b）辅助热源的供热量宜按现行国家标准GB50011－2003采暖通风与空气调节设计规范规定的采暖热负荷计算；在标准规定可不设置集中采暖的地区或建筑，可根据当地的实际情况，适当降低辅助热源的供热量标准；c）辅助热源加热、换热设备应根据当地可用的热源种类、价格、供水水质、供暖系统型式、对环境的影响、使用的方便性等因素，通过技术、经济分析合理选用；宜重视废热、余热利用；d）辅助热源及其加热设施应在保证太阳能集热系统充分工作的条件下辅助运行。辅助热源设施宜靠近贮热水箱(罐)设置，并应便于操作、维护；e）大型、集中式太阳能供暖系统的辅助热源设备配置宜不少于2台；1台检修时，其他各台加热设备的总供热能力不小于50％的系统负荷。小型户式太阳能供暖系统可配置1台辅助热源设备；采用快速式燃气水加热器时，应注意该加热器的允许进水温度。

4结语

我国大部分地区太阳能资源丰富，且冬季采暖需求大，从节能和可持续发展角度考虑，太阳能供热系统具有广泛的应用前景。但目前受到资金、技术等的限制，太阳能采暖系统的应用推广仍显缓慢，望能通过较多的研究切实提高太阳能在建筑工程采暖系统中的应用。