1、东北地区利用太阳能供暖可行性研究刘晔 张喜明 马凤娟摘要： 主动式太阳房的供暖系统是由太阳能集热器、热水槽、泵、散热器、控制器和贮热器等组成的供暖系统。它可以根据需要进行自动调节，可以提供舒适的室内环境，因此在我国东北地区主动式太阳房的推广与应用具有广阔的前景。本文在技术上分析太阳能集热器、季节性蓄热问题,主要研究建立了利用太阳能采暖的完整系统，并对系统一些设备的数据进行了简单的计算，通过计算，检验了该系统的可靠性其结果证明东北地区利用太阳能是完全可行的；通过本太阳能供暖系统可以对其性能进行分析，并可预测其长期节能效果，还可通过该系统进行实物设计，为东北地区今后在建筑中推广利用太阳能供暖工作提
2、供理论依据。 关键词： 太阳能 供暖 集热器 辅助热源0 引言随着我国经济的高速发展和人口的有计划增长，能源需求量日益增加，太阳能这种可再生清洁能源的开发有着重要的意义。虽然人类在建筑中利用太阳能方面已积累了不少经验，但有目的地研究太阳能建筑还是最近几十年来的事。1939 年美国麻省理工学院建成了世界上第一座用来采暖的太阳能建筑，到七十年代世界性能源危机后，太阳能建筑的发展速度大大加快，目前世界上大约有几十万座太阳能建筑。太阳能建筑是指利用太阳能替代部分常规能源使室内达到一定温度的一种建筑。早期的太阳能建筑物是利用太阳热能与光能的自然传递使居室温暖明亮，通常称为“被动式太阳能建筑” 。而后随着
3、科学技术的发展和人们对居住环境要求的提高，逐渐从被动式太阳能建筑发展成“主动式太阳能建筑” 。主动式太阳能建筑是由太阳能集热器、热水槽、泵、散热器、控制器和贮热器等组成的供暖系统。它与被动式太阳能建筑一样，围护结构应具有良好的保暖隔热性能。1 东北地区利用太阳能供暖的可行性我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的国土面积年日照量在 2200 小时以上，年辐射总量大约在每年 33408360MJ/平方米，相当于 110250kg 标准煤/平方米。我国的太阳能资源按年辐射总量划分为五类地区：丰富地区（66908360MJ/平方米） ，较丰富地区（58526690MJ/平方米） ，中等地区（501
4、65852MJ/平方米） ，较差区（41805016MJ/平方米） ，最差区（33444180MJ/平方米） 。即使我国太阳能较差的地区，年辐射总量也接近东京（4220MJ/平方米） ，高于伦敦（3640MJ/平方米） 、汉堡（3430MJ/平方米）这些世界上太阳能利用较好的城市，可见我国东北地区在建筑中的太阳能利用还大有潜力可挖。1975 年我国在甘肃地区首次建造了小型被动太阳房，之后有关人员结合我国的实际情况在理论、实验、材料等方面作了大量的工作，但大多数是以被动式太阳能房为主，主动式太阳房的研究比较少。我国东北的冬季是需要供暖的地区，大部分处于太阳能资源较丰富的地区之内，采暖期（11 月
5、3 月）日照率高，这对利用太阳能供暖提供了优越的条件。实践证明，东北地区利用太阳能供暖是完全可行的。2 太阳能供暖系统在上一章中总结了一些东北地区的气象资料，其中主要以长春为例进行了太阳辐射和气温的分析。在此章中将用到部分气候资料来加以计算，并确定出系统方案，最后得出结论，东北地区利用太阳能采暖是可行的。2.1 系统布置2.1.1 主动式太阳能建筑的采暖系统及各部件的名称如图 1 所示，该系统可分为两个循环回路：集热回路和采暖回路。1 集热器 2 过滤器 3 循环泵 （同 8，9） 4 贮存器 5 集热器热交换器6 减压阀 7 蓄热水箱 10 电动阀 11 辅助热源 12 散热器 13 排气阀
6、图 1 太阳能供暖系统示意图2.1.2 集热回路主要包括集热器、贮存器、集热器热交换器、过滤器、循环泵等部件，在该回路中采用差动控制，使用两个温度传感器和一个差动控制器，其中一个温度传感器（热敏电阻或热电偶）安装在集热器吸热板接近传热介质出口处，另一个温度传感器安装在蓄热水箱底部接近收集回路回流出口，当第一个传感器温度大于第二个传感器 510时，集热泵就开启。再这种情况下流体从贮存器经集热泵进入集热器，同时空气从集热器置换进入贮存器中；相反，当蓄热水箱出口温度与集热器吸热板温度相差 12时集热泵就关闭，在这种情况下依靠把集热器中的水排入到贮存器的方法来实现防冻，贮存器要隔热或封闭以防冰冻温度。
7、2.1.3 采暖回路主要包括蓄热水箱、散热器、辅助热源、电动阀等部件。采暖回路是指采暖房间中热媒的循环回路，自动控制一般使用两个温度传感器和一个差动控制器；其中一个温度传感器置于蓄热水箱采暖回路出口附近，室内设置温度敏感元件测量定温，当室内温度降低时，此时蓄热水箱温度很高并达到一定的数值，辅助加热器关闭，由蓄热水箱提供热量；另一个温度传感器安装在采暖回路的回水管道中，如果室内温度继续下降，且第一个传感器读出的温度低于第二个时，即蓄热水箱的热量不能满足负荷要求，电动阀切断蓄热水箱与系统的联系，使其脱离循环，这是由辅助加热器供暖。2.1.4 系统控制太阳能供热系统需要不同于一般系统的控制。首先，当
8、集热器能够供应热量时，要有办法开动集热器的泵。这通常是由一个温差控制起来完成，它测量集热器出口和蓄热器底部之间的温差。当集热器的泵关掉，而这一温差上升超过某一定值时，泵就开动了。当流体正在流动而温差降到近于零时，泵就关掉。建筑物也需要一种不同于一般的控制。当收集的太阳能尽可能快地加以应用时，就得到了太阳能系统的最好运行效果。最好这样来安排控制，当房间内的恒温器要求热量时，系统就传递从蓄热器所能得到的热量。假如太阳能不能满足热负荷，则恒温器的第二级开动辅助炉来补充所需的热量。在一些设计中当太阳能系统不能满足热负荷时则全部由炉子来承担，这样就形成了一个较简单的系统。2.2 采暖负荷2.2.1 气象
9、资料（以长春为例）根据气象资料，统计并给出以下数据，以用来计算热负荷。室外参数如下统计年份（19511980）：年平均温度：4.9，冬季采暖室外计算温度：-23，冬季最低日平均温度：-29.8，冬季日照率：66%最大冻土深度：169cm，日平均温度+5的供暖期天数：174d，日平均温度+5期间内的平均温度：-8.0日平均温度+5的起止日期：10 月 22 日4 月 13 日，日平均温度+8的供暖期天数：192d日平均温度+8期间内的平均温度：-6.6，日平均温度+8的起止日期：10 月 11 日4 月 20 日极端最低温度：-36.5，极端最低温度平均值：-30.2，冬季大气压力：99.4kP
10、a冬季室外最多风向平均风速：5.1m/s，冬季室外平均风速：4.2m/s，冬季最多风向：SW，冬季最多风向的频率：20%室内参数如下：供暖室内计算温度：182.2.2 供暖热负荷利用体积热指标法，可按下式概算建筑物的供暖设计热负荷：（1）式中 建筑物的供暖设计热负荷，kW； 建筑物的外轮廓体积； 供暖室内计算温度，； 供暖室外计算温度，； 建筑物的供暖体积热指标（也称建筑物的比热特性指标） ，W/，它表示各类建筑物在室内、外温差 1时，每 1 建筑物外围体积的供暖设计热负荷。其中，建筑物的外轮廓体积为 280 供暖室内计算温度为 18，供暖室外计算温度为-23，建筑物的供暖体积热指标为 0.4
11、1 W/（查“简明供热设计手册”表 83） ，则：=4.7 kW建筑物的供暖设计热负荷取 4.7kW，即设定 100 建筑面积的建筑物日负荷为 406080kJ/天。2.3 集热器2.3.1 集热器类型集热器可分为三种基本类型：平板型集热器、中等性能的聚焦式集热器和聚集式收集器最简单的平板型集热器是由一块玻璃板（或透明板）安装在涂有吸热黑体的平板上构成。透明玻璃的太阳辐射被捕集在平板和玻璃盖之间，并被黑体吸收。黑体吸收后的太阳辐射转化成热能，然后传导给通道中流动着的流体。本文选平板型集热器，倾角为 55 度，集热器内流体为乙二醇，可防止冬季冻结。2.3.2 集热器面积的确定（1）集热器面积公式
12、根据上一节，确定系统热负荷为 4.7kW，因而可以计算出集热器面积，求集热器面积所需公式为：kJ/月 （2）kJ/月 （3）（4）式中 集热器的集热量， kJ/月； 月负荷 ，kJ/月； I 太阳辐射月平均值，kJ/月 集热器效率，%； 日负荷，kJ/d； 月份天数，d； 所需集热器面积， 。（2）计算步骤示例一月份：天数 31 天，太阳辐射的月平均值 321818 kJ/月，集热器的效率 40%，日负荷 406080 kJ/d。集热器的集热量：= 32181840% = 128727 kJ/月一个月的热负荷：= 40608031 = 12588480 kJ/月所需集热器面积：= =97.8逐
13、月（1 月、2 月、3 月、4 月、10 月、11 月、12 月）计算，结果记入表 1。计算结果表 1 月 份每月天数（d）太阳辐射的月平均值 I(kJ/月)集热器的效率（%）集热器的集热器(kJ/月)月负荷(kJ/月)所需集热器的面积 F()1 月31321818401287271258848097.82 月28443080401772321137024064.23 月31631180503155901258848039.94 月30790020503950101218240030.810 月31497420502487101258848050.611 月30355300401421201218240085.712 月31275880401103521258848099.8最终，集热器面积取 30 平方米。2.4 蓄热器2.4.1 蓄热原理蓄热可分为两种，一种是显热蓄热，另一种是潜热蓄热。在本文系统中未用到潜热蓄热理论，所以不加以说明，现只对显热蓄热进行介绍。贮存在蓄热介质中的显热热量可由下式给出：（5）式中 单位体积的蓄热量， ；温度，；物质的比热， ，物质的比重， 。严格地说，物质的、依温度而变，但在作为蓄热介质使用的温度范围内，可以看作是常数。因此，上式变为（6）结果，物质的蓄热量与温度差成比例。但实际可以利用的热量，
