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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3340～8360MJ/平方米，相当于110～250kg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，较丰富地区，中等地区，较差区，最差区。即使我国太阳能较差的地区，年辐射总量也接近东京，高于伦敦、汉堡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。
　　系统布置
　　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　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
图1 太阳能供暖系统示意图
　　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5～10℃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1～2℃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。
　　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。
　　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。
　　采暖负荷
　　气象资料
　　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]
　　年平均温度：℃，冬季采暖室外计算温度：-23℃，冬季最低日平均温度：-℃，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：-℃
　　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：-℃，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：-℃，极端最低温度平均值：-℃，冬季大气压力：
　　冬季室外最多风向平均风速：/s，冬季室外平均风速：/s，冬季最多风向：SW，冬季最多风向的频率：20%
　　室内参数供暖室内计算温度：18℃
　　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

　　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，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 W/·℃，则
　　= kW
　　建筑物的供暖设计热负荷取，即设定100建筑面积的建筑物日负荷为406080kJ/天。
　　集热器
　　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。
　　集热器面积的确定
　　集热器面积公式
　　根据上一节，确定系统热负荷为，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
　　kJ/月

　　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，。
　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
　　= =
　　逐月计算，结果记入表 1。计算结果表 1
月 份
每月天数
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3132181840128727125884802月2844308040177232113702403月3163118050315590125884804月30790020503950101218240010月31497420502487101258848011月30355300401421201218240012月312758804011035212588480
　　最终，集热器面积取30平方米。
蓄热器
　　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
　　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
　　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，或者由于物质内的温度分布不同得不到平均温差，或者由于热损失等通常有所减小。
　　蓄热器容量的计算
　　蓄热器中储存的能量应该可以供应系统2～3天的采暖运行，系统日热负荷为406080kJ/d，所以天的热负荷是1015200kJ。蓄热器的利用温差为10℃，蓄热器效率为95%，可得蓄热器容积为
　　==
　　则，蓄热器容量取 m2 。
3 结论
　　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供理论依据。
　　本系统在设计时进行了一次优化，提高了热能利用效率。使系统更有效的发挥其节能的作用。虽本系统是对独立式100平方米建筑进行的研究，但它亦适用于其它大型建筑，这样使原有设计得到了广泛的利用。参考文献
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　　［13］[日]田中俊六着．林毅等译．太阳能供冷与供暖．中国建筑工业出版社，1982主要符号表　　— 建筑物的供暖设计热负荷，kW ；　　— 建筑物的外轮廓体积，m3　　— 供暖室内计算温度，℃ ；　　— 供暖室外计算温度，℃ 　　— 集热器的集热量，kJ/月 ；　　— 月负荷 ， kJ/月　　　　— 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 ， ； 　　— 单位体积的蓄热量 ， 　　　　— 温度 ， ℃ ；　　— 物质的比热， 　　— 物质的比重 ， 　　　　　— 建筑物的供暖体积热指标，W/ m3·℃