引言

　　太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，其用作建筑采暖系統(tǒng)的熱源是降低建筑能耗的有效途徑。本文對位于濟南市某小區(qū)住宅的太陽能采暖系統(tǒng)實驗平臺進行說明，并對系統(tǒng)的運行情況進行實驗分析，本采暖實驗旨在結(jié)合我國住宅建設(shè)的實際情況，利用已有的工程經(jīng)驗，設(shè)計出與建筑平屋頂、斜屋頂、陽臺等不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件相適應(yīng)太陽能熱水與供暖復(fù)合系統(tǒng)利用技術(shù)，通過對室內(nèi)、室外、集熱器、水箱水溫的測試，分析太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)對室內(nèi)供暖保障率的影響，使該技術(shù)適合全國大部分冬季需要供暖地區(qū)，包括賓館、民居、廠房、辦公樓等等，隨著該技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，將會大大促進我國太陽能產(chǎn)業(yè)以及建筑業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　1、系統(tǒng)測試方案

　　太陽能室內(nèi)供暖實驗是在濟南某小區(qū)180m2用戶(如圖1)增加了太陽能集熱器、蓄熱水箱、控制系統(tǒng)來滿足用戶冬季供暖要求。

　　圖1采暖用戶實驗場景圖片

　　室內(nèi)末端散熱設(shè)備采用普通暖氣片，小區(qū)其他住戶采用集中供熱，該用戶室內(nèi)自然溫度受室外環(huán)境影響不大。由于用戶已有一單臺太陽能熱水器日提供200L生活洗浴熱水。故此采暖系統(tǒng)不另加水箱，相對增加集熱面積，水箱提供生活熱水的同時蓄存供暖多余的熱量。用溫度自記儀測試各部分溫度變化，各個部件連接情況如圖2所示:

　　圖2太陽能室內(nèi)供暖實驗設(shè)計原理圖

　　本系統(tǒng)的特點:

　　1）系統(tǒng)供暖循環(huán)泵直接將太陽能積蓄的熱量流經(jīng)水箱直接送入室內(nèi)，水箱水溫得到提高的同時室內(nèi)溫度也隨之升高，室內(nèi)供暖回水再流入集熱器;

　　2）其他季節(jié)通過手動閥開啟，太陽能集熱器用來提高水箱生活熱水溫度;

　　3）系統(tǒng)初期供暖運行靠手動控制，上午太陽能集熱器積蓄熱量，中午開啟供暖循環(huán)泵，直至晚上關(guān)閉。

　　引言

　　太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，其用作建筑采暖系統(tǒng)的熱源是降低建筑能耗的有效途徑。本文對位于濟南市某小區(qū)住宅的太陽能采暖系統(tǒng)實驗平臺進行說明，并對系統(tǒng)的運行情況進行實驗分析，本采暖實驗旨在結(jié)合我國住宅建設(shè)的實際情況，利用已有的工程經(jīng)驗，設(shè)計出與建筑平屋頂、斜屋頂、陽臺等不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件相適應(yīng)太陽能熱水與供暖復(fù)合系統(tǒng)利用技術(shù)，通過對室內(nèi)、室外、集熱器、水箱水溫的測試，分析太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)對室內(nèi)供暖保障率的影響，使該技術(shù)適合全國大部分冬季需要供暖地區(qū)，包括賓館、民居、廠房、辦公樓等等，隨著該技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，將會大大促進我國太陽能產(chǎn)業(yè)以及建筑業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　1、系統(tǒng)測試方案

　　太陽能室內(nèi)供暖實驗是在濟南某小區(qū)180m2用戶(如圖1)增加了太陽能集熱器、蓄熱水箱、控制系統(tǒng)來滿足用戶冬季供暖要求。

　　圖1采暖用戶實驗場景圖片

　　室內(nèi)末端散熱設(shè)備采用普通暖氣片，小區(qū)其他住戶采用集中供熱，該用戶室內(nèi)自然溫度受室外環(huán)境影響不大。由于用戶已有一單臺太陽能熱水器日提供200L生活洗浴熱水。故此采暖系統(tǒng)不另加水箱，相對增加集熱面積，水箱提供生活熱水的同時蓄存供暖多余的熱量。用溫度自記儀測試各部分溫度變化，各個部件連接情況如圖2所示:

　　圖2太陽能室內(nèi)供暖實驗設(shè)計原理圖

　　本系統(tǒng)的特點:

　　1）系統(tǒng)供暖循環(huán)泵直接將太陽能積蓄的熱量流經(jīng)水箱直接送入室內(nèi)，水箱水溫得到提高的同時室內(nèi)溫度也隨之升高，室內(nèi)供暖回水再流入集熱器;

　　2）其他季節(jié)通過手動閥開啟，太陽能集熱器用來提高水箱生活熱水溫度;

　　3）系統(tǒng)初期供暖運行靠手動控制，上午太陽能集熱器積蓄熱量，中午開啟供暖循環(huán)泵，直至晚上關(guān)閉。

　　2、實驗數(shù)據(jù)采集

　　2.1太陽能集熱系統(tǒng)的測試

　　太陽能供暖實驗采用全玻璃真空管集熱器，考慮太陽能集熱器進出水溫差較小，溫度自記儀在集熱器多處布點，用來測試太陽能集熱器一天中平均水溫的變化。

　　測得實驗數(shù)據(jù)是太陽能集熱器在非采暖時間與采暖時間溫度的變化，由于受陰雨天影響，集熱溫度并不高，但不影響分析太陽能集熱器一天溫度變化，太陽能集熱器在非采暖時間測得數(shù)據(jù)如圖3～圖6所示:

　　圖3 12月26號集熱溫度變化

　　圖4 12月27號集熱溫度變化

　　圖5 12月28號集熱溫度變化

　　圖6 12月29號集熱溫度變化

　　由圖 所示:太陽能集熱器只提供生活熱水情況下一天中平均溫度變化，集熱器溫度一般冬天早上8:00以后開始慢慢升溫，上午11:00以后能達到40℃以上，若采用地板輻射采暖，中午時間太陽能可以提供室內(nèi)采暖所需的低溫?zé)崴?若太陽能集熱量保存，下午1:00～3:00集熱溫度升高較快，在3:00左右太陽能集熱溫度達到最高，眾所周知，太陽能集熱介質(zhì)溫度越低，太陽能集熱效率越高，并且集熱器溫度越高，散熱損失就越大。若太陽能在中午時間開始對室內(nèi)供暖，在下午太陽能輻照最強時間太陽能集熱效率會達到最高，在太陽能集熱面積充足的情況下，完全可以在下午時間保證室內(nèi)供暖對低溫?zé)崴囊螅顭崴湟部梢詢Υ娑嘤嗟臒崃繚M足晚上供暖需求。

　　為了分析太陽能集熱器在供暖時間溫度變化，現(xiàn)在分析對比采暖期間一天中溫度的變化，太陽能集熱器在采暖時間測得數(shù)據(jù)如圖7～圖10所示:

　　圖7 1月1號集熱溫度變化

　　圖8 1月4號集熱溫度變化

　　圖9 1月5號集熱溫度變化

　　圖10 1月6號集熱溫度變化

　　由圖所示:太陽能集熱器在供暖期間一天中溫度變化，集熱器中午開始往室內(nèi)提供供暖所需低溫?zé)崴?，由于太陽能集熱器集熱速度遠小于室內(nèi)的散熱速度，所以中午時間集熱器溫度出現(xiàn)急速的下降，但由于下午太陽能光照比較強，隨著室溫的升高，集熱器溫度下降慢慢趨于平緩。由此分析可以預(yù)知，若集熱面積充足，完全可以滿足室內(nèi)供暖需求。

　　總之，在太陽能采暖系統(tǒng)負荷一定的情況下，集熱器面積的不同使得太陽能供暖保障率也隨之變化，當(dāng)然，集熱面積越大，系統(tǒng)運行費用越低，太陽能供暖保障率越高，但集熱面積過大，系統(tǒng)受外在氣候環(huán)境變化影響增大，并且初投資回收期較長，給用戶增加負擔(dān)，太陽能集熱面積過小，不能有效收集太陽輻射能用于供暖，運行費用上升，因此，在太陽能采暖熱水系統(tǒng)中，存在最佳的太陽能采暖保障率，使得系統(tǒng)最為經(jīng)濟合理。

　　2.2太陽能蓄熱系統(tǒng)的測試

　　采暖實驗用戶已有單臺太陽能提供200L大的聚氨酯保溫水箱，為使初投資降低，不再附加水箱，此水箱用于太陽能集熱系統(tǒng)蓄熱水箱，溫度自記儀放置水箱內(nèi)部，測試冬季采暖與非采暖時間內(nèi)水箱溫度變化，但水箱每日提供必需的生活熱水，測得非采暖時間實驗數(shù)據(jù)如圖11所示，在采暖時間測得數(shù)據(jù)如圖12所示:

　　圖11 蓄熱水箱12月28～31號溫度曲線

　　由圖11可以看出:蓄熱水箱水溫在非采暖時間12月28號～31號的溫度變化，水箱每天只提供生活洗浴熱水，蓄熱水箱水溫呈現(xiàn)正弦規(guī)律，在中午12:00左右水箱水溫達到50℃以上，基本可以滿足室內(nèi)供暖對低溫?zé)崴男枨?，水箱每天最高水溫出現(xiàn)在下午3:00左右，最低水溫出現(xiàn)在早上7:00～8:00，一天平均水溫在40℃左右，其溫度相對太陽能集熱器有較為明顯的滯后性，當(dāng)白天太陽輻照較強的時候，蓄熱水箱得熱量基本能滿足白天采暖負荷的要求。

　　圖12 蓄熱水箱1月4～6號溫度曲線

　　由圖12可以看出:蓄熱水箱水溫在采暖時間1月4號～6號的溫度變化，水箱每天提供生活洗浴和采暖熱水，水箱熱水在中午時間開始循環(huán)供暖，由于室溫與水溫的溫差，以及太陽能下午輻照度增強，水箱水溫出現(xiàn)驟降后慢慢趨于平緩下降，當(dāng)白天太陽輻照較強的時候，蓄熱水箱儲存的熱量基本可以滿足白天采暖負荷的要求。

　　總之，當(dāng)集熱面積一定的情況下，蓄熱水箱的大小不同將導(dǎo)致運行過程中水箱水溫的不同。當(dāng)蓄熱水箱體積越小，水箱內(nèi)熱水利用率高，水溫變化幅度大，而且平均水溫高，造成進入集熱器的入口水溫較高，降低集熱器的效率和有效得熱量，自身不能夠儲存更多的太陽能集熱量，輔助熱源提供熱量增多;當(dāng)蓄熱水箱變大，可以使進入集熱器的水溫降低，提高了太陽能集熱器效率和得熱量，并能夠儲存多余的集熱量，但水箱水溫過低，熱水利用率降低，同樣輔助熱源提供熱量增多。因此蓄熱水箱大小不同，集熱器一天集熱效率也就不同，那么系統(tǒng)運行過程中需要的輔助能源多少也就隨之變化。由此可見，蓄熱水箱的大小是影響整個系統(tǒng)經(jīng)濟合理的重要因素。

　　2.3室內(nèi)環(huán)境溫度測試

　　采暖實驗用戶末端采用散熱器采暖系統(tǒng)，由于小區(qū)其他住戶采用集中供熱，墻體外保溫做的效果較好，該用戶室內(nèi)自然溫度受室外環(huán)境影響不大，因此不影響分析太陽能集熱、蓄熱系統(tǒng)對室內(nèi)供暖保障率的影響，測得實驗數(shù)據(jù)為采暖時間1月4、5、6號室內(nèi)溫度變化，如圖13所示。

　　圖13 室內(nèi)環(huán)境溫度變化

　　由圖可以看出:采暖實驗不采用輔助熱源，室內(nèi)溫度的升高完全靠太陽能有效的熱量，室內(nèi)溫度的升降完全隨太陽能集熱溫度變化起伏，室內(nèi)溫度一天平均溫度在15℃左右，室內(nèi)溫度在一天中采暖初期可以達到26℃左右，若太陽能集熱面積足夠大，可以白天儲存多余的熱量用于晚上采暖，若不出現(xiàn)連續(xù)的陰雨天，太陽能基本可以滿足室內(nèi)采暖要求，具有一定的經(jīng)濟性。

　　總之，在太陽能集熱、蓄熱系統(tǒng)相互合理匹配，并且在白天陽光輻照充足的情況，太陽能完全可以滿足其工作段內(nèi)建筑室內(nèi)供暖要求。

　　3、實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)分析

　　本實驗通過對太陽能集熱溫度、蓄熱水箱溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度的測試，分析太陽能集熱、蓄熱對室內(nèi)供暖保障率的影響，為太陽能與熱泵的結(jié)合提供理論分析依據(jù)。實驗通過對09年1月份1號、4號、5號、6號天氣較為晴朗的條件下進行測試，綜合分析對比結(jié)果如圖14～圖16所示:

　　圖14  1月1號測試數(shù)據(jù)對比

　　圖15  1月4號測試數(shù)據(jù)對比

　　圖16  1月5號測試數(shù)據(jù)對比

　　圖17  1月6號測試數(shù)據(jù)對比

　　由圖顯示:測的實驗數(shù)據(jù)為早上7:30到晚上0:30一天中太陽能集熱溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度、水箱溫度的變化。由于系統(tǒng)為手動控制，上午集熱器積蓄熱量，中午開啟循環(huán)泵對室內(nèi)供暖，集熱器此時溫度基本都在45℃以上，室內(nèi)溫度開始由約12℃升高至26℃左右，溫升約14℃，集熱器水溫隨著供暖循環(huán)逐漸下降，由于下午太陽輻照較強，溫度下降較為平緩。由于室內(nèi)外溫差將近30℃，室內(nèi)溫度由26℃左右開始慢慢下降，晚上八點以后降到16℃以下，到0:30基本維持在早上7:30的溫度。

　　統(tǒng)計4天室內(nèi)供暖結(jié)果表明，室內(nèi)溫度若保持18℃以上時間基本在8h左右，其余時間若維持室溫須靠輔助熱源，但此時的輔助供暖是在太陽能供熱不足的基礎(chǔ)上維持室內(nèi)溫度，相對節(jié)約能源。結(jié)果表明:太陽能對室內(nèi)供暖時間保障率基本維持在30%左右，提高太陽能保障率的辦法是繼續(xù)增加集熱器面積，但集熱器面積的增加初投資也隨之增大，并受陰雨天環(huán)境影響下，保障率增加的幅度很小，又因用戶對生活熱水需求量有限。故綜合考慮，太陽能對室內(nèi)保障率維持在30%左右較為適宜。實際選用的太陽能保障率與系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻照、氣候條件、產(chǎn)品與系統(tǒng)的熱性能、供熱采暖負荷、末端設(shè)備特點、系統(tǒng)成本和開發(fā)商預(yù)期投資規(guī)模等因素有關(guān)。

　　蓄熱水箱的目的是積蓄太陽能供暖多余的熱量并滿足生活熱水需要，由于系統(tǒng)串聯(lián)運行，水箱容積也有限，集熱器熱量流經(jīng)水箱進入室內(nèi)，水箱水溫伴隨室內(nèi)溫度得到提高，室內(nèi)溫度變化對水箱影響不大。

　　本文認為蓄熱水箱體積增加到一定程度，如果繼續(xù)增大，經(jīng)濟上不合理，因為水箱體積增大，系統(tǒng)初投資增加，然而對太陽能保障率提高有限，在蓄存一定熱量的情況下，可能使水箱水溫過低，不能得到充分利用，對降低運行費用作用有限;因此在太陽能對室內(nèi)供暖保障率有限的情況下，蓄熱水箱不宜過大，當(dāng)然水箱也不易過小，水箱體積越小，水溫越高，造成集熱器進水溫較高，太陽能集熱器效率下降，本身也不能儲存多余的熱量，水箱的主要作用應(yīng)為滿足生活熱水需求，對室內(nèi)供暖保障率的影響較小，故在選型時應(yīng)側(cè)重考慮生活熱水量的多少。

　　4、結(jié)論

　　通過該實驗平臺的運行測試結(jié)果可以看出，太陽能用于建筑采暖集熱面積不宜過大，室內(nèi)供暖保障率30%左右為宜，在陽光充足的情況下，太陽能集熱系統(tǒng)白天所收集的熱量可以滿足采暖系統(tǒng)白天的供暖要求。當(dāng)夜間溫度較低時，蓄熱水箱里貯存的熱量可以繼續(xù)為采暖房間供熱，本實驗平臺的運行情況分析旨在為太陽能用于建筑采暖的實際工程設(shè)計提供相關(guān)參考依據(jù)，使該系統(tǒng)可以更加高效的運行達到節(jié)能的目的。為太陽能采暖系統(tǒng)的進一步研究奠定基礎(chǔ)。