一種嚴(yán)寒地區(qū)空氣式太陽能采暖與熱水系統(tǒng)方案

韓 宇

目前生活熱水與冬季采暖多采用水系統(tǒng)，冬季為防凍介質(zhì)循環(huán)或者系統(tǒng)排空處理，冬季很可能造成系統(tǒng)因凍結(jié)而漏水，采用空氣作為太陽能系統(tǒng)的循環(huán)的介質(zhì)，可以直接解決系統(tǒng)因凍結(jié)造成的漏水。采用空氣作為介質(zhì)可以直接給室內(nèi)供應(yīng)熱風(fēng)，通過自動(dòng)控制調(diào)節(jié)供熱量，多余熱量存儲于水箱內(nèi)。

傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)均以液體尤其是水作為傳熱、貯熱介質(zhì)，存在“冬季易凍、夏季過熱、易漏、易腐蝕、壽命短”等缺陷和弊端，在寒冷、缺水、電力供應(yīng)不足的地區(qū)尤為突出。而恰恰是這些經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后、自然環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，是太陽能資源豐富，采暖與熱水供應(yīng)需求大的地區(qū)。太陽能供熱工程系統(tǒng)迫切需要從技術(shù)上徹底解決工程的“安全”與“壽命”兩大難題。

本系統(tǒng)包括兩個(gè)小系統(tǒng)：熱風(fēng)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)，通過手動(dòng)風(fēng)閥的切換進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)的切換，整個(gè)系統(tǒng)主要由空氣集熱太陽能、風(fēng)機(jī)、氣水換熱水箱、風(fēng)道、循環(huán)泵等組成。

熱風(fēng)系統(tǒng)原理：空氣式太陽能集熱器的選擇性膜層吸收太陽光，轉(zhuǎn)換為熱量，通過風(fēng)機(jī)循環(huán)，將真空管收集的熱量直接傳送至室內(nèi)采暖，多余的熱量存在蓄熱水箱當(dāng)中。

熱水系統(tǒng)原理：空氣式太陽能集熱器的選擇性膜層吸收太陽光，轉(zhuǎn)換為熱量，通過風(fēng)機(jī)循環(huán)，將真空管收集的熱量與特制的水箱，直接與水箱中的水進(jìn)行熱交換，逐步將水箱內(nèi)的水加熱，達(dá)到滿足地暖采暖及洗浴溫度。

系統(tǒng)運(yùn)行原理說明

太陽能熱風(fēng)+熱水采暖+生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理說明

（1）太陽能熱風(fēng)采暖模式

1）風(fēng)閥控制：風(fēng)閥FA1 關(guān)閉，F(xiàn)A2、FA3 打開

2）熱風(fēng)采暖：當(dāng)集熱器出口溫度T1 ≥60℃（可調(diào)）且室內(nèi)溫度≤18℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入熱風(fēng)采暖模式；當(dāng)集熱器出口溫度T1 ≤50℃（可調(diào)）或室內(nèi)溫度≥20℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 停止運(yùn)行。

（2）太陽能熱水采暖模式

1）風(fēng)閥控制：風(fēng)閥FA1 打開，F(xiàn)A2、FA3 關(guān)閉；

2）氣水換熱循環(huán)：當(dāng)集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值大于某一設(shè)定值T=15℃（可調(diào)）且水箱溫度T2 ≤50℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 開始運(yùn)行，當(dāng)集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值小于某一設(shè)定值T’=10℃（可調(diào)）或水箱溫度T2 ≥60℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 停止運(yùn)行。

3）熱水采暖：①當(dāng)水箱溫度T2 ≥50℃（可調(diào)）且室內(nèi)溫度T3 ≤18℃（可調(diào)）時(shí)，地暖循環(huán)泵P1 開始運(yùn)行；②當(dāng)水箱溫度T2 ≤35℃（可調(diào)）且室內(nèi)溫度T3 ≥20℃（可調(diào)）時(shí)，地暖循環(huán)泵P1 停止運(yùn)行。

（3）非采暖模式

1）風(fēng)閥控制：風(fēng)閥FA1 打開，F(xiàn)A2、FA3 關(guān)閉；

2）氣水換熱循環(huán)：當(dāng)集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值大于某一設(shè)定值T（可調(diào)）且水箱溫度T2 小于50℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 啟動(dòng)，當(dāng)集熱器出口溫度T1 與水箱溫度T2 的差值小于某一設(shè)定值T’（可調(diào)）或水箱溫度T2 大于50℃（可調(diào)）時(shí)，集熱風(fēng)機(jī)FJ 關(guān)閉。

本系統(tǒng)白天收集太陽的熱量直接供熱，如果房間溫度已經(jīng)足夠則可以把熱量存入系統(tǒng)的水箱中，夜晚或者陰雨天時(shí)繼續(xù)提供熱量。如果遇到連續(xù)的陰雨天還需要采用輔助熱源，一般家庭可以采用電暖器給予輔助加熱。

本設(shè)計(jì)方案采用熱風(fēng)作為循環(huán)介質(zhì)較好的解決了冬季水系統(tǒng)凍結(jié)的問題，裸露的大部分設(shè)備都為空氣介質(zhì)，對-30℃以下的低溫有天然的優(yōu)勢，相對加入防凍介質(zhì)的水系統(tǒng)因?yàn)榉纼鼋橘|(zhì)的加入可能對系統(tǒng)造成腐蝕，另外因?yàn)槁┧⒀a(bǔ)水可能造成防凍介質(zhì)的組成比例變化，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，防凍溫度自然不能達(dá)到要求，最終導(dǎo)致系統(tǒng)凍結(jié)，或者腐蝕漏水。

圖1 太陽能熱風(fēng)、熱水采暖系統(tǒng)原理示意圖（本圖不代表實(shí)際安裝方式）