淺談我國北方地區的太陽能供暖系統設計

摘 要：供暖是我國北方地區居民生活和工業生產的一項重要內容，太陽能作為一種重要的可再生能源，對保護自然生態環境、緩解能源緊張有著重要的現實意義。文章結合我國北方地區的供暖需求，闡述了太陽能供暖系統的設計方案及優化，為人們提供一個舒適、健康的生活和工作環境。

關鍵詞：我國北方地區；太陽能；供暖系統；設計

近年來，資源利用、生態平衡和環境保護受到人們的廣泛關注，供暖能耗在整個建筑能耗中占有較大比例，在我國北方大部分地區太陽能資源非常豐富，具有較高的利用價值，通過充分利用太陽能資源，合理設計太陽能供暖系統，可有效降低建筑能耗。

1 太陽能供暖系統概述

1.1 太陽能供暖系統優勢

太陽能供暖系統主要是利用太陽能輻射來加熱低溫水使之升溫，在當前太陽能熱利用中應用廣泛，技術也比較成熟，發展趨勢迅速。

太陽能供暖系統一般由太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環泵、循環管道、末端設備、加熱裝置等組成，集熱器是整個太陽能供暖系統的關鍵部件，對于供暖系統運行的穩定性和可靠性有著至關重要影響。因此，一個合理的太陽能供暖系統，必須充分考慮建筑物供暖熱負荷、供電情況、集熱器安裝條件、安裝位置、太陽輻射資源等[1]因素，合理選擇集熱器類型、集熱器面積、蓄熱水箱容量，有效降低系統運行費用和建造成本，提高太陽能資源的利用率，確保建筑熱環境的可靠性和穩定性。

1.2 太陽能供暖系統組成

1.2.1 太陽能集熱器。太陽能集熱器是太陽能供暖系統關鍵的集熱元件，其主要是利用太陽輻射熱量，在太陽照射的白天將太陽輻射能轉化為熱能。

1.2.2 蓄熱水箱。蓄熱水箱是儲存熱水的重要容器，由于太陽能不是一個穩定的熱源，集熱器只有在有太陽照射時才能夠集熱，所以需要設置蓄熱水箱將集熱器在太陽照射條件下產生的熱能保存起來，使供暖系統具備一個連續穩定的熱源。目前，我國太陽能供暖系統蓄熱水箱內膽主要采用同樂搪瓷，水質清潔、耐腐蝕、保溫效果好、使用壽命較長。

1.2.3 循環管道。連接管道包括兩個獨立的閉式循環環路，其一是從蓄熱水箱將低溫液輸送到集熱器，再從集熱器將高溫液輸送到蓄熱水箱；其二是從蓄熱水箱將高溫水輸送到末端設備，再從末端設備將低溫水輸送到蓄熱水箱。設計合理、連接正確的循環管道對整個太陽能供暖系統的運行狀態有著重要影響，連接管道應具有較高的質量。

2 我國北方地區的太陽能供暖系統設計

2.1 太陽能集熱器選擇

太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射熱并且傳遞熱能的裝置，當前我國太陽能集熱器主要采用真空管集熱器和平板型集熱器。真空集熱器由肋架、真空管、U型管等組成，U型管表面涂有吸收涂層，設置在玻璃管下方，可產生聚光效應。真空管集熱器的熱效率很高，但是其耐熱沖擊能力低、耐冰凍性較低，當冷水直接接觸玻璃真空管時，真空管易發生炸裂，嚴重影響整個供暖系統的運行，并且玻璃管容易結垢很難清理，穩定性較差。平板型集熱器主要由集熱板、透明蓋板、隔熱層等組成，具有結構簡單、耐熱沖擊性好、承壓高、使用壽命長、集熱快、易與建筑結合等優點，但其存在不耐冰凍、熱損失大、造價高等問題，在我國北方寒冷地區需要通過采用回流排空和防凍液二次循環技術，來解決集熱器防凍問題。

2.2 集熱器安裝

集熱器安裝在集熱器需成行排列，太陽能集熱器相互不遮陽的最小距離計算公式：S=L×tgB×sinB，其中：S是不擋光最小距離；L是集熱器長度；B是集熱器安裝傾角[2]。

2.3 蓄熱裝置選擇

太陽能供暖系統需設置蓄熱器，常用的蓄熱方法包括化學儲存、潛熱儲存和顯熱儲存三種，蓄熱材料一般采用相變材料、土壤或者水。太陽能供暖系統主要以水作為蓄熱介質，因此可選擇蓄熱水箱。用于供暖系統的蓄熱水箱宜選擇分層式結構，不僅能夠降低集熱器進口溫度，還能增加可被利用的熱水量，從而提高系統效率。蓄熱水箱的容量，一般可按照每平方米集熱器0.05～0.10m3的容量進行配置。

2.4 輔助熱源

在我國北方寒冷地區，供暖系統的穩定性與可靠性是十分必要的，但不可一味地增加集熱器面積和蓄熱水箱的容量，這會大幅度地增加工程投資和降低太陽能系統的利用率。在太陽能難以提供充足的熱量時，應選擇合理的輔助熱源，確保系統穩定運行。結合各地區的氣候狀況和條件，對供熱負荷小的系統可通過分散布置電熱風機、電暖器等方式來解決，對供熱熱負荷大的系統，則應通過輔助電加熱器、燃油、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐來控制調節，在具備集中供熱地區，則可連接熱力管網進行供暖。

2.5 末端裝置

建筑物室內的供暖設備位于能源輸送系統終端，將熱能導出并分散到所需之處，稱為末端裝置，一般分為對流散熱和輻射散熱兩種，對流散熱常用的有風機盤管和散熱器，輻射散熱常用的有毛細管輻射系統和地板輻射系統。

2.5.1 散熱器末端系統。散熱器末端系統是我國北方地區建筑應用最廣泛的一種供暖末端系統，其通過太陽能獲取熱能，由熱水載體輸送到室內散熱器中，這種簡便的將太陽能熱水轉移到室內的采暖方式，在我國寒冷地區早期太陽能采暖中發揮著重要作用。

2.5.2 地板輻射末端系統。太陽能地板輻射末端系統主要是利用太陽能集熱器作為熱源，將地埋盤管埋于地板下通過循環系統將熱水導入埋管中，使地板下的埋管和熱水進行熱交換，通過地板埋管將吸收的熱量輻射到室內，形成室內供暖系統，通過輻射傳熱方式一部分投射到室內物體表面，一部分投射到人體表面，具有輻射強度和溫度的雙重作用，可給人們以舒適感。

2.5.3 毛細管輻射末端系統。毛細管輻射末端系統是指在住宅建筑中的墻面、吊頂和地面鋪設毛細管網，不僅可降低安裝難度，也可以節省大量室內空間，通過輻射方式傳遞大部分的熱量，和其他形式末端系統相比，舒適性高、無噪音，也不會滋生細菌，安裝厚度約10mm，供水溫度可低至32℃，極大地提高了系統的熱利用率。

2.6 供暖地板結構設計

地板輻射供暖系統水溫較低，可將管路直接埋設在墊層中，由面層、填充層、隔熱層等組成，隔熱層可確保熱量不斷向上傳遞，通常采用質量輕、密度小的高效保溫材料，將保溫防潮層敷設在隔熱層上，在填充層上敷設防水層。太陽能地板輻射供暖系統盤管可采用回型和蛇型敷設方式[3]，盤管敷設方式應結合盤管最小彎曲半徑合理選擇，在鋪設塑料管時應保持均勻一致，低溫管和高溫管相互間隔設置，使板面溫度更加均勻，地板構造中應緊密排列各層材料。由于建筑外圍護結構和地板中都設置保溫層，只需要考慮盤管向上的傳熱效應。

3 結束語

我國北方地區日照率高、太陽能資源豐富，太陽能供暖系統設計應根據實際需求，充分考慮多種因素，優化設計太陽能供暖系統的各個部分，選擇經濟性和穩定性較高的末端系統，考慮到室內舒適度，應盡量采用低溫地板輻射采暖系統，不僅具有良好的節能環保效果，而且便于維護管理。

參考文獻

[1]張玲.寒冷地區農居太陽能炕采暖系統設計研究[D].山東建筑大學，2010.

[2]康玉東.寒冷地區村鎮住宅建筑太陽能采暖系統研究[D].山東建筑大學，2011.

[3]高金水.太陽能供暖系統分析[D].天津大學，2012.

作者簡介：周國軍（1968，10-），男，河南濟源人，學歷：本科，研究方向：太陽能供暖。