太陽能輔助供暖技術綜述

文_韋笑 江蘇省住房和城鄉建設廳科技發展中心

中國北方地區冬季較為寒冷，為滿足人們正常生活需要，國家制定并施行了現行的北方城市冬季集中供暖制度。隨著城市供暖面積的快速增長，以煤炭為主要原料的取暖方式意味著燃煤所排放的大氣污染物（包括煙塵二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等）也將同步增長。“十九大”以來，黨中央提出加快生態文明體制改革的綠色發展路線，提出著力解決突出的環境問題，持續實施大氣污染防治行動，推進北方“煤改電”行動。然而，北方供暖地區多處于嚴寒和寒冷地區，空氣源熱泵能效低成為一個政策推進的難點問題。因此，發展太陽能輔助供暖技術成為了解決當前環境問題的重要手段。

國內外許多學者對太陽能輔助供暖技術進行了研究，他們將太陽能輔助供暖技術分為兩大類：被動式太陽能輔助供暖技術和主動式太陽能輔助供暖技術，本文將對這兩類技術進行綜述。

1 被動式太陽能輔助供暖技術

被動式太陽能輔助供暖技術是太陽能輔助供暖系統中最簡單的一種形式，最早始于20世紀三四十年代。它是一種根據當地氣象條件和生活習慣，通過建筑物的朝向和周圍環境的合理布置，以及建筑材料和結構構造的恰當選擇，使建筑物在冬季盡可能多地吸收和貯存熱量，以達到輔助供暖的目的。被動式太陽能建筑集熱面積、蓄熱體積均由建筑設計自身決定，調節控制的可能性較小，但其構造簡單，造價便宜、管理方便，目前被廣泛應用在建筑領域中。被動式太陽能建筑按照太陽能利用方式主要分為直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式和組合式等。

1.1 直接受益式太陽房

直接受益式是最簡單的一種被動式太陽房。冬季白天，利用南窗直接接收太陽輻射熱量，太陽光直射到房間內，利用圍護結構、家具等進行蓄熱，持續地將熱量保存起來；夜晚，熱量通過圍護結構、家具等表面以輻射和對流的方式在房間內進行傳遞，使房間內保持一定的溫度，實現輔助供暖。

直接受益式被動式太陽能建筑供熱效率高，缺點是夜晚降溫速度快，室內溫度波動幅度大。因此，只適用于白天使用的房間，如辦公樓、學校等公共建筑。

由于相對加大了窗戶面積，若仍采用傳統結構的窗戶,則窗戶的傳熱和滲透熱耗將會由總熱耗的1/4增加到1/3。所以，窗的節能處理將是直接受益式太陽房的關鍵。除增加保溫窗板或保溫窗簾外，對于窗戶本身結構研究將是節能的重要措施，可將普通單玻窗改為雙層中空窗或Low-E玻璃，可有效減少南向外窗漏熱。

1.2 集熱蓄熱墻式太陽房

集熱蓄熱墻式太陽房是應用較為廣泛的一種被動式太陽房。 集熱蓄熱墻式太陽房結構示意圖如圖1所示。 集熱蓄熱墻式太陽房工作原理圖如圖2所示。冬季，白天開啟墻體上、下通風口，重質墻體透過玻璃蓋板吸收太陽輻射熱量，并通過對流方式加熱夾層內的空氣，受到熱壓作用的夾層空氣向上移動，通過墻體上通風口流入室內，提高室內溫度，而溫度較低的室內空氣則由下通風口進入夾層，形成空氣的熱循環；夜間，關閉墻體上、下通風口，將儲存在墻體內的熱量釋放到室內，加熱房間。

圖1 集熱蓄熱墻式太陽房結構示意圖

圖2 集熱蓄熱墻式太陽房工作原理圖

集熱蓄熱墻式太陽房在應用中衍生出了多種形式，如百葉式、多孔式、相變式、花格式集熱蓄熱墻式太陽房等。對于集熱蓄熱墻式太陽房的集熱性能，受集熱墻的厚度、對流孔的大小、集熱空氣間隙的厚薄、集熱面積大小、房間深度等因素的影響，需根據具體使用情況具體考慮。在設計時，應盡量增加集熱墻高度，以增加空氣的溫差；在結構允許條件下，盡可能使上、下對流口分別設置在集熱墻的最頂端和最下端，上、下對流口的總面積應相等，從而提高集熱蓄熱墻性能和室內舒適性。

1.3 附加陽光間式太陽房

附加陽光間式太陽房的基本結構是在房屋主體結構的南面附建一座陽光間，利用附加陽光間接受太陽輻射，墻體上還可以根據需要開設門窗或者通風口。冬季白天，附加陽光間受太陽輻射的影響，產生溫室效應，溫度較高的一側通過公共墻體向相鄰房間傳熱，使相鄰房間溫度升高；夜晚，附加陽光間還可作為緩沖保溫區，加上公共墻體的蓄熱作用，減少相鄰房間熱損失的同時，使房間保持較好的舒適性。附加陽光間式太陽房工作原理圖如圖3所示。

附加陽光間式太陽房保持了直接受益式被動太陽房和集熱蓄熱墻式被動太陽房的優點。楊艷霞在遼南地區對帶附加陽光間的住宅進行節能性測定，附加陽光間的節能率在10%～28%之間。

圖3 附加陽光間式太陽房工作原理圖

附加陽光間式太陽房可從玻璃窗的結構、地面蓄熱材料、隔熱保溫卷簾等方面進行優化。雙層中空玻璃的熱阻遠大于單層玻璃窗，對窗戶具有很好的保溫性能，因此附加陽光間內用雙層中空玻璃代替單層玻璃將起到很好的節能效果；地板可以受到太陽光的照射，同樣是蓄熱的有效部位，因此地面的蓄熱應選擇保溫性能好的材料。陶粒混凝土的導熱系數比普通混凝土低1/2以上，保溫性能良好，熱損失小；窗戶是熱量流失的重點部位，利用材料為PVC+玻璃纖維的保溫卷簾，冬季的夜晚開啟保溫卷簾，防止室內熱量向室外散失，降低能耗。

1.4 組合式太陽房

上述3種類型的太陽房屬于被動式太陽房的基本類型，取2種或2種以上基本類型的太陽房部件進行有序合理組合、優勢互補，形成的被動式太陽房就是組合式被動太陽房。現在比較常見的組合式太陽房是窗下墻組合式，即南向墻上半部分是直接受益窗，下半部分是集熱蓄熱墻構件。冬季利用直接受益窗在白天充分采光的同時，下半部分的集熱蓄熱墻構件還可蓄熱供夜晚使用，提高房間的熱舒適性。組合式太陽房結構示意圖如圖4所示。組合式太陽房實體圖如圖5所示。

圖4 組合式太陽房結構示意圖

圖5 組合式太陽房實體圖

2 主動式太陽能輔助供暖技術

主動式太陽能建筑是以“主動控制”為手段，通過太陽能集熱器、儲熱水箱、風機或者泵等設備為媒介，形成強制循環太陽能采暖系統，對太陽能轉化的熱量進行收集、儲存和運輸，從而達到采暖或者用熱的目的，有效地利用太陽能。

2.1 太陽能輔助地源熱泵供暖系統

太陽能輔助地源熱泵供暖系統是以太陽能為地源熱泵的輔助熱源，將太陽能熱和地源泵熱同步利用，相互結合，優勢互補，有效提高熱泵機組COP。太陽能和地熱能作為穩定和綠色環保的可再生能源，蘊含著巨大的開發利用潛力。

在太陽能輔助地源熱泵供暖系統中，共有3種運行模式：串聯運行、并聯運行和交替運行。串聯運行模式分2種：一種是循環介質先流經埋管換熱器，再進入太陽能集熱器，這種情況下可實現熱泵不開機直接供暖；另一種是循環介質先流經太陽能集熱器，再進入埋管換熱器，這種運行模式可以將富余的太陽熱能輸送到地下土壤中，提高土壤溫度的恢復速度。并聯模式是熱泵機組地源側循環水通過分水器分流后，同時進入埋管換熱器和太陽能集熱器，然后再匯合在一起進入熱泵機組。介質的分流比例可以通過分流裝置智能調節，根據光照條件改變太陽能集熱器管路的流量，使系統處于最優的運行狀態。交替運行模式中，白天采用太陽能集熱器給熱泵系統提供熱源，夜間或陰天改用地源熱泵供暖，土壤溫度場在白天使用太陽能供暖時能夠得到一定程度的恢復，同時地源熱泵系統中的埋管換熱器能實現土壤蓄熱的功能，可以減小儲熱水箱的容量。太陽能輔助地源熱泵供暖系統運行模式示意圖如圖6所示。

圖6 太陽能輔助地源熱泵供暖系統運行模式示意圖

智超英等測試了上海地區太陽能耦合地源熱泵供暖系統的性能，太陽能耦合地源熱泵供暖系統可有效提高地源熱泵機組的COP，節省運行費用，符合我國可持續發展的要求。同時，能夠使得地埋管冷水進口溫度保持在0℃以上，避免凍土現象的發生，有效恢復地下溫度場，保證熱泵機組長期穩定高效率運行。

2.2 太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統

空氣源熱泵系統能夠以較低的能量消耗，從環境大氣中無償地吸取豐富的低品位熱能，實現熱量從低溫位到高溫位的轉換，這些優點使其在世界范圍內得到廣泛的應用。然而在我國北方，冬季室外空氣溫度較低，熱泵機組將會出現一系列的問題：如隨著環境溫度降低，機組的吸氣壓力降低，壓縮機壓縮比增大，導致熱泵的壓縮過程與額定壓縮過程嚴重偏離，并且低于空氣露點溫度時，空氣中的水分在換熱器表面就會凍成霜，導致蒸發器的吸熱量減少，不能滿足增加的熱負荷的需要等。

晉浩等建立了太陽能輔助空氣源熱泵系統，系統中太陽能集熱器與熱泵蒸發器并聯，并對系統性能進行了測試。測試結果表明，有了太陽能的輔助的空氣源熱泵系統，室內平均溫度比純空氣源熱泵運行模式提高了4℃，熱舒適性較好，室內人員普遍比較滿意。同時，熱泵的蒸發溫度明顯提高，制冷劑循環量增加，機組的COP顯著提升，達到了3.5，與純空氣源熱泵運行模式相比，增加了1.3，系統制熱量也明顯加強。因此，太陽能輔助空氣源熱泵系統能夠高效、可靠、穩定地運行，具有節能、環保的優點，有望為國家的節能減排貢獻力量。

2.3 太陽能輔助水源熱泵供暖系統

水源熱泵是利用地球表面淺層的水源，吸收熱能而形成的低品位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。水源熱泵運行效率高、費用低、節能，運行穩定可靠、投資經濟性好，具有廣闊的發展前景。但是，北方冬季的河流溫度較低，會導致壓縮機壓縮比增大，導致熱泵的壓縮過程與額定壓縮過程嚴重偏離，系統COP降低。運用太陽能輔助水源熱泵進行供熱，能夠顯著改善機組的工況和提高系統的性能。

在冬季，太陽能輔助水源熱泵供暖系統根據蓄熱水箱出口溫度來選擇工作模式，可實現太陽能直接供暖模式、太陽能串聯熱泵供暖模式、太陽能間接加熱源側水的熱泵供暖模式及水源熱泵單獨供暖共4種運行模式。

太陽能直接供暖模式，供暖初始及結束階段，供暖所需的用戶負荷較小，太陽能輻射照度較好，蓄熱水箱平均溫度較高，系統可直接利用太陽能熱水供暖，無需開啟熱泵機組；太陽能串聯熱泵供暖模式，當太陽輻射強度一般時，集熱器的有效集熱量有限，蓄熱水箱中的熱水直接與熱泵蒸發器換熱，提供高于地表水溫度的低溫熱源；水源熱泵單獨供暖模式，熱泵蒸發器提取的熱量來自于低溫熱源；太陽能間接加熱源側水的熱泵供暖模式，蓄熱水箱流體經過熱交換器將熱量傳遞給低溫熱源，提升了低溫熱源進入熱泵蒸發器的溫度。太陽能輔助水源熱泵供熱系統運行模式開啟條件如表1所示。

表1 太陽能輔助水源熱泵供熱系統運行模式開啟條件

3 結語

太陽能輔助供暖技術分為被動式和主動式兩種，被動式技術基于圍護結構的優化設計，結構簡單，但使用場合限制較大，主動式技術主要是利用太陽能集熱技術輔助各類熱泵，改善熱泵工況，顯著提高熱泵性能。在目前研究的成果中，對各類系統模式的研究已經相當完備，但欠缺深入的系統控制與細節優化研究。