太陽能供熱系統優化設計與運行模式研究

元明霞 謝丹丹 張保國

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266510

1 嚴寒地區低能耗建筑供熱系統設計需要考慮的因素

1.1 建筑自身因素

（1）建筑物的朝向。良好的建筑朝向在提高室內環境質量提高、采暖能耗降低等方面有著十分顯著的作用。

（2）建筑自身的體型系數。這里所指的體型系數實際上就是建筑工程和室外大氣接觸表面積與大氣包圍建筑工程體積的比值，并且這一數值是影響建筑工程熱量指標的主要因素之一。

（3）建筑外圍護結構系統。這一系統主要包括建筑工程的外墻、外窗、外門及屋頂四個部分，作為建筑工程的最表層結構，承擔著保溫隔熱等諸多功能[1]。

1.2 可再生能源因素

在設計低能耗建筑供熱方式時，單純依賴被動技術實現建筑供暖及能耗控制目標具有較大的難度，并且前期的成本投入十分巨大。出于低能耗建筑供熱方式的普及和成本投入降低的考慮，除了需要借助被動技術選用合適的建筑維護結構，還需要使用可再生能源代替不可再生能源。

1.3 能源和設備系統因素

建筑內部的采暖能耗就是為了維持室內單位恒定溫度需要消耗的能量，并且這個指標主要是指供暖終端設施散發的熱量數值，但這一熱量數值是經由設施轉換來的，能源及設施系統的效率對建筑工程的能源需求數量也會產生一定的影響。為此，在設計供熱系統時，需要選擇性價比較高的能源類型及采暖設施，以便在有效提高轉換效率的基礎上，達到建筑供暖的目的。

2 太陽能供熱系統優化設計與運行

2.1 低能耗建筑復合供熱系統組成

從當前的技術情況來看，可以在全面結合太陽能系統、空氣源熱泵以及電供熱輔助三部分系統的前提下形成一個嚴寒地區低能耗建筑復合供熱系統。通過這三者的聯合使用，可以極大地彌補太陽能利用不穩定和存在間歇性的缺點，同時也使得獨立使用太陽能供熱所需的集熱面積有所縮小，且空氣源熱泵單獨運行的費用得到了有效的控制。在太陽能和空氣熱泵聯合供熱的前提下，可以在維持二者獨立運行的同時，互相作為彼此的補充；在有效達成供熱目標的同時，降低能源的消耗。在較為寒冷的氣候下，空氣熱泵自身的COP 數值會有所下降，但是在這種情況下，建筑需熱負荷量也會出現顯著的提高，但這部分時間占據總體的供暖時長的比例相對較低，如果按照最大的負荷數值進行相應的熱泵選型和設計工作，則會帶來初期投資過大的問題。在這種條件下，使用電輔助方式進行輔助工作，可以在有效彌補太陽能和空氣源熱泵供熱不足的同時，滿足建筑的供熱要求[2]。

2.2 太陽能供熱方式

太陽能作為一種最容易獲取的可再生能源，在開發利用上具備不產生有害氣體以及廢渣等產物的巨大優勢，不過太陽能利用的一個最大的缺陷就在于能量利用不穩定，并且晝夜交替和氣候變化對于太陽能的利用影響較大。太陽能自身的輻射強度，會跟隨緯度發生相應的變化，以太陽自身的輻射能力作為基礎，可以將我國劃分為五類地區，而嚴寒地區則剛好屬于第三類地區，有著較為充足的太陽能資源及利用條件，太陽能供熱轉換系統中主要包括了太陽能及熱器蓄熱水箱、水泵、控制系統、供回水管路等，在嚴寒地區的低能耗建筑中，使用該種供熱方式更加適合使用集熱效率較高的真空管型的集熱器。

2.3 系統的運行工況

該次研究所提出的嚴寒地區低能耗建筑復合供熱系統，PLC智能控制方式可以作為主控方式。具體而言，就是在全面利用熱電偶溫度傳感器和光敏傳感器的前提下進行數據測試，并有效利用編程控制器和性能水平較高的單片機集成芯片采集太陽能的系統、空氣源熱泵系統的測試參數數據，從而實現自動控制和遠程操控各類參數的目標。該系統在運行的過程中，會出現如下的幾種狀況：

（1）太陽能系統直接用于供熱。在3月、4月、10月和11月的時候，嚴寒地區白天的光照充足且太陽輻射強度相對較大，如此一來，太陽能循環系統就會使用溫差控制方式對集熱系統內部循環水泵開啟的溫差做出有效的控制，使得太陽能集熱器可以在全力吸收太陽輻射能的前提下，保障集熱器內部的溫度逐步提高，并借助熱電偶溫度傳感器的監測，在太陽能集熱器供水出口溫度和虛熱水箱溫差產生的熱量完全滿足實際供熱負荷的條件的情況下，及時啟動太陽能供熱系統循環水泵，將集熱器收集的熱量儲存到蓄熱水箱中，借助毛細管網將蓄熱水箱中的熱量傳輸到建筑內部空間，水分在散熱循環之后回到蓄熱水箱中。在太陽能的儲熱罐溫度達到35℃的時候，循環泵就會停止運作。

（2）空氣源熱泵系統用作太陽能系統的工作輔助。在嚴寒地區太陽輻射強度較弱，太陽能系統自身提供的熱量不足以達到熱水箱溫度設計水溫的前提下，就會自動啟動空氣源熱泵機組對蓄熱水箱內的水進行加熱操作。同樣在水箱溫度達到35℃的時候，空氣源熱泵機組也會自動停止工作[3]。

3 結語

嚴寒地區由于冬季對于建筑供熱的需求量相對較大，傳統的燃煤和燃氣鍋爐供暖方式會帶來較為嚴重的污染問題和能源浪費問題。為此，文章在全面分析低能耗建筑供熱方式設計考慮因素以及常用供熱方式的前提下，提出了一種復合型的低能耗建筑供熱系統，并對其實際的運行情況做出了簡單的分析，以便為今后的嚴寒地區低能耗建筑供熱方式和系統設計提供參考。