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(duì)位于濟(jì)南市某小區(qū)住宅的太陽能采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行說明，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，本采暖實(shí)驗(yàn)旨在結(jié)合我國住宅建設(shè)的實(shí)際情況，利用已有的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出與建筑平屋頂、斜屋頂、陽臺(tái)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(duì)室內(nèi)、室外、集熱器、水箱水溫的測(cè)試，分析太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)對(duì)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(huì)大大促進(jìn)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(cè)試方案

　　太陽能室內(nèi)供暖實(shí)驗(yàn)是在濟(jì)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(shí)驗(yàn)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(tái)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(duì)增加集熱面積，水箱提供生活熱水的同時(shí)蓄存供暖多余的熱量。用溫度自記儀測(cè)試各部分溫度變化，各個(gè)部件連接情況如圖2所示:

　　圖2太陽能室內(nèi)供暖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖

　　本系統(tǒng)的特點(diǎn):

　　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(shí)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(dòng)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(yùn)行靠手動(dòng)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(duì)位于濟(jì)南市某小區(qū)住宅的太陽能采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行說明，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，本采暖實(shí)驗(yàn)旨在結(jié)合我國住宅建設(shè)的實(shí)際情況，利用已有的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出與建筑平屋頂、斜屋頂、陽臺(tái)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(duì)室內(nèi)、室外、集熱器、水箱水溫的測(cè)試，分析太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)對(duì)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(huì)大大促進(jìn)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(cè)試方案

　　太陽能室內(nèi)供暖實(shí)驗(yàn)是在濟(jì)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(shí)驗(yàn)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(tái)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(duì)增加集熱面積，水箱提供生活熱水的同時(shí)蓄存供暖多余的熱量。用溫度自記儀測(cè)試各部分溫度變化，各個(gè)部件連接情況如圖2所示:

　　圖2太陽能室內(nèi)供暖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖

　　本系統(tǒng)的特點(diǎn):

　　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(shí)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(dòng)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(yùn)行靠手動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

　　2.1太陽能集熱系統(tǒng)的測(cè)試

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

　　測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是太陽能集熱器在非采暖時(shí)間與采暖時(shí)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(shí)間測(cè)得數(shù)據(jù)如圖3～圖6所示:

　　圖3 12月26號(hào)集熱溫度變化

　　圖4 12月27號(hào)集熱溫度變化

　　圖5 12月28號(hào)集熱溫度變化

　　圖6 12月29號(hào)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(dá)到40℃以上，若采用地板輻射采暖，中午時(shí)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(dá)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(shí)間開始對(duì)室內(nèi)供暖，在下午太陽能輻照最強(qiáng)時(shí)間太陽能集熱效率會(huì)達(dá)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(shí)間保證室內(nèi)供暖對(duì)低溫?zé)崴囊?，蓄熱水箱也可以?chǔ)存多余的熱量滿足晚上供暖需求。

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

　　圖7 1月1號(hào)集熱溫度變化

　　圖8 1月4號(hào)集熱溫度變化

　　圖9 1月5號(hào)集熱溫度變化

　　圖10 1月6號(hào)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(yuǎn)小于室內(nèi)的散熱速度，所以中午時(shí)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(qiáng)，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(fù)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(yùn)行費(fèi)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(fù)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(yùn)行費(fèi)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(jì)合理。

　　2.2太陽能蓄熱系統(tǒng)的測(cè)試

　　采暖實(shí)驗(yàn)用戶已有單臺(tái)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(cè)試冬季采暖與非采暖時(shí)間內(nèi)水箱溫度變化，但水箱每日提供必需的生活熱水，測(cè)得非采暖時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示，在采暖時(shí)間測(cè)得數(shù)據(jù)如圖12所示:

　　圖11 蓄熱水箱12月28～31號(hào)溫度曲線

　　由圖11可以看出:蓄熱水箱水溫在非采暖時(shí)間12月28號(hào)～31號(hào)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(dá)到50℃以上，基本可以滿足室內(nèi)供暖對(duì)低溫?zé)崴男枨螅涿刻熳罡咚疁爻霈F(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(duì)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(qiáng)的時(shí)候，蓄熱水箱得熱量基本能滿足白天采暖負(fù)荷的要求。

　　圖12 蓄熱水箱1月4～6號(hào)溫度曲線

　　由圖12可以看出:蓄熱水箱水溫在采暖時(shí)間1月4號(hào)～6號(hào)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(shí)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(qiáng)，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(qiáng)的時(shí)候，蓄熱水箱儲(chǔ)存的熱量基本可以滿足白天采暖負(fù)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(yùn)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(jìn)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(chǔ)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(jìn)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(chǔ)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(yùn)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(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理的重要因素。

　　2.3室內(nèi)環(huán)境溫度測(cè)試

　　采暖實(shí)驗(yàn)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(duì)室內(nèi)供暖保障率的影響，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為采暖時(shí)間1月4、5、6號(hào)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(shí)驗(yàn)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(dá)到26℃左右，若太陽能集熱面積足夠大，可以白天儲(chǔ)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(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析

　　本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)太陽能集熱溫度、蓄熱水箱溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度的測(cè)試，分析太陽能集熱、蓄熱對(duì)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(shí)驗(yàn)通過對(duì)09年1月份1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)天氣較為晴朗的條件下進(jìn)行測(cè)試，綜合分析對(duì)比結(jié)果如圖14～圖16所示:

　　圖14  1月1號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

　　圖15  1月4號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

　　圖16  1月5號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

　　圖17  1月6號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

　　由圖顯示:測(cè)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)控制，上午集熱器積蓄熱量，中午開啟循環(huán)泵對(duì)室內(nèi)供暖，集熱器此時(shí)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(qiáng)，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(diǎn)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(jì)4天室內(nèi)供暖結(jié)果表明，室內(nèi)溫度若保持18℃以上時(shí)間基本在8h左右，其余時(shí)間若維持室溫須靠輔助熱源，但此時(shí)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(duì)節(jié)約能源。結(jié)果表明:太陽能對(duì)室內(nèi)供暖時(shí)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(duì)生活熱水需求量有限。故綜合考慮，太陽能對(duì)室內(nèi)保障率維持在30%左右較為適宜。實(shí)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(fù)荷、末端設(shè)備特點(diǎn)、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(yùn)行，水箱容積也有限，集熱器熱量流經(jīng)水箱進(jìn)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(duì)水箱影響不大。

　　本文認(rèn)為蓄熱水箱體積增加到一定程度，如果繼續(xù)增大，經(jīng)濟(jì)上不合理，因?yàn)樗潴w積增大，系統(tǒng)初投資增加，然而對(duì)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(duì)降低運(yùn)行費(fèi)用作用有限;因此在太陽能對(duì)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(jìn)水溫較高，太陽能集熱器效率下降，本身也不能儲(chǔ)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(duì)室內(nèi)供暖保障率的影響較小，故在選型時(shí)應(yīng)側(cè)重考慮生活熱水量的多少。

　　4、結(jié)論

　　通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行測(cè)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(shí)，蓄熱水箱里貯存的熱量可以繼續(xù)為采暖房間供熱，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行情況分析旨在為太陽能用于建筑采暖的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考依據(jù)，使該系統(tǒng)可以更加高效的運(yùn)行達(dá)到節(jié)能的目的。為太陽能采暖系統(tǒng)的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。