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本文作者：段林李昌鋒單位：蘭州交通大學

0引言

太陽能作為取之不盡用之不竭的可再生能源，隨著科學技術的進步，近年來受到了全社會的高度重視，已經開始被廣泛的應用于發(fā)電、取暖、供水等諸多領域。在我國大部分國土面積屬于供暖地區(qū)，建筑采暖是保證生存的基本條件；另外，我國太陽能資源最為豐富的地區(qū)大多是氣候寒冷、常規(guī)能源比較缺乏的偏遠地區(qū)，這些地區(qū)既有實際的采暖需求，又有充足的太陽能資源，是應用太陽能供熱采暖條件最為優(yōu)越的地區(qū)。因此，太陽能供熱采暖將是繼太陽能熱水之后，最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲軣崂眉夹g，有著廣闊的應用前景。

1太陽能集熱器系統(tǒng)的設計原則

a）應合理設計太陽能集熱器在建筑上的安裝位置。建筑設計應將所設置的太陽能集熱器作為建筑的組成元素，與建筑有機結合，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀，并與周圍環(huán)境相協(xié)調；設置在建筑任何部位的太陽能集熱器應能充分接受陽光；應與建筑錨固牢靠，保證安全；同時不得影響該建筑部位的承載、防護、保溫、防水、排水等相應的建筑功能。建筑設計應為系統(tǒng)各部分的安全維護檢修提供便利條件；b）太陽能集熱器宜朝向正南或南偏東、偏西30°的朝向范圍內設置；安裝傾角可選擇在當?shù)鼐暥取?0°的范圍內；受實際條件限制時，可以超出范圍，但應進行面積補償，合理增加集熱器面積，并進行經濟效益分析[1]；c）受條件限制不能按推薦方位和傾角設置太陽能集熱器時，按式(1)進行集熱器面積補償，計算增加的集熱器面積。AB=AS/RS，(1)式中：AB為面積補償后確定的集熱器面積；AS為用式(3)和(5)計算得出的集熱器面積；RS為近似等于與集熱器安裝方位角和傾角所對應的補償面積比；d）放置在平屋面上的集熱器在冬至日的日照時數(shù)應保證不少于4h，互不遮擋、有足夠間距(包括安裝維護的操作距離)，排列整齊有序；e）正午前后n小時照射到集熱器表面上陽光不被遮擋的日照間距s由式(2)計算。S=Hcothocsγ0，(2)式中：S為日照間距（m）；H為前方障礙物的高度，m；h為計算時刻的太陽高度角；γ0為計算時刻太陽光線在水平面上的投影線與集熱器表面法線在水平面上的投影線之間的夾角；f）宜將集熱器在向陽坡屋面上順坡架空設置或順坡鑲嵌設置。建筑坡屋面的坡度宜等于集熱器接受陽光的最佳角度，即當?shù)鼐暥取?0°；g）低緯度地區(qū)設置在墻面、陽臺欄板、女兒墻上的太陽能集熱器應有一定的傾角，使集熱器更有效地接受太陽照射；h）集熱器連接成集熱器組宜采用并聯(lián)方式；采用串聯(lián)連接時，串聯(lián)的集熱器個數(shù)不宜超過3個。集熱器組之間宜采用并聯(lián)方式連接，各集熱器組包含的集熱器數(shù)量應該相同，每組集熱器的數(shù)量不宜超過10個；i）太陽能集熱器類型及面積的確定。(a)太陽能集熱器的類型應與使用當?shù)氐奶柲苜Y源、氣候條件相適應，在保證太陽能供暖系統(tǒng)全年安全、穩(wěn)定運行的前提下，選擇性能價格比最優(yōu)的集熱器；(b)直接系統(tǒng)集熱器總面積用式(3)計算：式中：AC為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；Q為建筑物的耗熱量指標，W/m2；A0為建筑面積，按各層外墻外包線圍成面積的總和計算，m2；JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系牟膳谄骄仗栞椪樟縦J/m2•日；f為太陽能保證率，%，按表1選?。沪莄d為基于總面積的集熱器集熱效率，%，由測試所得的效率曲線方程，根據歸一化溫差計算得出；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，%。Q按式(4)計算：Q=QHT+QIHF+QIH，(4)式中：Q為建筑物的耗熱量指標，W/m2；QHT為單位建筑面積通過圍護結構的傳熱耗熱量，W/m2；QIHF為單位建筑面積的空氣滲透耗熱量，W/m2；QIH為單位建筑面積的建筑物內部得熱，住宅建筑取3.8W/m2。(c)間接系統(tǒng)太陽能集熱器總面積AIN按式(5)計算：AIN=AC•（1+UL+ACUhx+Ahx），(5)式中：AIN為間接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；AC為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；UL為集熱器總熱損失系數(shù)，W/(m2•℃)，測試得出；Uhx為換熱器傳熱系數(shù)，W/(m2•℃)；Ahx為間接系統(tǒng)換熱器換熱面積，m2；j）太陽能集熱系統(tǒng)的設計流量確定。(a)太陽能集熱系統(tǒng)的設計流量GS分別用式(6)和(7)計算：GS=3.6•g•AC，(6)GS=3.6•g•AIN，(7)式中：GS為太陽能集熱系統(tǒng)的設計流量m3/h；g為太陽能集熱器的單位面積流量L/(h•m2)；AC為直接式太陽能集熱系統(tǒng)中的太陽能集熱器總面積，m2；AIN為間接式太陽能集熱系統(tǒng)中的太陽能集熱器總面積，m2：（b）太陽能集熱器的單位面積流量g與太陽能集熱器的特性有關，宜根據太陽能集熱器生產企業(yè)給出的數(shù)值確定。在沒有企業(yè)提供相關技術參數(shù)的情況下，根據不同的系統(tǒng)，宜按表2中給出的范圍取值。(c)宜采用自動控制變流量太陽能集熱系統(tǒng)，設太陽輻照感應傳感器(如光伏電池板等)，根據太陽輻照條件控制變頻泵改變系統(tǒng)流量，實現(xiàn)優(yōu)化運行。

2太陽能供暖系統(tǒng)的蓄熱方式選取原則

a）應根據太陽能集熱系統(tǒng)形式、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)投資，供暖負荷和太陽能保證率進行技術經濟分析，選取適宜的蓄熱分系統(tǒng)；b）貯熱水箱蓄熱適用于液體工質集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)[3]；c）地下水池蓄熱適用于液體工質集熱器季節(jié)蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)；畜熱量大、施工簡便、初投資低，是性能價格比最優(yōu)的季節(jié)蓄熱系統(tǒng)；d）土壤埋管蓄熱適用于液體工質集熱器季節(jié)蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)，蓄熱量大、施工簡便、初投資蓄熱量大，但施工較復雜，初投資高；e）卵石堆蓄熱適用于空氣集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)；f）相變材料蓄熱同時適用于空氣集熱器和液體工質集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)；g）貯熱水箱容積配置。各類太陽能供熱系統(tǒng)對應每平方米太陽能集熱器采光面積的貯熱水箱容積范圍宜按表3選取，根據設計蓄熱時間周期和蓄熱量等參數(shù)計算確定；

3太陽能供暖系統(tǒng)的輔助熱源設計原則

a）太陽能供暖系統(tǒng)應設輔助熱源及其加熱/換熱設備、設施，輔助熱源可因地制宜選擇城市熱網、電、燃氣、燃油、工業(yè)余熱和生物質燃料等，加熱/換熱設備、設施有各類鍋爐、換熱器和熱泵等；b）輔助熱源的供熱量宜按現(xiàn)行國家標準GB50011－2003采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范規(guī)定的采暖熱負荷計算；在標準規(guī)定可不設置集中采暖的地區(qū)或建筑，可根據當?shù)氐膶嶋H情況，適當降低輔助熱源的供熱量標準；c）輔助熱源加熱、換熱設備應根據當?shù)乜捎玫臒嵩捶N類、價格、供水水質、供暖系統(tǒng)型式、對環(huán)境的影響、使用的方便性等因素，通過技術、經濟分析合理選用；宜重視廢熱、余熱利用；d）輔助熱源及其加熱設施應在保證太陽能集熱系統(tǒng)充分工作的條件下輔助運行。輔助熱源設施宜靠近貯熱水箱(罐)設置，并應便于操作、維護；e）大型、集中式太陽能供暖系統(tǒng)的輔助熱源設備配置宜不少于2臺；1臺檢修時，其他各臺加熱設備的總供熱能力不小于50％的系統(tǒng)負荷。小型戶式太陽能供暖系統(tǒng)可配置1臺輔助熱源設備；采用快速式燃氣水加熱器時，應注意該加熱器的允許進水溫度。

4結語

我國大部分地區(qū)太陽能資源豐富，且冬季采暖需求大，從節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展角度考慮，太陽能供熱系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。但目前受到資金、技術等的限制，太陽能采暖系統(tǒng)的應用推廣仍顯緩慢，望能通過較多的研究切實提高太陽能在建筑工程采暖系統(tǒng)中的應用。