劉紀廣

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統(tǒng)的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節(jié)能和環(huán)保效益。就太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能；供熱系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術(shù)主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質(zhì)傳送給供熱系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對建筑的供熱。太陽能供熱技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環(huán)境，但該技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩(wěn)定性，且熱能存儲技術(shù)尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統(tǒng)的運行效率，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行探討，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作原理和相關(guān)設(shè)計

1.1 太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理

太陽能供熱系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)、輔助熱源系統(tǒng)、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構(gòu)成，主要分為能源供應(yīng)、能源存儲和能源利用三個環(huán)節(jié)（如圖1所示）。與傳統(tǒng)的供熱方式相比，太陽能供熱系統(tǒng)并不以常規(guī)能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發(fā)揮其作用，幫助完成供熱任務(wù)。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環(huán)水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關(guān)閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計

太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在集熱系統(tǒng)和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計包括選型、定位、連接和確定面積四個環(huán)節(jié)。在選型前，應(yīng)對太陽能集熱器進行分類：按照結(jié)構(gòu)類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統(tǒng)的定位主要依據(jù)集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種連接方式，連接方式的選擇要根據(jù)具體情況判定。由于太陽能供熱系統(tǒng)主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據(jù)暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設(shè)計主要包括選擇、裝置和運行三個環(huán)節(jié)，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。相變材料一般要封存在容器里，構(gòu)成相變蓄熱裝置，該裝置可實現(xiàn)采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 太陽能集熱系統(tǒng)的優(yōu)化

集熱系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)考慮集熱器的最佳傾角和最優(yōu)面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統(tǒng)在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的集熱作用。最佳傾角主要受當?shù)氐牡乩砭暥?、太陽輻射量、太陽角和月份等因素的影響；集熱器的最?yōu)面積會直接影響系統(tǒng)的運行效果，最優(yōu)面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關(guān)系，以計算供熱系統(tǒng)的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應(yīng)的集熱器面積較小，該情況出現(xiàn)的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應(yīng)的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優(yōu)面積要小于最不利工況對應(yīng)的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發(fā)現(xiàn)，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統(tǒng)需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統(tǒng)日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據(jù)日蓄熱量集中的區(qū)間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎(chǔ)上，還可計算出蓄熱裝貿(mào)填充的相變材料的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩(wěn)定性，將太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了太陽能供熱系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。通過分析太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)設(shè)計，我們認為，因太陽能供熱系統(tǒng)由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優(yōu)化設(shè)計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優(yōu)面積和蓄熱系統(tǒng)的容量，以使系統(tǒng)運行效果達到最佳。

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統(tǒng)的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節(jié)能和環(huán)保效益。就太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能；供熱系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術(shù)主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質(zhì)傳送給供熱系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對建筑的供熱。太陽能供熱技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環(huán)境，但該技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩(wěn)定性，且熱能存儲技術(shù)尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統(tǒng)的運行效率，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行探討，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作原理和相關(guān)設(shè)計

1.1 太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理

太陽能供熱系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)、輔助熱源系統(tǒng)、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構(gòu)成，主要分為能源供應(yīng)、能源存儲和能源利用三個環(huán)節(jié)（如圖1所示）。與傳統(tǒng)的供熱方式相比，太陽能供熱系統(tǒng)并不以常規(guī)能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發(fā)揮其作用，幫助完成供熱任務(wù)。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環(huán)水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關(guān)閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計

太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在集熱系統(tǒng)和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計包括選型、定位、連接和確定面積四個環(huán)節(jié)。在選型前，應(yīng)對太陽能集熱器進行分類：按照結(jié)構(gòu)類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統(tǒng)的定位主要依據(jù)集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種連接方式，連接方式的選擇要根據(jù)具體情況判定。由于太陽能供熱系統(tǒng)主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據(jù)暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設(shè)計主要包括選擇、裝置和運行三個環(huán)節(jié)，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。相變材料一般要封存在容器里，構(gòu)成相變蓄熱裝置，該裝置可實現(xiàn)采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 太陽能集熱系統(tǒng)的優(yōu)化

集熱系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)考慮集熱器的最佳傾角和最優(yōu)面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統(tǒng)在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的集熱作用。最佳傾角主要受當?shù)氐牡乩砭暥?、太陽輻射量、太陽角和月份等因素的影響；集熱器的最?yōu)面積會直接影響系統(tǒng)的運行效果，最優(yōu)面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關(guān)系，以計算供熱系統(tǒng)的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應(yīng)的集熱器面積較小，該情況出現(xiàn)的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應(yīng)的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優(yōu)面積要小于最不利工況對應(yīng)的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發(fā)現(xiàn)，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統(tǒng)需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統(tǒng)日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據(jù)日蓄熱量集中的區(qū)間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎(chǔ)上，還可計算出蓄熱裝貿(mào)填充的相變材料的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩(wěn)定性，將太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了太陽能供熱系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。通過分析太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)設(shè)計，我們認為，因太陽能供熱系統(tǒng)由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優(yōu)化設(shè)計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優(yōu)面積和蓄熱系統(tǒng)的容量，以使系統(tǒng)運行效果達到最佳。

摘 要：隨著我國建筑總量和建筑能耗的快速增長，傳統(tǒng)的供熱方式已難以滿足建筑供熱的需求，而利用太陽能為建筑物供熱，則可獲得良好的節(jié)能和環(huán)保效益。就太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行了分析和研究，以期能為太陽能供熱技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能；供熱系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；相變材料

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0043-02

太陽能供熱技術(shù)主要利用集熱器吸收太陽能，然后通過傳熱工質(zhì)傳送給供熱系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對建筑的供熱。太陽能供熱技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于緩解當前能源緊張的問題，而且還能保護環(huán)境，但該技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一定的不足。由于太陽能具有不穩(wěn)定性，且熱能存儲技術(shù)尚未完善，極大地限制了對太陽能的熱利用。在此情況下，如何提高太陽能供熱系統(tǒng)的運行效率，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵性問題。因此，對太陽能供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題進行探討，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作原理和相關(guān)設(shè)計

1.1 太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理

太陽能供熱系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)、輔助熱源系統(tǒng)、蓄熱裝置和供熱末端裝置等構(gòu)成，主要分為能源供應(yīng)、能源存儲和能源利用三個環(huán)節(jié)（如圖1所示）。與傳統(tǒng)的供熱方式相比，太陽能供熱系統(tǒng)并不以常規(guī)能源作為主要熱源，而是利用集熱器收集太陽輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱量，再通過供熱末端裝置輸送給用戶，剩余的熱量則被存儲在蓄熱裝置中，以備不時之需。如果存儲的熱量難以滿足用戶的需要，輔助熱源就會發(fā)揮其作用，幫助完成供熱任務(wù)。

1—太陽能集熱器；2—相變蓄熱器；3—熱水箱；

4—輔助加熱裝置；5—地盤管；6—循環(huán)水泵；7—控制器

圖1 太陽能供熱系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)的具體工作原理是：在太陽能豐富的時段啟動水泵，開啟V1、V3、V5和V6閥門為建筑采暖，同時蓄熱；在太陽能較弱的時段，關(guān)閉V1和V3閥門，集熱器僅向用戶供熱；在夜晚或陰天，啟動相變蓄熱裝置，開啟V2、V4和V6閥門，將蓄存的太陽能供給用戶；當相變蓄熱裝置的熱能不足時，則需運行輔助加熱裝置，開啟V2和V4閥門，為用戶提供熱量。

1.2 太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計

太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在集熱系統(tǒng)和蓄熱裝置兩部分。其中，太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計包括選型、定位、連接和確定面積四個環(huán)節(jié)。在選型前，應(yīng)對太陽能集熱器進行分類：按照結(jié)構(gòu)類型分為真空管式、平板式和空氣太陽能集熱器；按照吸熱體材料劃分，真空管集熱器又分為金屬熱體真空管和全玻璃真空管。太陽能集熱系統(tǒng)的定位主要依據(jù)集熱器的安裝傾角和方位，以更好地接收太陽輻射。太陽能集熱器主要有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種連接方式，連接方式的選擇要根據(jù)具體情況判定。由于太陽能供熱系統(tǒng)主要滿足暖季的供熱需求，因此，集熱器面積的確定主要依據(jù)暖季的供熱負荷。蓄熱裝置的設(shè)計主要包括選擇、裝置和運行三個環(huán)節(jié)，相變材料有很多種類，其中，固-液相變材料具備高儲能密度、導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。相變材料一般要封存在容器里，構(gòu)成相變蓄熱裝置，該裝置可實現(xiàn)采暖、蓄熱和供熱等運行模式。

2 太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 太陽能集熱系統(tǒng)的優(yōu)化

集熱系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)考慮集熱器的最佳傾角和最優(yōu)面積。集熱器與水平面之間的夾角稱為最佳傾角。最佳傾角的確定，能使太陽能供熱系統(tǒng)在特定條件下收集最大量的太陽輻射能，從而最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的集熱作用。最佳傾角主要受當?shù)氐牡乩砭暥取⑻栞椛淞俊⑻柦呛驮路莸纫蛩氐挠绊懀患療崞鞯淖顑?yōu)面積會直接影響系統(tǒng)的運行效果，最優(yōu)面積的確定需要認真衡量集熱器面積與太陽能保證率之間的關(guān)系，以計算供熱系統(tǒng)的壽命期凈收益。通常情況下，與采暖季最有利工況對應(yīng)的集熱器面積較小，該情況出現(xiàn)的概率相對較大；與采暖季最不利工況對應(yīng)的集熱器面積較大，而最不利工況下的部分負荷由輔助熱源承擔。因此，太陽能集熱器的最優(yōu)面積要小于最不利工況對應(yīng)的集熱面積。

2.2 太陽能蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)化

在集熱器的面積確定后，需確定蓄熱容量，這主要通過集熱器的集熱量和建筑物熱負荷的時間來確定。從建筑24 h的集熱量和熱負荷的變化中發(fā)現(xiàn)，隨著室外溫度和日照強度的提高，集熱量會不斷增加，熱負荷則會不斷降低。蓄熱量的表達式為：

. （1）

式（1）中：Qx——系統(tǒng)需要的熱量；

Qj（t）——集熱器d的集熱量；

Qw（t）——建筑的熱負荷，kW。

由于采暖季的日太陽輻射量與室外溫度不一致，所以，建筑的日熱負荷與集熱量有差異，這也造成了蓄熱系統(tǒng)日蓄熱量的不同。通常情況下，采暖季初期和末期的太陽輻射量較大，溫度較高，日蓄熱量也較大，根據(jù)日蓄熱量集中的區(qū)間，可以確定蓄熱量的容量，在此基礎(chǔ)上，還可計算出蓄熱裝貿(mào)填充的相變材料的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，鑒于太陽能的不穩(wěn)定性，將太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱裝置和輔助熱源有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了太陽能供熱系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。通過分析太陽能供熱系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)設(shè)計，我們認為，因太陽能供熱系統(tǒng)由多個部分組成，所以，需要合理配置各部分。因此，我們著重優(yōu)化設(shè)計了太陽能集熱器的最佳傾角、最優(yōu)面積和蓄熱系統(tǒng)的容量，以使系統(tǒng)運行效果達到最佳。