太阳能采暖系统（通过太阳能集热器把太阳能转换成热能）

太阳能采暖系统

通过太阳能集热器把太阳能转换成热能

太阳能采暖系统是指将分散的太阳能通过太阳能集热器把太阳能转换成热水，然后通过将热水输送到发热末端来提供建筑供热需求的一种采暖系统。

系统概述

太阳能采暖系统由太阳能集热器(平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器、U型管太阳能集热器、热管太阳能集热器)、水箱、连接管道、控制系统等辅材构成。是指将分散的太阳能通过集热器，把太阳能转换成热水，将热水储存在水箱内，然后通过热水输送到发热末端(例如:地板辐射采暖、散热器采暖)，提供建筑供热的需求。

一般要求

建筑屋面或建筑旁能够摆放相应面积的太阳能集热器。

安装太阳能采暖系统的建筑，主要朝向宜为南向。建筑的体形和空间组合避免安装太阳能集热器部位受建筑自身及周围设施和绿化树木的遮挡，并应满足太阳能集热器有不少于4H日照射数的要求。

建筑的主体结构或结构构件，应能够承受太阳能热水系统的荷载。

建筑外墙要有保温。

建筑的玻璃是节能玻璃。

具备以上条件较适合安装太阳能采暖系统。

方案选择

太阳能集热器选型

系统选型主要考虑以下因素:a.太阳能集热器类型;b.系统工作方式，自然循环或强制循环，闭式系统或开式系统;c.换热方式，直接系统或间接系统;d备份热源，电加热器、燃气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、热泵等;e.管材和水箱材质。

太阳能蓄能采暖介绍

太阳能蓄能采暖分为当天蓄能采暖、周蓄能采暖、跨季蓄能采暖

当天蓄能采暖

当天蓄能采暖指利用太阳能集热器将当天的热能收集到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。

周蓄能采暖

周蓄能采暖指利用太阳能集热器将一周的热能收集到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。集热器的面积确定按照一周的太阳能辐照量计算，水箱的容量要稍大于当天蓄能采暖系统的水箱。适合不常居住的度假别墅。

跨季蓄能采暖

跨季蓄能采暖指利用太阳能集热器将春、夏、秋三个季节的热能收集到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。集热器的面积确定按照三个季节的太阳能辐照量计算，水箱的容量约大于10倍数当天蓄能采暖系统的水箱。适合无足够面积可供太阳能集热器摆放的别墅。

计算方法

太阳能采暖系统供热负荷计算主要分两种用途，一是用于确定太阳能集热器面积，另一种用于设计备份热源和热水管路。

以当天蓄能采暖方式为例确定供暖热负荷

供暖热负荷的确定

供暖系统的设计热负荷可用下式表示:Q=Q1+Q2+Q3+-Qd

其中，Q1为墙壁散热量，Q2为开关门散热量，Q3为排气孔耗热量，Qd为太阳辐射进入室内的热量。此系统是以辐射采暖为主(占60%以上)，辅以对流传热。据《暖通规范》及实际工程设计情况，在工程中，在仅知道建筑的总面积的情况下可采用以下采暖热指标进行计算。

建筑物热指标推荐表(2003技术措施:暖通空调):

室外-9C(北京)的条件下，供暖需求量，用这个值去配置供暖设备，相当于在最大条件下的出力。北京冬天室外平均-1.6，室内保证16，这时的规定平米指标20.6瓦。

每日耗热量计算

(以北京地区节能建筑面积200平米别墅为例)

热指标q=20.6W/㎡

热负荷Q=q·A(200㎡)=4120w

每日热量Qr=4.12kw×3600×12(小时)=177984KJ

时间取值:以北京大多数家庭作息习惯考虑，早8点到晚6点家中无人，故以上公式中取12小时。可根据实际情况更改，如24小时。

北京的冬季(1月、2月、3月、12月)日照辐射量平均为9730KJ/m(集热器受热面上的辐照量为水平面上的辐照量做一修正:9730KJ/㎡×1.2=11676KJ/㎡)。

太阳辐照资料

根据国家气象中心提供的《中国气象辐射资料年册》(2001年)中，北京(区站号:54511;东经:11628´;北纬:3948´;观测点海拔高度:31.3m)的月日均及年总辐射数据(单位MJ/m)

太阳能的集热效率为47%

太阳能集热面积S=177984KJ/(11676KJ/m×47%)=32.43m

水箱确定

地板采暖循环进口温度为45℃为易，水箱内的温度应当保持在50℃。所以根据(式-1)

式中:--水箱的容积;

--系统采光面积，32.43㎡;

--当地冬季(1月、2月、3月、12月)日照辐射量平均值，9730KJ/m;

(集热器受热面上的辐照量为水平面上的辐照量做一修正:9730KJ/㎡×1.2=11676KJ/㎡);

--集热器全日集热效率，取值为0.47。

--管路及储水箱热损失率，此处取0.15。

--储水箱内水的终止温度，50℃;

--水的定压比热容，4.18KJ/(㎏·℃);

­--水的初始温度，5℃;

--太阳能保证率，0.6;

代入式-1中，得出:=1340.35升

在这里我们取1.5吨储热水箱。

辅助能源

辅助能源的介绍:燃油锅炉、燃气炉、生物质锅炉、燃煤锅炉、电加热、(水箱内置电加热或外置电加热器)、热泵。

燃煤锅炉启停时间长，出力调整较困难，较难实现自控或无人职守，有环境污染问题;

燃油、燃气锅炉控制方便，便于调节，可方便实现自控运行，但设备间需要满足消防要求;

热泵使用费用低，控制方便，但设备初投资高，此外北方地区采用空气源热泵在冬季使用能效比很低;

电加热设备易安装，控制方便，是太阳能热水系统最常用的辅助热源，但运行费用较高，有时因需电力增容大大提高系统投资。

在选择辅助热源时，要综合考虑各项因素。

辅材选择

管路

太阳能采暖系统采用的管材和管件应符合现行产品要求，管道的工作压力和工作温度不得大于产品标准标定的允许工作压力和工作温度。

太阳能集热系统管道可采用钢管、薄壁不锈钢、塑钢热水管、塑料与金属复合管等。以乙二醇为主要成分的防冻液系统不宜采用镀锌钢管。

热水管道应选用耐腐蚀并符合卫生要求的管道，一般可采用薄壁铜管、薄壁不锈钢、塑料热水管、塑料与金属复合管等。设计时，应在系统管路必要位置设置排气装置、泄水装置、温度计、压力表、安全阀、膨胀水箱等辅助设备。闭式系统应设置膨胀罐或泄压阀。

管路保温

太阳能热水系统的集热系统连接管道、水箱、供水管道均应保温。常用的保温材料有岩棉、玻璃棉、聚氨酯发泡、橡塑泡棉等材料。

管道保温材料选用是有以下要求:

1.保温材料制品的允许使用温度应高于太阳能系统工作的介质最高温度。

2.保温材料不宜采用有机物，以免生虫。腐烂、生菌、引鼠。

3.宜采用吸湿性小、存水性弱、对管壁无腐蚀作用的材料;室外管道保温层外应加保护层防水。

4.保温材料应采用非燃和难燃材料。应符合GB50016《建筑设计防火规范》的要求;电加热器的保温必须采用非燃材料。

供热末端

太阳能系统效率与集热器种类和工质的工作温度密切相关，太阳能供热采暖系统的散热部件按以下原则选用:

1.太阳能供热采暖系统应优先选用低温辐射供暖系统。

2.水-空气处理设备和散热器系统宜使用在60-80℃工作温度下效率较高的太阳能集热器，如高效平板太阳能集热器或热管真空管太阳能集热器。该系统适合夏热冬冷或温和地区。

3.热风采暖系统适宜低层建筑或局部场所需要供暖的场合。

低温辐射供暖系统的设计要点

1.太阳能采暖系统较适宜低温辐射供热。供水温度不宜超过60℃，供回水温差10℃左右为宜，太阳能供热采暖系统供水温度宜采用35-50℃;供热系统的工作压力不得超过0.8MPa;地表温度平均温度计算值应符合表1-26的规定。

低温热水地板辐射采暖系统地表面平均温度/℃

地面构造

地面构造由楼板或与土壤相邻的地面、绝热层、加热管、填充层、找平层和面层组成。与土壤相邻的地面，必须设绝缘热层，且绝缘热层下部必须设置防潮层。直接与室外空气相邻的楼板，必须设置绝缘层。对卫生间、洗衣间、浴室和游泳馆等潮湿房间，在填充层上部应设置隔离层。当工程允许地面按双向散热进行设计时，个楼层间的楼板上部可不设绝缘层。

面层宜采用热阻小于0.05㎡.℃/W的材料。花岗石、大理石、陶瓷砖等的热阻为0.02㎡.℃/W，木地板的热阻为0.10㎡.℃/W，毛毯的热阻为0.15㎡.℃/W。

绝热层采用聚笨乙烯泡沫塑料板，容重不小于20kg/m,压缩强度不小于100kPa,热导率不大于0.41w(m.℃).绝热层厚度应满足:楼层之间楼板上的绝热层不小于20mm，与土壤或室外空气相邻的地板上的绝热层不小于40mm。

在与内外墙、柱及过门等垂直部件交接处应敷设不间断的伸缩缝，伸缩缝宽度不应小于20mm，伸缩缝宜采用聚苯乙烯或高发泡聚乙烯泡沫塑料;当地面面积超过30㎡或边长超过6m时，应设置伸缩缝，伸缩缝宽度不宜小于8mm，伸缩缝宜采用高发泡聚乙烯泡沫塑料或内满填弹性膨胀膏。

填充层的材料宜采用C15豆石混凝土，豆石粒径不宜大于12mm。填充层的厚度不宜小于50mm。如地面荷载大于20Kn/㎡时，应会同结构设计人员采用加固措施。

工程示例

1.北京延庆原乡美利坚别墅示例

项目概况

项目名称:原乡美利坚别墅太阳能采暖系统项目。

承建单位:北京索乐阳光能源科技有限公司。

项目建设时间:2008年5月~2009年2月。

项目规模:建筑面积200㎡。

集热器类型:真空管集热器。

集热器的面积:40㎡。

水箱容量:1500升。

生活热水:利用储热水箱的盘管换热器满足家庭生活热水。

水箱结构:SUS304不锈钢内胆，聚氨酯发泡保温水箱，敞开式水箱，内置生活热水换热器。

管路材质:太阳能专用管外敷聚氨酯发泡保温。

控制系统:采用索乐阳光采暖专用控制器。

辅助能源:与用户室内的燃气锅炉串联使用。

系统特点:

采暖季，太阳能系统可满足11、12、3月份供暖总量的60-70%左右，1、2月份

满足供暖总量的20-30%左右;非采暖季可每天提供1000升的热水，水质纯净可饮用。

3.为了让太阳能的造型尽可能的与周围环境匹配，集热器设计成球状，支架为木质结构，水箱和管道外表面最后用防腐木进行包装。

2.门头沟新农村太阳能采暖示例

项目概况

项目名称:门头沟新农村太阳能采暖项目。

承建单位:北京索乐阳光能源科技有限公司。

项目建设时间:2009年6月~2010年10月。

项目规模:总建筑面积1670㎡，最大单户建筑面积300㎡，最小单户建筑面积20㎡。

集热器类型:真空管集热器。

集热器的面积:总集热器面积550.8㎡，最大单户建筑面积100㎡，最小单户建筑面积10.2㎡。

水箱容量:600升、300升。

生活热水:利用储热水箱的盘管换热器通过家庭生活热水。

水箱结构:SUS304不锈钢内胆，聚氨酯发泡保温水箱，敞开式水箱，内置生活热水换热器。

管路材质:太阳能专用管外敷聚氨酯发泡保温。

控制系统:采用索乐阳光采暖专用控制器。

辅助能源:与用户室内的燃煤锅炉串联使用。

系统特点:

冬季时系统自动排空，不使用电热带防冻，降低能耗。

一年节省电热带的耗能计算:

每户管道长度约50米×25瓦/米×24小时/天×120天=3600度电。

冬季时，采取自动控制将集热器内热水回流到水箱内，将热量通过地暖散到室内，防止晚上集热器内热量散失。节能测算:每支真空管1.5升/集热管×50支集热管×4组集热器=300升，占系统一天内收集热量的20%左右。

采暖示例

项目概况

项目名称:六里桥办公室太阳能采暖项目。

承建单位:北京索乐阳光能源科技有限公司。

项目建设时间:2009年6月~2010年10月。

项目规模:总建筑面积200㎡。

集热器类型:真空管集热器。

集热器的面积:31㎡。

水箱容量:1000升。

水箱结构:SUS304不锈钢内胆，聚氨酯发泡保温水箱，敞开式水箱。

管路材质:太阳能专用管外敷聚氨酯发泡保温。

辅助能源:采用电加热。

系统特点:

该太阳能采暖系统，巧妙的利用走廊护栏，将太阳能集热器90°放置，根据太阳倾角的规律，既解决了太阳能夏季过热的问题，又解决了冬季采暖需要热量的问题。

系统设计

采用跨季蓄能采暖，由于建筑安装面积有限，只能满足室内的部分热量供应，为了从根本上解决冬季采暖的问题，北京索乐阳光公司与门头沟区科委共同开创了太阳能跨季蓄能采暖的先例，建筑外维护按照目前国内的节能标准进行设计施工，30吨的蓄能水箱安置在庭院地下，室内采用地板辐射采暖。

太阳能集热器将春夏秋的能量转化成热能收集到水箱内，优先满足室内生活热水，多余的热量储存在蓄能水箱中，满足冬季室内的采暖需求。

系统特点

1.该项目克服了很多难点，为充分利用地面空间，将水箱安置在地下，并解决了地下空间潮湿、雨水侵入等问题。

2.为了防止长时间储热带来的热量损失，根据实际情况进行特殊的处理。该项目自2010年8月中旬开始运行，进入采暖季11月15日时，蓄能水箱内温度达到67°，冬季室内温度达到18度以上，达到预期效果。

参考资料

1.带你了解一下太阳能供暖系统示意图及原理·好看视频