太阳能供热采暖系统的设计计算

1太阳能供热采暖系统综述 　　太阳能供热采暖系统将太阳能转化成热能，供应冬季采暖和全年生活热水。系统主要由集热系统、换热储热系统、辅助能源和控制系统等4大部分组成。 　　1.1集热系统 　　根据使用区域和用户投资规模不同，使用相应的太阳能集热器组成集热系统。包括全玻璃真空管集热器、平板集热器、玻璃金属集热器（玻璃金属U 型管集热器、玻璃金属热管集热器）等，集热系统可以采用直接系统间接系统。长期运行过程中既要考虑太阳能集热系统的越冬保护问题，又要考虑集热器夏天过热问题。直接式系统既可以采用回流式排空防冻措施也可以采用电伴热或热循环防冻措施；由于间接式系统一般采用低冰点高沸点介质做导热液，因此不存在冬季越冬保护问题，但其夏季过热是主要问题。 　　1.2换热储热系统 　　目前常用的太阳能采暖系统中多以热水显热的形式来完成供热和储热，随着技术的进步逐渐有以相变潜热供热的太阳能供热采暖系统面世。集热系统种类不同，换热设备和储热系统都不同，直接式系统把水作为集热的热媒和采暖供热的热媒；间接式系统一般用换能液（低冰点高沸点介质）通过换热器把集热器产生的热量储存到储热系统中；换热器可以是内置式也可以是外置式。储热水箱的容积和太阳能采暖保证率有关，所以同样集热面积的太阳能采暖系统，储热水箱容积可能不同，太阳能保证率越大，储热水箱的容积越大。 　　1.3用热系统 　　太阳能采暖系统用热包括两部分：采暖用热、生活热水用热。生活热水要求水质新鲜、富含氧气、温度合适、带有一定压力、清洁、无病菌、无异味，因此不能和采暖系统共用一套水源，采用双水箱系统、单水箱加换热器系统。 　　对采暖系统来讲，末端散热器主要用热设备，通过热传导、辐射、对流把热量散发出来，让居室的气温得到提升。太阳能辅助采暖系统可以在地板底下敷设加热管、普通金属散热器、风机盘管散热器等多种形式末端散热器。目前市场上销售的采暖散热器从材质上分为铜管铝翅对流散热器、钢制散热器、铝制散热器、铜制散热器、不锈钢散热器、铜铝复合散热器以及老式铸铁散热器等。 　　1.4辅助能源和控制系统 　　辅助能源和控制系统是保证太阳能采暖系统全天24h安全可靠运行的关键。控制系统控制策略的优劣决定系统运行过程是否节能，降低耗电输热比的关键措施。 　　2常见太阳能采暖系统组成方式 　　2.1常见4种太阳能采暖和生活热水系统 　　由于集热器种类和运行方式有多种形式，储热水箱有开口式、封闭式及有无内置换热器式等种类，辅助能源安装在水箱内部的电加热器、通过内置或外置换热器进行加热的外部加热装置，如电锅炉、燃气炉、燃油炉、燃煤炉；外置辅助加热装置还可以直接给水箱中的水加热。因此太阳能供热采暖有多种组合方式，直接式太阳能集热系统间接采暖如图1所示。 　　图1所示系统的辅助加热设备是直接安装在水箱中的电加热器，水箱中的热水既作为采暖供热的热源又作为洗浴和生活用水的水源，通过外置板式换热器采暖来隔离生活用水和采暖用热，这是直接式太阳能集热系统。 　　图2所示系统是直接式太阳能集热系统直接采暖，其辅助加热装置直接给水箱加热的外置式装置（燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉、燃煤锅炉、空气源热泵、水源热泵等），通过水箱内的换热器提供新鲜生活热水来隔离生活用水和采暖用热。图3所示系统是间接式太阳能集热系统间接采暖，其与图1所示系统的集热系统加热方式不同、辅助加热装置加热方式不同。 　　图4所示间接式太阳能集热系统直接采暖，外置辅助加热装置直接给水箱内的水加热，通过水箱内的换热器提供新鲜生活热水来隔离生活用水和采暖用热。承压间接式太阳能集热系统间接采暖，外置辅助加热装置直接给水箱内水加热，水箱内热水直接供生活用水，采暖部分热量通过外置的换热器提供。供暖方式是水箱中的热水直接通过散热器来给房间供热的直接供暖方式，也有储热水箱中的水通过换热器后再经过末端散热器给房间供暖的间接供暖方式。 　　2.2不同集热和供热方式的的优缺点对比 　　四种太阳能集热、供热采暖系统的优缺点对比见表1。从表1看到无论是直接集热系统还是间接集热系统都可以采用开口式水箱，无论直接供热水间接采暖系统还是直接采暖间接供热水系统都可以采用开口式水箱，因此太阳能供热水采暖系统中优先选用开口式水箱。 　　表1 直接供热与间接供热优缺点对比 　　3系统设计 　　对太阳能供热采暖系统来讲，其热负荷包括两部分，一部分是建筑物的采暖热负荷，另一部分是生活热水热负荷，由于冬季太阳辐照量减少，太阳能采暖系统很难保证供暖热负荷，因此应该首先考虑生活热水热负荷，在保证生活热水供应后再考虑采暖需求。 　　3.1热负荷计算 　　目前《公共建筑节能设计标准》、《北京市居住建筑节能设计标准》、《北京市公共建筑节能设计标准》以及《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》都规定建筑物耗热量应该按各种围护结构单位面积耗热量累计值来计算，只有通过计算才能得到相对准确的建筑物耗热量。但由于这种计算方法工作量大，在实际设计中可以根据经验采用估算法，常用的方法有体积热指标估算法和面积热指标估算法。 　　3.1.1 按维护结构计算建筑物的耗热量指标（热负荷） 　　3.2太阳能集热面积的计算 　　3.2.1太阳能保证率f合理选取 　　计算太阳能集热器的面积首先确定太阳能系统提供的热量是多少，虽然根据前面的计算我们已经得出建筑物的采暖热负荷，但这些能量有多少由太阳能集热系统提供的决定于太阳能保证率。为准确计算太阳能集热系统需要提供能量，需要合理选取太阳能采暖系统的保证率。这里强调说明太阳能保证率是指晴好天气的保证率而不是采暖季的平均保证率。这一数值要根据投资规模和建筑物实际情况综合考虑，并征求用户意见，一般选取f=50%。 　　2.采暖系统集热面积计算 　　因为太阳能采暖系统一般情况下都无法满足采暖热负荷，因此甲方不是特别要求冬天采暖季提供生活热水，一般都不必考虑生活热水系统的集热面积。如果冬季要提供生活热水必须专门设计生活热水系统，该部分集热面积只能用于生活热水而不能用于采暖系统，可以按照生活热水系统设计计算方法。 　　3.3水箱的设计计算 　　为了节约投资推荐采用内置换热式单水箱太阳能采暖供热水系统，通过换热器在采暖的同时为用户提供生活热水。设计原则：太阳能集热器产生的热量扣除白天采暖需要后剩余能量以显热形式储存在储热水箱中，水箱上限温度比当地热水沸点温度低15℃左右，下限温度不宜＜5℃；如有排回防冻措施，还要考虑晚上防冻排回液体的容量。 　　1.水箱的容积 　　当太阳能采暖系统在晴好天气的保证率＞30%时，太阳能集热器在白天得到的能量转换为热能后能被建筑物完全消耗，剩余部分的热量以热水的形式储存在水箱中供夜间采暖使用，这些热水的容积按公式8、公式9、公式10计算。 　　2.防冻回流排回液体的容量 　　为了解决全玻璃真空管集热器组成的直接式集热系统的防冻问题，为了提高采暖系统的效率，最有效的办法是把集热器中的水排回水箱。不同规格型号的集热器由于联箱的体积、管道长度和直径不一样，其集热系统的容水量是不同的，但可以进行粗略计算。以58×1500型集热器为例，单只真空管容水量按3.0L计算。 　　3.4辅助能源设计 　　阴雨雪天没有太阳能，所有采暖负荷都要有辅助加热设备提供，因此辅助加热设备提供的热能＞采暖总负荷，故辅助能源功率必须＞建筑物供暖热负荷。为延长辅助能源的寿命，一般情况下按1.5倍~2倍选择辅助能源功率。（北京海林太阳能设备有限公司副总经理窦建清）