太阳能自采暖农宅设计与研究

天普新能源科技有限公司 ■ 程翠英 许新中 吴艳元 董珊珊

0 引言

近年来北京大气污染严重，为实施“生态北京、绿色北京、科技北京，还北京一片蓝天”这一北京市政府和人民重要而迫切的任务，研发设计一种太阳能自采暖农宅，实现采暖空调热水三联供的可再生能源集成系统示范楼，适于在北京郊区农村建筑中大面积推广应用，实施城郊新农村建设低碳用能技术，深度解决北京及周边地区大气污染、能源紧张、居民生活改善等有关民生的重大紧迫问题。

该太阳能自采暖农宅示范楼设计采用了太阳能、热泵、土壤跨季节蓄热、光伏照明等新能源综合节能技术。利用太阳能通过土壤蓄能方式使春夏秋3个非采暖季的太阳能得到收集并储存，并用于冬季采暖，这对于实现太阳能全年收集利用、彻底永久性消灭采暖小煤炉对北京空气污染的影响、改善居民生活质量、缓解首都能源供需紧张都具有十分重要的意义。近年来我国科技人员一直在探讨该领域的技术[5-7]。

1 示范住宅设计思想

该太阳能自采暖农宅示范楼设计采用了跨季节蓄热方式，在农宅地基18 m×11 m的矩形地面上均匀布置23口可垂直埋管的竖井。示范楼南向坡屋面上的太阳能集热器组件串并联后与地下埋管构成循环回路，夏季晴天太阳能集热器收集到的剩余热能由管路系统传输储存到地下土壤中；冬季联通采暖循环系统，将地下土壤中的热能输送到室内供采暖，实现了全年集热、冬季使用的跨季节储热利用。设计理论和实用效果表明，太阳能采暖的保障率逐年递增，预计第四年基本达到94%以上，该技术已在丹麦大规模推广使用[1]。为解决初期储热过程中地下土壤含热量不饱和，满足不了冬季供热需求的问题，利用地源热泵在取热供暖过程中对热源温度进行提升。利用热泵技术可将需要的室内温度升降自如，夏季将室内的热量转移到室外地下土壤里，实现室内降温；冬季将室外的热量转移到室内采暖，实现室内升温。

该设计可完全满足农户采暖、空调、热水三联供，项目的关键优势在于运行费用逐年递减，甚至有望在4～5年后不需要常规能源，只依靠太阳能就可满足储能采暖。

太阳能自采暖农宅北方四合院的风格设计建造如图1所示，示范楼采用被动式太阳房设计，采用轻钢龙骨钢模网(专利号：200710063551.8)墙体材料，外保温结构，降温隔热屋顶，双层中空玻璃窗结构，设有阳光间、出风口、太阳能光电板、太阳能光电雨棚、太阳能集热器。该示范办公楼的内部设计包括阳光厅、大小会议室、办公室、厨房、餐厅休息室、卫生间等10个房间。

图1 太阳能自采暖农宅北方四合院的风格设计

2 示范住宅设计方案与技术路线

目前，国内外太阳能地下储热技术在供暖、空调和热水供应系统采用的储热方法主要有：显热储热、潜热储热和热化学储热。根据热量储存的时间又可分为随时储存、短期储存和长期储存。地下储热是储热技术的一种，其优势是地下广阔的空间及天然的储热介质，主要分为含水层储热、地下土壤和岩石储热。

由于太阳能的季节性不均衡特点，直接利用太阳能采暖受到限制，单纯利用地源热泵会引起地下土壤温度逐年降低的问题。

2.1 设计方案

研究拟以相对较小的太阳能集热器面积和地埋管换热面积比值，利用局部地下土壤作为热能储存体，采用慢充慢放的方式收集全年太阳能源，重点满足建筑冬季采暖需求，既可解决单纯热泵使土壤温度降低的问题，还可有效利用非采暖季过剩的太阳能源。夏季建筑利用热泵制冷过程中，可将置换的热能通过地埋管换热器存入地下土壤中，实现夏热存储冬季使用的效果。并可提供全年生活热水。

2.2 技术路线

系统研究分为太阳能集热蓄热循环和土壤储热取热循环两部分，系统装置由地埋管换热器机组、20 m2真空管太阳能集热器组件、1.5 t水箱、20P热泵机组、散热机组、低温地板辐射采暖系统、连接管道、控制系统等设备组成。

1) 低温地板辐射采暖系统，是采用DN20聚乙烯管均匀分布在首层、二层、顶层热熔连接，分成若干个循环回路由分集水器控制。

2) 低温地板辐射采暖系统供水温度50 ℃，回水温40 ℃，温差10 ℃采暖热源由太阳能集热水箱及水源热泵(辅助)供给。

3) 地埋管在18 m×11 m的矩形地面下均匀布置3口￠200 mm×深100 m和20口￠200 mm×深30 m井并设有垂直埋管。埋管程U型连接组成两套循环系统。

工作原理如图2所示：当太阳能照射在太阳房上，太阳能集热器将热能传送到水箱将水加热，水箱内的热水一部分用于生活热水，一部分用于冬季采暖。当太阳能不能满足室温平衡时，启动热泵循环系统补充能源，夏季太阳能热水系统和热泵制冷系统产生多余能源时，将开启阀门K1、K2使热水由地埋管循环系统将热能存储到地下，冬季热泵采暖系统将存储到地下的热能通过地暖系统和暖风系统用于室内采暖。

图2 南厂办公室太阳能热泵联合采暖制冷系统图

3 太阳房的传热计算

北京天普南厂建造的太阳能自采暖农宅二层楼为陶粒混凝土钢模网结构，南北向，双层中空玻璃窗，楼梯不采暖，建筑面积A0=390.25 m2，建筑体积V0=1136.46 m3，外表面积F0=381 m2，体型系数S=0.335， 换气体积V=0.60V0=681.88 m3。其他部分数据与传热计算见表1和表2[2-4]。

表1 围墙结构的传热系数和传热面积

表2 建筑物耗热量指标的计算

4 示范住宅运行试验分析

2013年11月15日－12月15日采暖系统平均每日用电150 kWh。供暖面积560 m2(两栋太阳房390 m2+170 m2)，计算建筑物耗热量为150/560/24=11.16 W/m2。

建筑物耗热量指标qH=12.91 W/m2，远远低于国标节能建筑14.64 W/m2的指标。其主要原因是土壤储热的应用取得明显的节能效果。表3示出2013年11月部分测试点的数据，室温控制在18～23℃。

表3 示范太阳房温度布点

5 结论

1) 按节能标准设计的被动式太阳能自采暖农宅，墙体采用陶粒混凝土钢模网结构，双层中空玻璃窗、地采暖土壤蓄热系统可达到理想的节能效果。

2) 按围墙结构的传热系数和传热面积进行建筑物耗热量指标的计算，所得结果是19.02 W/m2，其中空气渗透耗热量为5.55 W/m2，占耗热量的31.56%。

3) 示范住宅运行试验建筑物耗热量指标：12.91 W/m2，低于国标 14.64 W/m2。其主要原因是热泵采暖系统应用土壤储热技术取得了明显的节能效果。

[1] CanMET Energy. Solar heating with seasonal storage canadian activities[R]. 2011.

[2] 罗运俊, 何梓年, 王长贵. 太阳能热利用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[3] DBJ11-602-2006 北京市居住建筑节能设计标准[S].

[4] DB11-635-2009 村镇太阳能采暖应用技术规程[S].

[5] 王潇, 郑茂余, 张文雍. 太阳能-土壤耦合热泵长年蓄热土壤热平衡分析[J]. 太阳能学报, 2013, 34 (1): 147－152.

[6] 崔俊奎, 赵军, 李新国. 跨季节蓄热地源热泵地下蓄热特性的理论研究[J]. 太阳能学报, 2008, 29(8): 920－926.

[7] 韩敏霞. 太阳能土壤跨季节蓄热—地源热泵组合理论与实践研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.