太阳能供热系统优化设计的相关问题研究

刘纪广

摘 要：随着我国建筑总量和建筑能耗的快速增长，传统的供热方式已难以满足建筑供热的需求，而利用太阳能为建筑物供热，则可获得良好的节能和环保效益。就太阳能供热系统优化设计的相关问题进行了分析和研究，以期能为太阳能供热技术的推广和应用提供一定的理论依据。

关键词：太阳能；供热系统；优化设计；相变材料

中图分类号：TU832.1+7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0043-02

太阳能供热技术主要利用集热器吸收太阳能，然后通过传热工质传送给供热系统，进而实现对建筑的供热。太阳能供热技术的应用不仅有助于缓解当前能源紧张的问题，而且还能保护环境，但该技术在应用过程中也存在一定的不足。由于太阳能具有不稳定性，且热能存储技术尚未完善，极大地限制了对太阳能的热利用。在此情况下，如何提高太阳能供热系统的运行效率，已经成为该领域研究的关键性问题。因此，对太阳能供热系统优化设计的相关问题进行探讨，具有重要的现实意义。

1 工作原理和相关设计

1.1 太阳能供热系统的工作原理

太阳能供热系统由集热系统、辅助热源系统、蓄热装置和供热末端装置等构成，主要分为能源供应、能源存储和能源利用三个环节（如图1所示）。与传统的供热方式相比，太阳能供热系统并不以常规能源作为主要热源，而是利用集热器收集太阳辐射能，并将其转化为热量，再通过供热末端装置输送给用户，剩余的热量则被存储在蓄热装置中，以备不时之需。如果存储的热量难以满足用户的需要，辅助热源就会发挥其作用，帮助完成供热任务。

1—太阳能集热器；2—相变蓄热器；3—热水箱；

4—辅助加热装置；5—地盘管；6—循环水泵；7—控制器

图1 太阳能供热系统构成

该系统的具体工作原理是：在太阳能丰富的时段启动水泵，开启V1、V3、V5和V6阀门为建筑采暖，同时蓄热；在太阳能较弱的时段，关闭V1和V3阀门，集热器仅向用户供热；在夜晚或阴天，启动相变蓄热装置，开启V2、V4和V6阀门，将蓄存的太阳能供给用户；当相变蓄热装置的热能不足时，则需运行辅助加热装置，开启V2和V4阀门，为用户提供热量。

1.2 太阳能供热系统的设计

太阳能供热系统的设计主要集中在集热系统和蓄热装置两部分。其中，太阳能集热系统的设计包括选型、定位、连接和确定面积四个环节。在选型前，应对太阳能集热器进行分类：按照结构类型分为真空管式、平板式和空气太阳能集热器；按照吸热体材料划分，真空管集热器又分为金属热体真空管和全玻璃真空管。太阳能集热系统的定位主要依据集热器的安装倾角和方位，以更好地接收太阳辐射。太阳能集热器主要有串联、并联和混联三种连接方式，连接方式的选择要根据具体情况判定。由于太阳能供热系统主要满足暖季的供热需求，因此，集热器面积的确定主要依据暖季的供热负荷。蓄热装置的设计主要包括选择、装置和运行三个环节，相变材料有很多种类，其中，固-液相变材料具备高储能密度、导热系数大等优点，被广泛应用。相变材料一般要封存在容器里，构成相变蓄热装置，该装置可实现采暖、蓄热和供热等运行模式。

2 太阳能供热系统的优化设计

2.1 太阳能集热系统的优化

集热系统的优化应考虑集热器的最佳倾角和最优面积。集热器与水平面之间的夹角称为最佳倾角。最佳倾角的确定，能使太阳能供热系统在特定条件下收集最大量的太阳辐射能，从而最大限度地发挥系统的集热作用。最佳倾角主要受当地的地理纬度、太阳辐射量、太阳角和月份等因素的影响；集热器的最优面积会直接影响系统的运行效果，最优面积的确定需要认真衡量集热器面积与太阳能保证率之间的关系，以计算供热系统的寿命期净收益。通常情况下，与采暖季最有利工况对应的集热器面积较小，该情况出现的概率相对较大；与采暖季最不利工况对应的集热器面积较大，而最不利工况下的部分负荷由辅助热源承担。因此，太阳能集热器的最优面积要小于最不利工况对应的集热面积。

2.2 太阳能蓄热系统的优化

在集热器的面积确定后，需确定蓄热容量，这主要通过集热器的集热量和建筑物热负荷的时间来确定。从建筑24 h的集热量和热负荷的变化中发现，随着室外温度和日照强度的提高，集热量会不断增加，热负荷则会不断降低。蓄热量的表达式为：

. （1）

式（1）中：Qx——系统需要的热量；

Qj（t）——集热器d的集热量；

Qw（t）——建筑的热负荷，kW。

由于采暖季的日太阳辐射量与室外温度不一致，所以，建筑的日热负荷与集热量有差异，这也造成了蓄热系统日蓄热量的不同。通常情况下，采暖季初期和末期的太阳辐射量较大，温度较高，日蓄热量也较大，根据日蓄热量集中的区间，可以确定蓄热量的容量，在此基础上，还可计算出蓄热装贸填充的相变材料的质量。

3 结束语

综上所述，鉴于太阳能的不稳定性，将太阳能集热系统、蓄热装置和辅助热源有机地结合在一起，实现了太阳能供热系统供热的稳定性。通过分析太阳能供热系统的工作原理和相关设计，我们认为，因太阳能供热系统由多个部分组成，所以，需要合理配置各部分。因此，我们着重优化设计了太阳能集热器的最佳倾角、最优面积和蓄热系统的容量，以使系统运行效果达到最佳。

摘 要：随着我国建筑总量和建筑能耗的快速增长，传统的供热方式已难以满足建筑供热的需求，而利用太阳能为建筑物供热，则可获得良好的节能和环保效益。就太阳能供热系统优化设计的相关问题进行了分析和研究，以期能为太阳能供热技术的推广和应用提供一定的理论依据。

关键词：太阳能；供热系统；优化设计；相变材料

中图分类号：TU832.1+7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0043-02

太阳能供热技术主要利用集热器吸收太阳能，然后通过传热工质传送给供热系统，进而实现对建筑的供热。太阳能供热技术的应用不仅有助于缓解当前能源紧张的问题，而且还能保护环境，但该技术在应用过程中也存在一定的不足。由于太阳能具有不稳定性，且热能存储技术尚未完善，极大地限制了对太阳能的热利用。在此情况下，如何提高太阳能供热系统的运行效率，已经成为该领域研究的关键性问题。因此，对太阳能供热系统优化设计的相关问题进行探讨，具有重要的现实意义。

1 工作原理和相关设计

1.1 太阳能供热系统的工作原理

太阳能供热系统由集热系统、辅助热源系统、蓄热装置和供热末端装置等构成，主要分为能源供应、能源存储和能源利用三个环节（如图1所示）。与传统的供热方式相比，太阳能供热系统并不以常规能源作为主要热源，而是利用集热器收集太阳辐射能，并将其转化为热量，再通过供热末端装置输送给用户，剩余的热量则被存储在蓄热装置中，以备不时之需。如果存储的热量难以满足用户的需要，辅助热源就会发挥其作用，帮助完成供热任务。

1—太阳能集热器；2—相变蓄热器；3—热水箱；

4—辅助加热装置；5—地盘管；6—循环水泵；7—控制器

图1 太阳能供热系统构成

该系统的具体工作原理是：在太阳能丰富的时段启动水泵，开启V1、V3、V5和V6阀门为建筑采暖，同时蓄热；在太阳能较弱的时段，关闭V1和V3阀门，集热器仅向用户供热；在夜晚或阴天，启动相变蓄热装置，开启V2、V4和V6阀门，将蓄存的太阳能供给用户；当相变蓄热装置的热能不足时，则需运行辅助加热装置，开启V2和V4阀门，为用户提供热量。

1.2 太阳能供热系统的设计

太阳能供热系统的设计主要集中在集热系统和蓄热装置两部分。其中，太阳能集热系统的设计包括选型、定位、连接和确定面积四个环节。在选型前，应对太阳能集热器进行分类：按照结构类型分为真空管式、平板式和空气太阳能集热器；按照吸热体材料划分，真空管集热器又分为金属热体真空管和全玻璃真空管。太阳能集热系统的定位主要依据集热器的安装倾角和方位，以更好地接收太阳辐射。太阳能集热器主要有串联、并联和混联三种连接方式，连接方式的选择要根据具体情况判定。由于太阳能供热系统主要满足暖季的供热需求，因此，集热器面积的确定主要依据暖季的供热负荷。蓄热装置的设计主要包括选择、装置和运行三个环节，相变材料有很多种类，其中，固-液相变材料具备高储能密度、导热系数大等优点，被广泛应用。相变材料一般要封存在容器里，构成相变蓄热装置，该装置可实现采暖、蓄热和供热等运行模式。

2 太阳能供热系统的优化设计

2.1 太阳能集热系统的优化

集热系统的优化应考虑集热器的最佳倾角和最优面积。集热器与水平面之间的夹角称为最佳倾角。最佳倾角的确定，能使太阳能供热系统在特定条件下收集最大量的太阳辐射能，从而最大限度地发挥系统的集热作用。最佳倾角主要受当地的地理纬度、太阳辐射量、太阳角和月份等因素的影响；集热器的最优面积会直接影响系统的运行效果，最优面积的确定需要认真衡量集热器面积与太阳能保证率之间的关系，以计算供热系统的寿命期净收益。通常情况下，与采暖季最有利工况对应的集热器面积较小，该情况出现的概率相对较大；与采暖季最不利工况对应的集热器面积较大，而最不利工况下的部分负荷由辅助热源承担。因此，太阳能集热器的最优面积要小于最不利工况对应的集热面积。

2.2 太阳能蓄热系统的优化

在集热器的面积确定后，需确定蓄热容量，这主要通过集热器的集热量和建筑物热负荷的时间来确定。从建筑24 h的集热量和热负荷的变化中发现，随着室外温度和日照强度的提高，集热量会不断增加，热负荷则会不断降低。蓄热量的表达式为：

. （1）

式（1）中：Qx——系统需要的热量；

Qj（t）——集热器d的集热量；

Qw（t）——建筑的热负荷，kW。

由于采暖季的日太阳辐射量与室外温度不一致，所以，建筑的日热负荷与集热量有差异，这也造成了蓄热系统日蓄热量的不同。通常情况下，采暖季初期和末期的太阳辐射量较大，温度较高，日蓄热量也较大，根据日蓄热量集中的区间，可以确定蓄热量的容量，在此基础上，还可计算出蓄热装贸填充的相变材料的质量。

3 结束语

综上所述，鉴于太阳能的不稳定性，将太阳能集热系统、蓄热装置和辅助热源有机地结合在一起，实现了太阳能供热系统供热的稳定性。通过分析太阳能供热系统的工作原理和相关设计，我们认为，因太阳能供热系统由多个部分组成，所以，需要合理配置各部分。因此，我们着重优化设计了太阳能集热器的最佳倾角、最优面积和蓄热系统的容量，以使系统运行效果达到最佳。

摘 要：随着我国建筑总量和建筑能耗的快速增长，传统的供热方式已难以满足建筑供热的需求，而利用太阳能为建筑物供热，则可获得良好的节能和环保效益。就太阳能供热系统优化设计的相关问题进行了分析和研究，以期能为太阳能供热技术的推广和应用提供一定的理论依据。

关键词：太阳能；供热系统；优化设计；相变材料

中图分类号：TU832.1+7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0043-02

太阳能供热技术主要利用集热器吸收太阳能，然后通过传热工质传送给供热系统，进而实现对建筑的供热。太阳能供热技术的应用不仅有助于缓解当前能源紧张的问题，而且还能保护环境，但该技术在应用过程中也存在一定的不足。由于太阳能具有不稳定性，且热能存储技术尚未完善，极大地限制了对太阳能的热利用。在此情况下，如何提高太阳能供热系统的运行效率，已经成为该领域研究的关键性问题。因此，对太阳能供热系统优化设计的相关问题进行探讨，具有重要的现实意义。

1 工作原理和相关设计

1.1 太阳能供热系统的工作原理

太阳能供热系统由集热系统、辅助热源系统、蓄热装置和供热末端装置等构成，主要分为能源供应、能源存储和能源利用三个环节（如图1所示）。与传统的供热方式相比，太阳能供热系统并不以常规能源作为主要热源，而是利用集热器收集太阳辐射能，并将其转化为热量，再通过供热末端装置输送给用户，剩余的热量则被存储在蓄热装置中，以备不时之需。如果存储的热量难以满足用户的需要，辅助热源就会发挥其作用，帮助完成供热任务。

1—太阳能集热器；2—相变蓄热器；3—热水箱；

4—辅助加热装置；5—地盘管；6—循环水泵；7—控制器

图1 太阳能供热系统构成

该系统的具体工作原理是：在太阳能丰富的时段启动水泵，开启V1、V3、V5和V6阀门为建筑采暖，同时蓄热；在太阳能较弱的时段，关闭V1和V3阀门，集热器仅向用户供热；在夜晚或阴天，启动相变蓄热装置，开启V2、V4和V6阀门，将蓄存的太阳能供给用户；当相变蓄热装置的热能不足时，则需运行辅助加热装置，开启V2和V4阀门，为用户提供热量。

1.2 太阳能供热系统的设计

太阳能供热系统的设计主要集中在集热系统和蓄热装置两部分。其中，太阳能集热系统的设计包括选型、定位、连接和确定面积四个环节。在选型前，应对太阳能集热器进行分类：按照结构类型分为真空管式、平板式和空气太阳能集热器；按照吸热体材料划分，真空管集热器又分为金属热体真空管和全玻璃真空管。太阳能集热系统的定位主要依据集热器的安装倾角和方位，以更好地接收太阳辐射。太阳能集热器主要有串联、并联和混联三种连接方式，连接方式的选择要根据具体情况判定。由于太阳能供热系统主要满足暖季的供热需求，因此，集热器面积的确定主要依据暖季的供热负荷。蓄热装置的设计主要包括选择、装置和运行三个环节，相变材料有很多种类，其中，固-液相变材料具备高储能密度、导热系数大等优点，被广泛应用。相变材料一般要封存在容器里，构成相变蓄热装置，该装置可实现采暖、蓄热和供热等运行模式。

2 太阳能供热系统的优化设计

2.1 太阳能集热系统的优化

集热系统的优化应考虑集热器的最佳倾角和最优面积。集热器与水平面之间的夹角称为最佳倾角。最佳倾角的确定，能使太阳能供热系统在特定条件下收集最大量的太阳辐射能，从而最大限度地发挥系统的集热作用。最佳倾角主要受当地的地理纬度、太阳辐射量、太阳角和月份等因素的影响；集热器的最优面积会直接影响系统的运行效果，最优面积的确定需要认真衡量集热器面积与太阳能保证率之间的关系，以计算供热系统的寿命期净收益。通常情况下，与采暖季最有利工况对应的集热器面积较小，该情况出现的概率相对较大；与采暖季最不利工况对应的集热器面积较大，而最不利工况下的部分负荷由辅助热源承担。因此，太阳能集热器的最优面积要小于最不利工况对应的集热面积。

2.2 太阳能蓄热系统的优化

在集热器的面积确定后，需确定蓄热容量，这主要通过集热器的集热量和建筑物热负荷的时间来确定。从建筑24 h的集热量和热负荷的变化中发现，随着室外温度和日照强度的提高，集热量会不断增加，热负荷则会不断降低。蓄热量的表达式为：

. （1）

式（1）中：Qx——系统需要的热量；

Qj（t）——集热器d的集热量；

Qw（t）——建筑的热负荷，kW。

由于采暖季的日太阳辐射量与室外温度不一致，所以，建筑的日热负荷与集热量有差异，这也造成了蓄热系统日蓄热量的不同。通常情况下，采暖季初期和末期的太阳辐射量较大，温度较高，日蓄热量也较大，根据日蓄热量集中的区间，可以确定蓄热量的容量，在此基础上，还可计算出蓄热装贸填充的相变材料的质量。

3 结束语

综上所述，鉴于太阳能的不稳定性，将太阳能集热系统、蓄热装置和辅助热源有机地结合在一起，实现了太阳能供热系统供热的稳定性。通过分析太阳能供热系统的工作原理和相关设计，我们认为，因太阳能供热系统由多个部分组成，所以，需要合理配置各部分。因此，我们着重优化设计了太阳能集热器的最佳倾角、最优面积和蓄热系统的容量，以使系统运行效果达到最佳。