太阳能采暖辅助电加热器系统的研究与探讨①

董啸

摘 要：为了解决当前社会的能源供需矛盾和提高人们的日常生活水平，研究了一种由太阳能采暖辅助的电加热器系统，探讨了其在国内外的研究现状，最后给出了该系统的设计方案，并进行了可行性分析。

关键词：太阳能采暖  电加热器系统  集热器  电锅炉

中图分类号：TM925.33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0029-02

随着我国GDP总量的快速发展和人们生活质量的逐步提高，环境污染、资源匮乏、能源供需不足等问题日益凸显。特别是在加快城镇化建设的关键时期，我国对能源的需求是巨大的。因此，为了解决以上问题，减少不可再生能源的消耗和加快可再生新能源的开发已成为时代的必要。

1 我国的太阳能资源

太阳能作为一种清洁绿色能源，是人类开发较早的可再生能源之一[1-2]。由于我国的太阳能资源十分丰富，陆地面积上每年获得的太阳辐射总量在3.3×103﹏8.4×103MJ/（m2.a）之间，相当于2.4×104亿吨标准煤。我国有2/3以上的地区光照时间长，辐射总量大，这为较好地利用太阳能资源创造了先决条件。我国的太阳能资源区基本上可以划分为四个等级，分别是：资源丰富区（I区）、资源较丰富区（II区）、资源可利用区（III区）、资源贫乏区（IV区）（如图1所示）。从图1可知，我国的青藏高原、内蒙古高原、新疆东南、宁夏北部、甘肃西部地区由于太阳能总辖射量和日照小时数均为全国最高，属于太阳能资源丰富地区;中部、东部、南部及东北等其它地区为资源较富区或一般区;四川盆地、贵州为资源贫乏区。

目前，虽然利用太阳能加热的热水器具有较高的价格、易受外界气温和气候变化的影响，但是随着科技水平的发展和资源能源的不足，太阳能热水器凭借自身无耗能、无污染、经济安全的优势，在市场上越来越受到欢迎。因此，如果在我国太阳能资源比较充足的地域利用太阳能来采暖供热的话，这样不仅大大可以方便人们的日常生活，而且还可以降低不可再生能源的消耗，减少污染物的排放，改善环境的质量。因此该项目的实施可以达到节能、环保、卫生的目的，对在我国的可持续发展战略具有重大意义。（见图1）

2 太阳能采暖辅助电加热器系统国内外研究现状与分析

欧美国家在太阳能技术的研发和利用方面上起步较早，一些利用先进的太阳能技术的产品已经在在人们日常的生活中得到全面而成熟的使用，而我国相对在太阳能资源方面的利用率还比较低，这主要取决于一些方面的先进技术还不够完善与成熟[3]。因而我们需要在学习国外的有关产品成熟技术的基础上，加快自主研发和科技创新，最终使我国的太阳能资源较好的为国民生活和国家可持续战略服务。

2.1 国外研究现状与分析

欧洲、北美对太阳能热水供应和采暖系统的工程应用已经历经几十年历史。自从20世纪50年代，欧美等发达国家已经制造出成熟而实用的单晶硅电池以及选择性太阳吸收涂层等产品。于是，太阳能在居民热水供应、市政热水供应、市政采暖、太阳能发电开始得到广泛应用。

20世纪90年代，国外安装太阳能热水器面积大约为45万m2。近年来，国外在建筑物外体上加大对太阳能热利用，这样既提高了集热效率，同时又提升了在居民生活中太阳能资源的利用率。例如，以色列以及日本等发达国家通过这种方式利用太阳能热水器的用户分别达到了80%和20%。

在最近十多年期间，一些利用太阳能供热的大型采暖系统包括区域供热系统等工程应用也得到了较大的进展，其中，瑞典、丹麦、法国、德国等发达国家在这方面技术应用最成熟。例如，在丹麦王国，竣工于1996年的MARSTAL太阳能采暖供热工程是目前最大的利用太阳能采暖供热的系统。另外，在对太阳能组合系统的研究与应用上，法国开始相对较早，1985年左右就成功研制出直接地板系统。相比法国，德国等其他西方国在90年代也研发出各具特色的相关类型的组合系统。在这之后，世界各国的专家与学者对这些不同特点的利用太阳能资源的组合系统进行大量的实验和分析，从而形成了一套完整的利用太阳能采暖供热的技术与理论，从而为太阳能系统在世界上各个地方成功推广奠定了坚实的基础。

2.2 国内研究现状与分析

20世纪80年代，太阳能热水器作为一个新兴的新能源产业开始在我国出现。中国政府对新能源和可再生能源的开发利用在政策法规、研究开发、队伍建设等方面都给予了高度重视和大力支持，经过我国科学技术人员的努力，使我国的太阳能热水器产业不断壮大。至2004年底，我国的太阳能热水器的使用量为6.5×107 m2，占世界使用量的40%;2005年，我国的太阳能热水器年生产量为1.5×107 m2，为我国经济和社会的可持续发展做出了巨大贡献。

最近十几年间， 随着国家对便民惠民等服务工程的投资的增多，我国加大了对西部及其东北部等寒冷地区太阳能采暖供热工程的建设，在许多区域新建了大量的太阳能采暖房，虽然相比普通建筑，太阳能采暖房的投资相对较大，但是由于利用太阳能供热，在降耗节能方面却很有成效，一般来说，可达到50%的节能率。如果对太阳能的利用率处于全寿命周期内，其投资回收的周期也相对较短，基本上低于10年。然而，伴随着技术的不成熟和不完善，传统的太阳能采暖系统在夏季将仍然存在过热的缺点。在利用太阳能采暖供热的技术应用上，我国尽管有所进步，在小型的太阳能采暖供热工程上取得了较为成熟的发展，但是，由于目前刚刚处于起步阶段，在大型的太阳能采暖供热工程上尚存在许多的问题与不足。但值得关注的是，太阳能区域供热采暖、跨季节蓄热供暖技术被列入“十一五”国家科技支撑计划项目中，旨在解决太阳能采暖时出现的弊端[4]。

3 系统的设计方案

3.1 系统的主要配置

电锅炉（内置板式换热器）一台、板式太阳能、系统控制器、采暖供热装置。

3.2 太阳能采暖辅助电加热器系统原理

系统的总体设计原理图如图2所示。

燃气壁挂炉供热方式可以表述为用功率足够大的壁挂炉为各个单元住宅供热和供应生活热水。可壁挂式燃气炉可以方便安装在厨房内，像安装了一个比较大一些的燃气热水器一样，由于该设备小巧美观，它并不占用厨房的使用面积。它具有以下特点，第一个特点是便于单户计量，可使用磁卡燃气表实现用热分户计量，这样就可以解决供暖费常年亏欠的问题，第二个特点是节约能源，由于没有锅炉房﹑二次换热﹑外网及楼内管道等热损失，基本上可节约热能7%左右。另外，辅助太阳能采暖系统采用间歇运行方式，这种方式致使它的实际的使用效率并不高，运行费用也比较低。

如果建筑物的墙体采用复合节能墙体的话，比如“聚苯板粘贴外墙保温体系”，对外围墙体采用保温措施后，鉴于内部的实体墙具有较大的热容量，室内可以蓄存更多的热量，使太阳能辐射或间歇采暖造成的室内温度变化减缓，因此室温相对较为稳定，于是生活环境也较为舒适，这也使太阳能辐射的热量﹑人体的散热量﹑家用电器及炊事的散热量等因素产生的“自由热”得到很好的利用，从而有利于节能。

根据户型面积大小，采暖面积不大可选择壁挂炉，采暖面积大可选择电锅炉。电锅炉实现采暖和热水需求，太阳能系统起到辅助加热生活热水，当太阳能系统热量不够时，才会启动锅炉加热，如果太阳能提供的热量可达到设定温度，锅炉会自动停止加热，最大限度实现节能。太阳能控制器可联动控制太阳能和电锅炉工作，可实现循环热水，每个用水点热水即开即热，避免水浪费。

3.3 系统的优点

（1）提供采暖的同时还可提供生活循环热水。

（2）利用免费太阳能，是人类的梦想。长期以来，只能使用太阳能热水器和锅炉简单对接，夏天冬天要手动转换，冬天只能靠电锅炉系统加热，不但不能利用太阳能，反而要防止电锅炉加热的高温热量从太阳能板散发掉，不小心还会造成太阳能溢水。

（3）电锅炉与太阳能结合功能系统，可实现太阳能系统和电锅炉无缝对接，冬夏都能充分利用太阳能加热生活热水，只有太阳能严重不足时，自动启动锅炉加热。充分利用太阳能，节能率可达30%～90%。

4 结语

由于我国的太阳能资源相对丰富，许多地区的地理环境都适宜利用太阳能来为民造福，尤其是西北﹑东北等区域，兼具有漫长寒冷的冬季和充足而长时间的光照量，因此为了改善民生，提高人们的生活水平和质量，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少对不可再生资源的浪费，这样既避免了污染，又降低了能耗。

参考文献

[1] 张思思，董重成，陈玲.太阳能散热器采暖与热水供应技术实验研究[J].节能技术，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，刘君，芦潮.太阳能采暖技术在新农村建设中应用[J].农业工程学报，2006，22（10）：167-170.

[3] 陈晨.太阳能供热系统的优化设计研究与应用[D].石家庄铁道大学学位论文，2013.

[4] 崔明珠.东北地区村镇住宅太阳能采暖与热水供应技术研究[D].哈尔滨工业大学学位论文，2011.

3.2 太阳能采暖辅助电加热器系统原理

系统的总体设计原理图如图2所示。

燃气壁挂炉供热方式可以表述为用功率足够大的壁挂炉为各个单元住宅供热和供应生活热水。可壁挂式燃气炉可以方便安装在厨房内，像安装了一个比较大一些的燃气热水器一样，由于该设备小巧美观，它并不占用厨房的使用面积。它具有以下特点，第一个特点是便于单户计量，可使用磁卡燃气表实现用热分户计量，这样就可以解决供暖费常年亏欠的问题，第二个特点是节约能源，由于没有锅炉房﹑二次换热﹑外网及楼内管道等热损失，基本上可节约热能7%左右。另外，辅助太阳能采暖系统采用间歇运行方式，这种方式致使它的实际的使用效率并不高，运行费用也比较低。

如果建筑物的墙体采用复合节能墙体的话，比如“聚苯板粘贴外墙保温体系”，对外围墙体采用保温措施后，鉴于内部的实体墙具有较大的热容量，室内可以蓄存更多的热量，使太阳能辐射或间歇采暖造成的室内温度变化减缓，因此室温相对较为稳定，于是生活环境也较为舒适，这也使太阳能辐射的热量﹑人体的散热量﹑家用电器及炊事的散热量等因素产生的“自由热”得到很好的利用，从而有利于节能。

根据户型面积大小，采暖面积不大可选择壁挂炉，采暖面积大可选择电锅炉。电锅炉实现采暖和热水需求，太阳能系统起到辅助加热生活热水，当太阳能系统热量不够时，才会启动锅炉加热，如果太阳能提供的热量可达到设定温度，锅炉会自动停止加热，最大限度实现节能。太阳能控制器可联动控制太阳能和电锅炉工作，可实现循环热水，每个用水点热水即开即热，避免水浪费。

3.3 系统的优点

（1）提供采暖的同时还可提供生活循环热水。

（2）利用免费太阳能，是人类的梦想。长期以来，只能使用太阳能热水器和锅炉简单对接，夏天冬天要手动转换，冬天只能靠电锅炉系统加热，不但不能利用太阳能，反而要防止电锅炉加热的高温热量从太阳能板散发掉，不小心还会造成太阳能溢水。

（3）电锅炉与太阳能结合功能系统，可实现太阳能系统和电锅炉无缝对接，冬夏都能充分利用太阳能加热生活热水，只有太阳能严重不足时，自动启动锅炉加热。充分利用太阳能，节能率可达30%～90%。

4 结语

由于我国的太阳能资源相对丰富，许多地区的地理环境都适宜利用太阳能来为民造福，尤其是西北﹑东北等区域，兼具有漫长寒冷的冬季和充足而长时间的光照量，因此为了改善民生，提高人们的生活水平和质量，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少对不可再生资源的浪费，这样既避免了污染，又降低了能耗。

参考文献

[1] 张思思，董重成，陈玲.太阳能散热器采暖与热水供应技术实验研究[J].节能技术，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，刘君，芦潮.太阳能采暖技术在新农村建设中应用[J].农业工程学报，2006，22（10）：167-170.

[3] 陈晨.太阳能供热系统的优化设计研究与应用[D].石家庄铁道大学学位论文，2013.

[4] 崔明珠.东北地区村镇住宅太阳能采暖与热水供应技术研究[D].哈尔滨工业大学学位论文，2011.

3.2 太阳能采暖辅助电加热器系统原理

系统的总体设计原理图如图2所示。

燃气壁挂炉供热方式可以表述为用功率足够大的壁挂炉为各个单元住宅供热和供应生活热水。可壁挂式燃气炉可以方便安装在厨房内，像安装了一个比较大一些的燃气热水器一样，由于该设备小巧美观，它并不占用厨房的使用面积。它具有以下特点，第一个特点是便于单户计量，可使用磁卡燃气表实现用热分户计量，这样就可以解决供暖费常年亏欠的问题，第二个特点是节约能源，由于没有锅炉房﹑二次换热﹑外网及楼内管道等热损失，基本上可节约热能7%左右。另外，辅助太阳能采暖系统采用间歇运行方式，这种方式致使它的实际的使用效率并不高，运行费用也比较低。

如果建筑物的墙体采用复合节能墙体的话，比如“聚苯板粘贴外墙保温体系”，对外围墙体采用保温措施后，鉴于内部的实体墙具有较大的热容量，室内可以蓄存更多的热量，使太阳能辐射或间歇采暖造成的室内温度变化减缓，因此室温相对较为稳定，于是生活环境也较为舒适，这也使太阳能辐射的热量﹑人体的散热量﹑家用电器及炊事的散热量等因素产生的“自由热”得到很好的利用，从而有利于节能。

根据户型面积大小，采暖面积不大可选择壁挂炉，采暖面积大可选择电锅炉。电锅炉实现采暖和热水需求，太阳能系统起到辅助加热生活热水，当太阳能系统热量不够时，才会启动锅炉加热，如果太阳能提供的热量可达到设定温度，锅炉会自动停止加热，最大限度实现节能。太阳能控制器可联动控制太阳能和电锅炉工作，可实现循环热水，每个用水点热水即开即热，避免水浪费。

3.3 系统的优点

（1）提供采暖的同时还可提供生活循环热水。

（2）利用免费太阳能，是人类的梦想。长期以来，只能使用太阳能热水器和锅炉简单对接，夏天冬天要手动转换，冬天只能靠电锅炉系统加热，不但不能利用太阳能，反而要防止电锅炉加热的高温热量从太阳能板散发掉，不小心还会造成太阳能溢水。

（3）电锅炉与太阳能结合功能系统，可实现太阳能系统和电锅炉无缝对接，冬夏都能充分利用太阳能加热生活热水，只有太阳能严重不足时，自动启动锅炉加热。充分利用太阳能，节能率可达30%～90%。

4 结语

由于我国的太阳能资源相对丰富，许多地区的地理环境都适宜利用太阳能来为民造福，尤其是西北﹑东北等区域，兼具有漫长寒冷的冬季和充足而长时间的光照量，因此为了改善民生，提高人们的生活水平和质量，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少对不可再生资源的浪费，这样既避免了污染，又降低了能耗。

参考文献

[1] 张思思，董重成，陈玲.太阳能散热器采暖与热水供应技术实验研究[J].节能技术，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，刘君，芦潮.太阳能采暖技术在新农村建设中应用[J].农业工程学报，2006，22（10）：167-170.

[3] 陈晨.太阳能供热系统的优化设计研究与应用[D].石家庄铁道大学学位论文，2013.

[4] 崔明珠.东北地区村镇住宅太阳能采暖与热水供应技术研究[D].哈尔滨工业大学学位论文，2011.