太阳能供热系统优化设计与运行模式研究

元明霞 谢丹丹 张保国

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266510

1 严寒地区低能耗建筑供热系统设计需要考虑的因素

1.1 建筑自身因素

（1）建筑物的朝向。良好的建筑朝向在提高室内环境质量提高、采暖能耗降低等方面有着十分显著的作用。

（2）建筑自身的体型系数。这里所指的体型系数实际上就是建筑工程和室外大气接触表面积与大气包围建筑工程体积的比值，并且这一数值是影响建筑工程热量指标的主要因素之一。

（3）建筑外围护结构系统。这一系统主要包括建筑工程的外墙、外窗、外门及屋顶四个部分，作为建筑工程的最表层结构，承担着保温隔热等诸多功能[1]。

1.2 可再生能源因素

在设计低能耗建筑供热方式时，单纯依赖被动技术实现建筑供暖及能耗控制目标具有较大的难度，并且前期的成本投入十分巨大。出于低能耗建筑供热方式的普及和成本投入降低的考虑，除了需要借助被动技术选用合适的建筑维护结构，还需要使用可再生能源代替不可再生能源。

1.3 能源和设备系统因素

建筑内部的采暖能耗就是为了维持室内单位恒定温度需要消耗的能量，并且这个指标主要是指供暖终端设施散发的热量数值，但这一热量数值是经由设施转换来的，能源及设施系统的效率对建筑工程的能源需求数量也会产生一定的影响。为此，在设计供热系统时，需要选择性价比较高的能源类型及采暖设施，以便在有效提高转换效率的基础上，达到建筑供暖的目的。

2 太阳能供热系统优化设计与运行

2.1 低能耗建筑复合供热系统组成

从当前的技术情况来看，可以在全面结合太阳能系统、空气源热泵以及电供热辅助三部分系统的前提下形成一个严寒地区低能耗建筑复合供热系统。通过这三者的联合使用，可以极大地弥补太阳能利用不稳定和存在间歇性的缺点，同时也使得独立使用太阳能供热所需的集热面积有所缩小，且空气源热泵单独运行的费用得到了有效的控制。在太阳能和空气热泵联合供热的前提下，可以在维持二者独立运行的同时，互相作为彼此的补充；在有效达成供热目标的同时，降低能源的消耗。在较为寒冷的气候下，空气热泵自身的COP 数值会有所下降，但是在这种情况下，建筑需热负荷量也会出现显著的提高，但这部分时间占据总体的供暖时长的比例相对较低，如果按照最大的负荷数值进行相应的热泵选型和设计工作，则会带来初期投资过大的问题。在这种条件下，使用电辅助方式进行辅助工作，可以在有效弥补太阳能和空气源热泵供热不足的同时，满足建筑的供热要求[2]。

2.2 太阳能供热方式

太阳能作为一种最容易获取的可再生能源，在开发利用上具备不产生有害气体以及废渣等产物的巨大优势，不过太阳能利用的一个最大的缺陷就在于能量利用不稳定，并且昼夜交替和气候变化对于太阳能的利用影响较大。太阳能自身的辐射强度，会跟随纬度发生相应的变化，以太阳自身的辐射能力作为基础，可以将我国划分为五类地区，而严寒地区则刚好属于第三类地区，有着较为充足的太阳能资源及利用条件，太阳能供热转换系统中主要包括了太阳能及热器蓄热水箱、水泵、控制系统、供回水管路等，在严寒地区的低能耗建筑中，使用该种供热方式更加适合使用集热效率较高的真空管型的集热器。

2.3 系统的运行工况

该次研究所提出的严寒地区低能耗建筑复合供热系统，PLC智能控制方式可以作为主控方式。具体而言，就是在全面利用热电偶温度传感器和光敏传感器的前提下进行数据测试，并有效利用编程控制器和性能水平较高的单片机集成芯片采集太阳能的系统、空气源热泵系统的测试参数数据，从而实现自动控制和远程操控各类参数的目标。该系统在运行的过程中，会出现如下的几种状况：

（1）太阳能系统直接用于供热。在3月、4月、10月和11月的时候，严寒地区白天的光照充足且太阳辐射强度相对较大，如此一来，太阳能循环系统就会使用温差控制方式对集热系统内部循环水泵开启的温差做出有效的控制，使得太阳能集热器可以在全力吸收太阳辐射能的前提下，保障集热器内部的温度逐步提高，并借助热电偶温度传感器的监测，在太阳能集热器供水出口温度和虚热水箱温差产生的热量完全满足实际供热负荷的条件的情况下，及时启动太阳能供热系统循环水泵，将集热器收集的热量储存到蓄热水箱中，借助毛细管网将蓄热水箱中的热量传输到建筑内部空间，水分在散热循环之后回到蓄热水箱中。在太阳能的储热罐温度达到35℃的时候，循环泵就会停止运作。

（2）空气源热泵系统用作太阳能系统的工作辅助。在严寒地区太阳辐射强度较弱，太阳能系统自身提供的热量不足以达到热水箱温度设计水温的前提下，就会自动启动空气源热泵机组对蓄热水箱内的水进行加热操作。同样在水箱温度达到35℃的时候，空气源热泵机组也会自动停止工作[3]。

3 结语

严寒地区由于冬季对于建筑供热的需求量相对较大，传统的燃煤和燃气锅炉供暖方式会带来较为严重的污染问题和能源浪费问题。为此，文章在全面分析低能耗建筑供热方式设计考虑因素以及常用供热方式的前提下，提出了一种复合型的低能耗建筑供热系统，并对其实际的运行情况做出了简单的分析，以便为今后的严寒地区低能耗建筑供热方式和系统设计提供参考。