引言
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其用作建筑采暖系统的热源是降低建筑能耗的有效途径。本文对位于济南市某小区住宅的太阳能采暖系统实验平台进行说明，并对系统的运行情况进行实验分析，本采暖实验旨在结合我国住宅建设的实际情况，利用已有的工程经验，设计出与建筑平屋顶、斜屋顶、阳台等不同结构构件相适应太阳能热水与供暖复合系统利用技术，通过对室内、室外、集热器、水箱水温的测试，分析太阳能集热系统、蓄热系统对室内供暖保障率的影响，使该技术适合全国大部分冬季需要供暖地区，包括宾馆、民居、厂房、办公楼等等，随着该技术的不断推广应用，将会大大促进我国太阳能产业以及建筑业的协调发展。
1、系统测试方案
太阳能室内供暖实验是在济南某小区180m2用户(如图1)增加了太阳能集热器、蓄热水箱、控制系统来满足用户冬季供暖要求。
图1采暖用户实验场景图片
室内末端散热设备采用普通暖气片，小区其他住户采用集中供热，该用户室内自然温度受室外环境影响不大。由于用户已有一单台太阳能热水器日提供200L生活洗浴热水。故此采暖系统不另加水箱，相对增加集热面积，水箱提供生活热水的同时蓄存供暖多余的热量。用温度自记仪测试各部分温度变化，各个部件连接情况如图2所示:
图2太阳能室内供暖实验设计原理图
本系统的特点:
1）系统供暖循环泵直接将太阳能积蓄的热量流经水箱直接送入室内，水箱水温得到提高的同时室内温度也随之升高，室内供暖回水再流入集热器;
2）其他季节通过手动阀开启，太阳能集热器用来提高水箱生活热水温度;
3）系统初期供暖运行靠手动控制，上午太阳能集热器积蓄热量，中午开启供暖循环泵，直至晚上关闭。
引言
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其用作建筑采暖系统的热源是降低建筑能耗的有效途径。本文对位于济南市某小区住宅的太阳能采暖系统实验平台进行说明，并对系统的运行情况进行实验分析，本采暖实验旨在结合我国住宅建设的实际情况，利用已有的工程经验，设计出与建筑平屋顶、斜屋顶、阳台等不同结构构件相适应太阳能热水与供暖复合系统利用技术，通过对室内、室外、集热器、水箱水温的测试，分析太阳能集热系统、蓄热系统对室内供暖保障率的影响，使该技术适合全国大部分冬季需要供暖地区，包括宾馆、民居、厂房、办公楼等等，随着该技术的不断推广应用，将会大大促进我国太阳能产业以及建筑业的协调发展。
1、系统测试方案
太阳能室内供暖实验是在济南某小区180m2用户(如图1)增加了太阳能集热器、蓄热水箱、控制系统来满足用户冬季供暖要求。
图1采暖用户实验场景图片
室内末端散热设备采用普通暖气片，小区其他住户采用集中供热，该用户室内自然温度受室外环境影响不大。由于用户已有一单台太阳能热水器日提供200L生活洗浴热水。故此采暖系统不另加水箱，相对增加集热面积，水箱提供生活热水的同时蓄存供暖多余的热量。用温度自记仪测试各部分温度变化，各个部件连接情况如图2所示:
图2太阳能室内供暖实验设计原理图
本系统的特点:
1）系统供暖循环泵直接将太阳能积蓄的热量流经水箱直接送入室内，水箱水温得到提高的同时室内温度也随之升高，室内供暖回水再流入集热器;
2）其他季节通过手动阀开启，太阳能集热器用来提高水箱生活热水温度;
3）系统初期供暖运行靠手动控制，上午太阳能集热器积蓄热量，中午开启供暖循环泵，直至晚上关闭。
2、实验数据采集
2.1太阳能集热系统的测试
太阳能供暖实验采用全玻璃真空管集热器，考虑太阳能集热器进出水温差较小，温度自记仪在集热器多处布点，用来测试太阳能集热器一天中平均水温的变化。
测得实验数据是太阳能集热器在非采暖时间与采暖时间温度的变化，由于受阴雨天影响，集热温度并不高，但不影响分析太阳能集热器一天温度变化，太阳能集热器在非采暖时间测得数据如图3～图6所示:
图3 12月26号集热温度变化
图4 12月27号集热温度变化
图5 12月28号集热温度变化
图6 12月29号集热温度变化
由图 所示:太阳能集热器只提供生活热水情况下一天中平均温度变化，集热器温度一般冬天早上8:00以后开始慢慢升温，上午11:00以后能达到40℃以上，若采用地板辐射采暖，中午时间太阳能可以提供室内采暖所需的低温热水;若太阳能集热量保存，下午1:00～3:00集热温度升高较快，在3:00左右太阳能集热温度达到最高，众所周知，太阳能集热介质温度越低，太阳能集热效率越高，并且集热器温度越高，散热损失就越大。若太阳能在中午时间开始对室内供暖，在下午太阳能辐照最强时间太阳能集热效率会达到最高，在太阳能集热面积充足的情况下，完全可以在下午时间保证室内供暖对低温热水的要求，蓄热水箱也可以储存多余的热量满足晚上供暖需求。
为了分析太阳能集热器在供暖时间温度变化，现在分析对比采暖期间一天中温度的变化，太阳能集热器在采暖时间测得数据如图7～图10所示:
图7 1月1号集热温度变化
图8 1月4号集热温度变化
图9 1月5号集热温度变化
图10 1月6号集热温度变化
由图所示:太阳能集热器在供暖期间一天中温度变化，集热器中午开始往室内提供供暖所需低温热水，由于太阳能集热器集热速度远小于室内的散热速度，所以中午时间集热器温度出现急速的下降，但由于下午太阳能光照比较强，随着室温的升高，集热器温度下降慢慢趋于平缓。由此分析可以预知，若集热面积充足，完全可以满足室内供暖需求。
总之，在太阳能采暖系统负荷一定的情况下，集热器面积的不同使得太阳能供暖保障率也随之变化，当然，集热面积越大，系统运行费用越低，太阳能供暖保障率越高，但集热面积过大，系统受外在气候环境变化影响增大，并且初投资回收期较长，给用户增加负担，太阳能集热面积过小，不能有效收集太阳辐射能用于供暖，运行费用上升，因此，在太阳能采暖热水系统中，存在最佳的太阳能采暖保障率，使得系统最为经济合理。
2.2太阳能蓄热系统的测试
采暖实验用户已有单台太阳能提供200L大的聚氨酯保温水箱，为使初投资降低，不再附加水箱，此水箱用于太阳能集热系统蓄热水箱，温度自记仪放置水箱内部，测试冬季采暖与非采暖时间内水箱温度变化，但水箱每日提供必需的生活热水，测得非采暖时间实验数据如图11所示，在采暖时间测得数据如图12所示:
图11 蓄热水箱12月28～31号温度曲线
由图11可以看出:蓄热水箱水温在非采暖时间12月28号～31号的温度变化，水箱每天只提供生活洗浴热水，蓄热水箱水温呈现正弦规律，在中午12:00左右水箱水温达到50℃以上，基本可以满足室内供暖对低温热水的需求，水箱每天最高水温出现在下午3:00左右，最低水温出现在早上7:00～8:00，一天平均水温在40℃左右，其温度相对太阳能集热器有较为明显的滞后性，当白天太阳辐照较强的时候，蓄热水箱得热量基本能满足白天采暖负荷的要求。
图12 蓄热水箱1月4～6号温度曲线
由图12可以看出:蓄热水箱水温在采暖时间1月4号～6号的温度变化，水箱每天提供生活洗浴和采暖热水，水箱热水在中午时间开始循环供暖，由于室温与水温的温差，以及太阳能下午辐照度增强，水箱水温出现骤降后慢慢趋于平缓下降，当白天太阳辐照较强的时候，蓄热水箱储存的热量基本可以满足白天采暖负荷的要求。
总之，当集热面积一定的情况下，蓄热水箱的大小不同将导致运行过程中水箱水温的不同。当蓄热水箱体积越小，水箱内热水利用率高，水温变化幅度大，而且平均水温高，造成进入集热器的入口水温较高，降低集热器的效率和有效得热量，自身不能够储存更多的太阳能集热量，辅助热源提供热量增多;当蓄热水箱变大，可以使进入集热器的水温降低，提高了太阳能集热器效率和得热量，并能够储存多余的集热量，但水箱水温过低，热水利用率降低，同样辅助热源提供热量增多。因此蓄热水箱大小不同，集热器一天集热效率也就不同，那么系统运行过程中需要的辅助能源多少也就随之变化。由此可见，蓄热水箱的大小是影响整个系统经济合理的重要因素。
2.3室内环境温度测试
采暖实验用户末端采用散热器采暖系统，由于小区其他住户采用集中供热，墙体外保温做的效果较好，该用户室内自然温度受室外环境影响不大，因此不影响分析太阳能集热、蓄热系统对室内供暖保障率的影响，测得实验数据为采暖时间1月4、5、6号室内温度变化，如图13所示。
图13 室内环境温度变化
由图可以看出:采暖实验不采用辅助热源，室内温度的升高完全靠太阳能有效的热量，室内温度的升降完全随太阳能集热温度变化起伏，室内温度一天平均温度在15℃左右，室内温度在一天中采暖初期可以达到26℃左右，若太阳能集热面积足够大，可以白天储存多余的热量用于晚上采暖，若不出现连续的阴雨天，太阳能基本可以满足室内采暖要求，具有一定的经济性。
总之，在太阳能集热、蓄热系统相互合理匹配，并且在白天阳光辐照充足的情况，太阳能完全可以满足其工作段内建筑室内供暖要求。
3、实验数据的总结分析
本实验通过对太阳能集热温度、蓄热水箱温度、室内温度、室外温度的测试，分析太阳能集热、蓄热对室内供暖保障率的影响，为太阳能与热泵的结合提供理论分析依据。实验通过对09年1月份1号、4号、5号、6号天气较为晴朗的条件下进行测试，综合分析对比结果如图14～图16所示:
图14 1月1号测试数据对比
图15 1月4号测试数据对比
图16 1月5号测试数据对比
图17 1月6号测试数据对比
由图显示:测的实验数据为早上7:30到晚上0:30一天中太阳能集热温度、室内温度、室外温度、水箱温度的变化。由于系统为手动控制，上午集热器积蓄热量，中午开启循环泵对室内供暖，集热器此时温度基本都在45℃以上，室内温度开始由约12℃升高至26℃左右，温升约14℃，集热器水温随着供暖循环逐渐下降，由于下午太阳辐照较强，温度下降较为平缓。由于室内外温差将近30℃，室内温度由26℃左右开始慢慢下降，晚上八点以后降到16℃以下，到0:30基本维持在早上7:30的温度。
统计4天室内供暖结果表明，室内温度若保持18℃以上时间基本在8h左右，其余时间若维持室温须靠辅助热源，但此时的辅助供暖是在太阳能供热不足的基础上维持室内温度，相对节约能源。结果表明:太阳能对室内供暖时间保障率基本维持在30%左右，提高太阳能保障率的办法是继续增加集热器面积，但集热器面积的增加初投资也随之增大，并受阴雨天环境影响下，保障率增加的幅度很小，又因用户对生活热水需求量有限。故综合考虑，太阳能对室内保障率维持在30%左右较为适宜。实际选用的太阳能保障率与系统使用期内的太阳辐照、气候条件、产品与系统的热性能、供热采暖负荷、末端设备特点、系统成本和开发商预期投资规模等因素有关。
蓄热水箱的目的是积蓄太阳能供暖多余的热量并满足生活热水需要，由于系统串联运行，水箱容积也有限，集热器热量流经水箱进入室内，水箱水温伴随室内温度得到提高，室内温度变化对水箱影响不大。
本文认为蓄热水箱体积增加到一定程度，如果继续增大，经济上不合理，因为水箱体积增大，系统初投资增加，然而对太阳能保障率提高有限，在蓄存一定热量的情况下，可能使水箱水温过低，不能得到充分利用，对降低运行费用作用有限;因此在太阳能对室内供暖保障率有限的情况下，蓄热水箱不宜过大，当然水箱也不易过小，水箱体积越小，水温越高，造成集热器进水温较高，太阳能集热器效率下降，本身也不能储存多余的热量，水箱的主要作用应为满足生活热水需求，对室内供暖保障率的影响较小，故在选型时应侧重考虑生活热水量的多少。
4、结论
通过该实验平台的运行测试结果可以看出，太阳能用于建筑采暖集热面积不宜过大，室内供暖保障率30%左右为宜，在阳光充足的情况下，太阳能集热系统白天所收集的热量可以满足采暖系统白天的供暖要求。当夜间温度较低时，蓄热水箱里贮存的热量可以继续为采暖房间供热，本实验平台的运行情况分析旨在为太阳能用于建筑采暖的实际工程设计提供相关参考依据，使该系统可以更加高效的运行达到节能的目的。为太阳能采暖系统的进一步研究奠定基础。
(审核编辑: Doris)
