太陽能輔助供暖技術(shù)綜述

文_韋笑 江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技發(fā)展中心

中國北方地區(qū)冬季較為寒冷，為滿足人們正常生活需要，國家制定并施行了現(xiàn)行的北方城市冬季集中供暖制度。隨著城市供暖面積的快速增長，以煤炭為主要原料的取暖方式意味著燃煤所排放的大氣污染物（包括煙塵二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等）也將同步增長?！笆糯蟆币詠恚h中央提出加快生態(tài)文明體制改革的綠色發(fā)展路線，提出著力解決突出的環(huán)境問題，持續(xù)實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)，推進(jìn)北方“煤改電”行動(dòng)。然而，北方供暖地區(qū)多處于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，空氣源熱泵能效低成為一個(gè)政策推進(jìn)的難點(diǎn)問題。因此，發(fā)展太陽能輔助供暖技術(shù)成為了解決當(dāng)前環(huán)境問題的重要手段。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)太陽能輔助供暖技術(shù)進(jìn)行了研究，他們將太陽能輔助供暖技術(shù)分為兩大類：被動(dòng)式太陽能輔助供暖技術(shù)和主動(dòng)式太陽能輔助供暖技術(shù)，本文將對(duì)這兩類技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 被動(dòng)式太陽能輔助供暖技術(shù)

被動(dòng)式太陽能輔助供暖技術(shù)是太陽能輔助供暖系統(tǒng)中最簡單的一種形式，最早始于20世紀(jì)三四十年代。它是一種根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和生活習(xí)慣，通過建筑物的朝向和周圍環(huán)境的合理布置，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，使建筑物在冬季盡可能多地吸收和貯存熱量，以達(dá)到輔助供暖的目的。被動(dòng)式太陽能建筑集熱面積、蓄熱體積均由建筑設(shè)計(jì)自身決定，調(diào)節(jié)控制的可能性較小，但其構(gòu)造簡單，造價(jià)便宜、管理方便，目前被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域中。被動(dòng)式太陽能建筑按照太陽能利用方式主要分為直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式和組合式等。

1.1 直接受益式太陽房

直接受益式是最簡單的一種被動(dòng)式太陽房。冬季白天，利用南窗直接接收太陽輻射熱量，太陽光直射到房間內(nèi)，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)、家具等進(jìn)行蓄熱，持續(xù)地將熱量保存起來；夜晚，熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)、家具等表面以輻射和對(duì)流的方式在房間內(nèi)進(jìn)行傳遞，使房間內(nèi)保持一定的溫度，實(shí)現(xiàn)輔助供暖。

直接受益式被動(dòng)式太陽能建筑供熱效率高，缺點(diǎn)是夜晚降溫速度快，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度大。因此，只適用于白天使用的房間，如辦公樓、學(xué)校等公共建筑。

由于相對(duì)加大了窗戶面積，若仍采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的窗戶,則窗戶的傳熱和滲透熱耗將會(huì)由總熱耗的1/4增加到1/3。所以，窗的節(jié)能處理將是直接受益式太陽房的關(guān)鍵。除增加保溫窗板或保溫窗簾外，對(duì)于窗戶本身結(jié)構(gòu)研究將是節(jié)能的重要措施，可將普通單玻窗改為雙層中空窗或Low-E玻璃，可有效減少南向外窗漏熱。

1.2 集熱蓄熱墻式太陽房

集熱蓄熱墻式太陽房是應(yīng)用較為廣泛的一種被動(dòng)式太陽房。 集熱蓄熱墻式太陽房結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 集熱蓄熱墻式太陽房工作原理圖如圖2所示。冬季，白天開啟墻體上、下通風(fēng)口，重質(zhì)墻體透過玻璃蓋板吸收太陽輻射熱量，并通過對(duì)流方式加熱夾層內(nèi)的空氣，受到熱壓作用的夾層空氣向上移動(dòng)，通過墻體上通風(fēng)口流入室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度，而溫度較低的室內(nèi)空氣則由下通風(fēng)口進(jìn)入夾層，形成空氣的熱循環(huán)；夜間，關(guān)閉墻體上、下通風(fēng)口，將儲(chǔ)存在墻體內(nèi)的熱量釋放到室內(nèi)，加熱房間。

圖1 集熱蓄熱墻式太陽房結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 集熱蓄熱墻式太陽房工作原理圖

集熱蓄熱墻式太陽房在應(yīng)用中衍生出了多種形式，如百葉式、多孔式、相變式、花格式集熱蓄熱墻式太陽房等。對(duì)于集熱蓄熱墻式太陽房的集熱性能，受集熱墻的厚度、對(duì)流孔的大小、集熱空氣間隙的厚薄、集熱面積大小、房間深度等因素的影響，需根據(jù)具體使用情況具體考慮。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量增加集熱墻高度，以增加空氣的溫差；在結(jié)構(gòu)允許條件下，盡可能使上、下對(duì)流口分別設(shè)置在集熱墻的最頂端和最下端，上、下對(duì)流口的總面積應(yīng)相等，從而提高集熱蓄熱墻性能和室內(nèi)舒適性。

1.3 附加陽光間式太陽房

附加陽光間式太陽房的基本結(jié)構(gòu)是在房屋主體結(jié)構(gòu)的南面附建一座陽光間，利用附加陽光間接受太陽輻射，墻體上還可以根據(jù)需要開設(shè)門窗或者通風(fēng)口。冬季白天，附加陽光間受太陽輻射的影響，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，溫度較高的一側(cè)通過公共墻體向相鄰房間傳熱，使相鄰房間溫度升高；夜晚，附加陽光間還可作為緩沖保溫區(qū)，加上公共墻體的蓄熱作用，減少相鄰房間熱損失的同時(shí)，使房間保持較好的舒適性。附加陽光間式太陽房工作原理圖如圖3所示。

附加陽光間式太陽房保持了直接受益式被動(dòng)太陽房和集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽房的優(yōu)點(diǎn)。楊艷霞在遼南地區(qū)對(duì)帶附加陽光間的住宅進(jìn)行節(jié)能性測(cè)定，附加陽光間的節(jié)能率在10%～28%之間。

圖3 附加陽光間式太陽房工作原理圖

附加陽光間式太陽房可從玻璃窗的結(jié)構(gòu)、地面蓄熱材料、隔熱保溫卷簾等方面進(jìn)行優(yōu)化。雙層中空玻璃的熱阻遠(yuǎn)大于單層玻璃窗，對(duì)窗戶具有很好的保溫性能，因此附加陽光間內(nèi)用雙層中空玻璃代替單層玻璃將起到很好的節(jié)能效果；地板可以受到太陽光的照射，同樣是蓄熱的有效部位，因此地面的蓄熱應(yīng)選擇保溫性能好的材料。陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)比普通混凝土低1/2以上，保溫性能良好，熱損失小；窗戶是熱量流失的重點(diǎn)部位，利用材料為PVC+玻璃纖維的保溫卷簾，冬季的夜晚開啟保溫卷簾，防止室內(nèi)熱量向室外散失，降低能耗。

1.4 組合式太陽房

上述3種類型的太陽房屬于被動(dòng)式太陽房的基本類型，取2種或2種以上基本類型的太陽房部件進(jìn)行有序合理組合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成的被動(dòng)式太陽房就是組合式被動(dòng)太陽房?，F(xiàn)在比較常見的組合式太陽房是窗下墻組合式，即南向墻上半部分是直接受益窗，下半部分是集熱蓄熱墻構(gòu)件。冬季利用直接受益窗在白天充分采光的同時(shí)，下半部分的集熱蓄熱墻構(gòu)件還可蓄熱供夜晚使用，提高房間的熱舒適性。組合式太陽房結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。組合式太陽房實(shí)體圖如圖5所示。

圖4 組合式太陽房結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 組合式太陽房實(shí)體圖

2 主動(dòng)式太陽能輔助供暖技術(shù)

主動(dòng)式太陽能建筑是以“主動(dòng)控制”為手段，通過太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、風(fēng)機(jī)或者泵等設(shè)備為媒介，形成強(qiáng)制循環(huán)太陽能采暖系統(tǒng)，對(duì)太陽能轉(zhuǎn)化的熱量進(jìn)行收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，從而達(dá)到采暖或者用熱的目的，有效地利用太陽能。

2.1 太陽能輔助地源熱泵供暖系統(tǒng)

太陽能輔助地源熱泵供暖系統(tǒng)是以太陽能為地源熱泵的輔助熱源，將太陽能熱和地源泵熱同步利用，相互結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效提高熱泵機(jī)組COP。太陽能和地?zé)崮茏鳛榉€(wěn)定和綠色環(huán)保的可再生能源，蘊(yùn)含著巨大的開發(fā)利用潛力。

在太陽能輔助地源熱泵供暖系統(tǒng)中，共有3種運(yùn)行模式：串聯(lián)運(yùn)行、并聯(lián)運(yùn)行和交替運(yùn)行。串聯(lián)運(yùn)行模式分2種：一種是循環(huán)介質(zhì)先流經(jīng)埋管換熱器，再進(jìn)入太陽能集熱器，這種情況下可實(shí)現(xiàn)熱泵不開機(jī)直接供暖；另一種是循環(huán)介質(zhì)先流經(jīng)太陽能集熱器，再進(jìn)入埋管換熱器，這種運(yùn)行模式可以將富余的太陽熱能輸送到地下土壤中，提高土壤溫度的恢復(fù)速度。并聯(lián)模式是熱泵機(jī)組地源側(cè)循環(huán)水通過分水器分流后，同時(shí)進(jìn)入埋管換熱器和太陽能集熱器，然后再匯合在一起進(jìn)入熱泵機(jī)組。介質(zhì)的分流比例可以通過分流裝置智能調(diào)節(jié)，根據(jù)光照條件改變太陽能集熱器管路的流量，使系統(tǒng)處于最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。交替運(yùn)行模式中，白天采用太陽能集熱器給熱泵系統(tǒng)提供熱源，夜間或陰天改用地源熱泵供暖，土壤溫度場(chǎng)在白天使用太陽能供暖時(shí)能夠得到一定程度的恢復(fù)，同時(shí)地源熱泵系統(tǒng)中的埋管換熱器能實(shí)現(xiàn)土壤蓄熱的功能，可以減小儲(chǔ)熱水箱的容量。太陽能輔助地源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行模式示意圖如圖6所示。

圖6 太陽能輔助地源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行模式示意圖

智超英等測(cè)試了上海地區(qū)太陽能耦合地源熱泵供暖系統(tǒng)的性能，太陽能耦合地源熱泵供暖系統(tǒng)可有效提高地源熱泵機(jī)組的COP，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求。同時(shí)，能夠使得地埋管冷水進(jìn)口溫度保持在0℃以上，避免凍土現(xiàn)象的發(fā)生，有效恢復(fù)地下溫度場(chǎng)，保證熱泵機(jī)組長期穩(wěn)定高效率運(yùn)行。

2.2 太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)能夠以較低的能量消耗，從環(huán)境大氣中無償?shù)匚∝S富的低品位熱能，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫位到高溫位的轉(zhuǎn)換，這些優(yōu)點(diǎn)使其在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。然而在我國北方，冬季室外空氣溫度較低，熱泵機(jī)組將會(huì)出現(xiàn)一系列的問題：如隨著環(huán)境溫度降低，機(jī)組的吸氣壓力降低，壓縮機(jī)壓縮比增大，導(dǎo)致熱泵的壓縮過程與額定壓縮過程嚴(yán)重偏離，并且低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水分在換熱器表面就會(huì)凍成霜，導(dǎo)致蒸發(fā)器的吸熱量減少，不能滿足增加的熱負(fù)荷的需要等。

晉浩等建立了太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)中太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器并聯(lián)，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，有了太陽能的輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)，室內(nèi)平均溫度比純空氣源熱泵運(yùn)行模式提高了4℃，熱舒適性較好，室內(nèi)人員普遍比較滿意。同時(shí)，熱泵的蒸發(fā)溫度明顯提高，制冷劑循環(huán)量增加，機(jī)組的COP顯著提升，達(dá)到了3.5，與純空氣源熱泵運(yùn)行模式相比，增加了1.3，系統(tǒng)制熱量也明顯加強(qiáng)。因此，太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)能夠高效、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有望為國家的節(jié)能減排貢獻(xiàn)力量。

2.3 太陽能輔助水源熱泵供暖系統(tǒng)

水源熱泵是利用地球表面淺層的水源，吸收熱能而形成的低品位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。水源熱泵運(yùn)行效率高、費(fèi)用低、節(jié)能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、投資經(jīng)濟(jì)性好，具有廣闊的發(fā)展前景。但是，北方冬季的河流溫度較低，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮比增大，導(dǎo)致熱泵的壓縮過程與額定壓縮過程嚴(yán)重偏離，系統(tǒng)COP降低。運(yùn)用太陽能輔助水源熱泵進(jìn)行供熱，能夠顯著改善機(jī)組的工況和提高系統(tǒng)的性能。

在冬季，太陽能輔助水源熱泵供暖系統(tǒng)根據(jù)蓄熱水箱出口溫度來選擇工作模式，可實(shí)現(xiàn)太陽能直接供暖模式、太陽能串聯(lián)熱泵供暖模式、太陽能間接加熱源側(cè)水的熱泵供暖模式及水源熱泵單獨(dú)供暖共4種運(yùn)行模式。

太陽能直接供暖模式，供暖初始及結(jié)束階段，供暖所需的用戶負(fù)荷較小，太陽能輻射照度較好，蓄熱水箱平均溫度較高，系統(tǒng)可直接利用太陽能熱水供暖，無需開啟熱泵機(jī)組；太陽能串聯(lián)熱泵供暖模式，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度一般時(shí)，集熱器的有效集熱量有限，蓄熱水箱中的熱水直接與熱泵蒸發(fā)器換熱，提供高于地表水溫度的低溫?zé)嵩?；水源熱泵單?dú)供暖模式，熱泵蒸發(fā)器提取的熱量來自于低溫?zé)嵩?；太陽能間接加熱源側(cè)水的熱泵供暖模式，蓄熱水箱流體經(jīng)過熱交換器將熱量傳遞給低溫?zé)嵩?，提升了低溫?zé)嵩催M(jìn)入熱泵蒸發(fā)器的溫度。太陽能輔助水源熱泵供熱系統(tǒng)運(yùn)行模式開啟條件如表1所示。

表1 太陽能輔助水源熱泵供熱系統(tǒng)運(yùn)行模式開啟條件

3 結(jié)語

太陽能輔助供暖技術(shù)分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種，被動(dòng)式技術(shù)基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，但使用場(chǎng)合限制較大，主動(dòng)式技術(shù)主要是利用太陽能集熱技術(shù)輔助各類熱泵，改善熱泵工況，顯著提高熱泵性能。在目前研究的成果中，對(duì)各類系統(tǒng)模式的研究已經(jīng)相當(dāng)完備，但欠缺深入的系統(tǒng)控制與細(xì)節(jié)優(yōu)化研究。