单机太阳能采暖系统浅析

摘要：单机太阳能采暖系统是一种满足住户采暖和热水供应需求的新型太阳能热水系统，是太阳能热利用技术的延伸。本文介绍了单机太阳能采暖系统的系统原理、基本组成等概况。通过典型案例分析了这一采暖技术的经济可行性，并对这一项技术带来的经济和社会效益（节约常规能源、改善人民生活、促进社会文明与进步等）加以肯定。

关键词：太阳能、新能源、户式采暖、节能建筑

中图分类号： TK511 文献标识码： A

一、引言

太阳能是一种可持续利用的清洁能源。早在300多年前，人类就开始将太阳能作为一种能源和动力加以利用,随着太阳能利用技术的日趋成熟，太阳能的应用范围也越来越广泛。

近年来我国住宅建设量不断增加，能源与环境问题日渐突出，一方面我国人均能源拥有量较低，另一

中图分类号：文献标识码： A寻求人类社会可持续发展的进程中，利用太阳能采暖日益受到各国的重视。

我国属于太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，辐射总量高于5000MJ/m2・a。在太阳能资源丰富地区的晴好天气下，完全可以依靠太阳能来满足采暖和生活用热水，真正实现低能耗、甚至零能耗。

二、单机太阳能采暖系统概况

单机太阳能采暖系统是指以太阳能单机作为采暖系统的热源，通过独立的循环管路与采暖设备相连接，在不影响正常使用热水的情况下，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统。它主要应用于单体建筑内的小型系统，针对寒冷地区冬季采暖而研发，实施一台供热设备连接一组散热设施的1+1小型供暖方式，实现用热与供热由一家管理，形成用户自行采暖的格局,是一种无需增加建筑成本而大幅提高建筑采暖节能与经济效益的方案。

1、系统组成

太阳能供暖系统由太阳能热水机部分、辅助能源保障部分、散热端及生活热水供应几部分组成。

户为单位，摆放在屋顶的一体式太阳能热水器（太阳能加热部分），通过供暖用水循环管路，连接室内的地暖管网或暖气片（散热末端）。系统设有一台太阳能控制仪和一台时（温）控仪。为辅助加热，太阳能热水器水箱内安装一支电热棒（辅助能源保障部分），与系统相连。

1.1太阳能集热器部分和储水箱组成太阳能单机热水器，太阳能集热器最大限度地收集热量，并将热量储存到储水箱中。

1.2辅助能源系统，作为太阳能集热系统的补充，辅助系统可以在连续阴雨天气或其他特殊供暖需求时，满足供热需求。

1.3太阳能供暖系统中散热端应考虑到太阳能系统集热效率等多方面因素进行的选择。设计地板辐射采暖的热媒温度应为30℃～40℃的低温热水，这使利用太阳能集热器成为可能。

单机太阳能采暖系统示意图

2、系统分类（用户选型）

国内大部分的采暖方式，一般采用热对流和热辐射两种；热对流是采用金属散热片，通过室内冷热空气对流的方式，给房间供热；热辐射主要在地板上铺上循环散热管，热量传导入木地板或水泥层，再以热辐射的形式，散发出来；同比来说，根据人体的生活方式，热辐射更适应家庭；热对流适用于某特定的职业场所。

2.1太阳能地板辐射（热辐射）采暖系统

太阳能地板辐射采暖系统，就是采用一台或几台热水器进行串并联，末端采用地盘管散热，通过管路连接，仪表控制，进行采暖的系统，带有电辅助；系统图如下

系统优点：无需打孔，可直接借用现有的地盘管采暖

系统缺点：管路连接多，比较凌乱

2.2太阳能散热器热对流式采暖系统

太阳能散热器热对流式采暖系统，就是采用一台或几台热水器进行串并联，末端采用暖气片散热，通过管路连接，仪表控制，进行采暖的系统，带有电辅助；系统图如下：

末端采用暖气片两卧室并联采暖末端采用暖气片两卧室串联采暖

系统优点：室内管路尽量少，不影响布局

系统缺点：购入暖气片，需打穿墙孔

3、单机热水器采暖计算

根据国家标准图集《06SS128》，查得济南市的月、日均及年总辐射数据（单位MJ/m2）

根据以上数据，可以计算出济南在采暖期，平均每日的太阳辐照量（德州区域借用此辐照量）：（13.630+15.225+16.634+14.162+13.854）/5=14.701MJ/m2

在采暖期内，一台太阳能日均产出的热量：14.701MJ/m2×5.26m2 (大规格单机热水器采光面积)×45%（太阳能集热器集热效率）×[1-20%(水箱及管路热损)] =27.838MJ

以德州市某小区建筑为例，德州市小区建筑一般采用粘土空心砖和钢筋混凝土作为单一材料墙体，厚度约600mm，房顶铺有沥青、铝箔进行保温；外窗采用单层塑钢窗框；采暖建筑面积为80m2,采暖时期内的室外平均环境温度为-0.8℃，建筑物的耗热量约如下：

QH =QHT +QINF -QIH

维护结构传热耗热量QHT

QINF=(ti-te) (CρρNV)=（15-0.8）×（0.28W・h/(Kg・K)×1.293Kg/m3×0.51/h×216×0.6V）=378.084W

建筑物内电器、炊事、人体每天都会产出一定热量，此热量参数约为3.8w/m2,由此得出建筑物内部得热：QIH=3.80(w/m2)×80=304w

建筑物最终负荷QH=2944.287+378.084-304=3018.37w

由此计算出每平方米房间耗热量为：3018.37W/80=37.73w/m2

根据每台热水器日均得热量，可以得出单机日供暖建筑面积：

m=27.838×106J/37.73w/m2/86400/0.3（德州市太阳能保证率平均值）=28.5m2

根据当地太阳能资源、气候及系统设置等因素综合考虑，单机太阳能采暖系统的蓄热量应满足建筑的供暖需求；通过国标查得辐射采暖一般采用的介质温度为24~40℃，设置采暖水箱的温度为55℃，最低供水温度为30℃，通过建筑物的热负荷，可得出28.5的供暖房至少需要供暖水箱的有效容积为：

V=27.838×103KJ/4.187KJ/Kg/1000Kg/m3/(55-30)=0.266m3

单机热水器的水箱容量配置为0.37m3，完全可以提供足够的热水器为建筑房间供暖。

德州地区采暖日期为115天，1Kg煤的标准煤热值为29.3MJ，每台单机太阳能热水器采暖期间的节煤量：27.838MJ×115/29.3MJ=109.26Kg

单机太阳能采暖期间节约电量为：27.838MJ÷3.6MJ/KWH×115=889.3KWH

由此可以看出，采用单机太阳能采暖，不但可行，而且经济效益、社会效益显著。

以下是德州市皇明太阳能股份有限公司冬季单机采暖数据分析图，此项目配置系统为：36支210金冬冠热水器一台，末端采用暖气片散热；采暖面积为10

采暖其间的环境温度：-7.49℃～8.21℃，水箱温度：45℃～68℃，平均水箱温度：57.63℃，平均室内温度：18.109℃，暖气片平均表面温度：42.9℃

皇明太阳能股份有限公司冬季单机采暖数据分析图

三、单机太阳能采暖系统优缺点

1、优点

1.1、绿色环保：它与普通的采暖方式不同的是热源不同，即普通采暖是燃煤、电、油、气等，而单机太阳能采暖是利用无污染、可再生的太阳能。

1.2、经济实惠：家中有安装太阳能热水器的用户，通过增加辅助设备便可实现太阳能对室内建筑的冬季采暖，方便、快捷。在冬季，相对于用煤炭采暖集中供热的地区，单机太阳能采暖系统可以实现针对建筑内某一房间的供热，这样，用户就可以不用因为建筑面积过大，供暖费用较高而发愁。而农村地区，阳光比较充足、住宅相对分散、密度低、没有明显遮挡，采用单机太阳能采暖的效果会更好，既节约了煤炭资源也达到了冬季采暖的目的。

1.3、使用安全：由于太阳能采暖清洁安全，不会产生传统烧煤采暖炉二氧化碳中毒的危险，也不会发生烫伤等意外。

1.4、使用寿命长，维护量比较少：太阳能热水器的使用寿命比较长，一般情况下能够使用十几年。单机太阳能采暖系统结构简单，故障率低，维护量比较少。

1.5、便于控制：系统配备配有仪表控制，用户可以根据自身需求对室内温度进行调节和控制。

1.6、系统配有多种散热末端供用户选择，供不同用户的不同需求使用。

2、缺点：

2.1受天气影响显著：太阳能是太阳能采暖系统主要的热源来源，太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性和不稳定性，因此在太阳能采暖系统中，必须设置辅助热源。

2.2技术不成熟：虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖应用却处于起步阶段，太阳能利用率低，受建筑、气候等因素影响局限性比较大。

2.3选择性小：太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，单机太阳能采暖系统主要针对单体建筑内的小型系统，所以在室外太阳能热水器产品的选择上主要局限于大规格产品。否则，在阳光不足的冬季，小规格太阳能热水器采暖达不到既定温度便会过多使用辅助电源，比较费电。并且采暖用太阳能热水器的规格受到供热需要、用户购买力、摆放平台面积以及太阳能热水器自有规格等方面的制约，

小结：随着人们生活水平的不断提高，人们的底碳环保意识越来越强烈。太阳能供热采暖是继太阳能热水之后，最具发展潜力的太阳能热利用技术。单机太阳能采暖系统在原有太阳能热水系统的基础上将采暖系统与建筑有机结合，实现单体建筑的供暖，具有很大的市场潜力。大力推广单机太阳能采暖系统，开发利用无污染的新能源，对节约常规能源、促进社会文明与进步、发展经济、改善人民生活具有重大的意义。

参考文献：

《太阳能采暖的优势与发展》 作者：杨玉永

《太阳能采暖技术在地热及生活热水系统设计的应用》

《楼房户式DQ太阳能采暖技术》

《采暖通风及空调调节设计规范》（GB50019-2003）

《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB/50945-2009）

《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-95）

《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003）