陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在北方農(nóng)村冬季采暖中的應(yīng)用★

秦 旖

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

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陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在北方農(nóng)村冬季采暖中的應(yīng)用★

秦 旖

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了陶瓷太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的構(gòu)造及運(yùn)行原理，分析了采用該系統(tǒng)采暖后房屋室內(nèi)溫度的變化情況，指出陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可有效調(diào)控農(nóng)村獨(dú)立住宅溫度，承擔(dān)采暖中的大部分冷負(fù)荷。

陶瓷太陽(yáng)能集熱器，采暖，農(nóng)村，室內(nèi)溫度

0 引言

隨著“城鄉(xiāng)一體化”步伐加快，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。伴隨著農(nóng)民生活質(zhì)量的提高，農(nóng)民對(duì)房屋的熱舒適性需求也逐步提高。然而，受村落分布不集中因素影響，集中供暖的形式難以在農(nóng)村中開展，農(nóng)村冬季采暖問(wèn)題漏洞百出。目前，農(nóng)村冬季采暖主要選取燃煤方式，或是輔以秸稈、柴草、電、氣等能源的獨(dú)立取暖[1]，這些方式存在資源燃燒帶來(lái)的大氣污染、能源浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，尋求節(jié)能、高效、環(huán)保的農(nóng)村采暖技術(shù)勢(shì)在必行。

太陽(yáng)能作為清潔能源，“取之不盡、用之不竭”，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能集熱器可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向熱能的轉(zhuǎn)化：集熱器內(nèi)的水吸收太陽(yáng)能后升溫來(lái)對(duì)采暖設(shè)備加熱或提供生活用熱水。目前太陽(yáng)能集熱器種類按材質(zhì)不同可分為真空管集熱器、平板集熱器、陶瓷集熱器、塑料集熱器等。其中，陶瓷太陽(yáng)能集熱器因集熱率高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、安裝方便等優(yōu)勢(shì)成為建筑加裝太陽(yáng)能系統(tǒng)的最好選擇之一[2]。本文以山西省太原市晉源區(qū)某一農(nóng)村居民獨(dú)立建筑中的陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)為例，采用實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度變化的方法，用以分析陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在北方農(nóng)村冬季采暖中的應(yīng)用。

1 陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由集熱器、集熱水箱、控制柜、循環(huán)泵系統(tǒng)、末端采暖設(shè)備、輔助熱源等構(gòu)成。其中，陶瓷太陽(yáng)能板以普通陶瓷為基底，在向陽(yáng)面澆筑工業(yè)廢棄物生成的釩鈦黑瓷,太陽(yáng)能吸收率高達(dá)0.95。陶瓷太陽(yáng)能板坡向屋面設(shè)置，與建筑物屋面形成一體：陶瓷太陽(yáng)能板與其下覆蓋的玻璃棉對(duì)建筑物起到了保溫的作用；同時(shí)，陶瓷太陽(yáng)能板上方的鋼化玻璃在保護(hù)太陽(yáng)能板的同時(shí)又充當(dāng)了建筑物的防水層。

圖1為陶瓷太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)構(gòu)造圖。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

在集熱水箱底部出口處和陶瓷太陽(yáng)能板出水口處分別設(shè)置溫度傳感器：當(dāng)太陽(yáng)能板出水口處溫度(T1)與集熱水箱底部出口處溫度(T2)差值(T1-T2)高于設(shè)定溫度(5 ℃)時(shí)，循環(huán)水泵開啟，集熱器內(nèi)吸收太陽(yáng)能升溫后的熱水進(jìn)入集熱水箱內(nèi)與水箱內(nèi)的冷水進(jìn)行熱交換，同時(shí)定溫水位電磁閥開啟向集熱器內(nèi)補(bǔ)充自來(lái)水；當(dāng)溫度差值(T1-T2)低于設(shè)定溫度(5 ℃)時(shí)，循環(huán)水泵與定溫水位電磁閥關(guān)閉。隨著集熱水箱與集熱器內(nèi)冷熱水的不斷換熱，集熱水箱內(nèi)的水溫度持續(xù)升高。當(dāng)集熱水箱內(nèi)的溫度達(dá)到末端采暖設(shè)備供熱所需溫度時(shí)，水泵開啟，集熱水箱內(nèi)的熱水進(jìn)入末端采暖設(shè)備用于房間供熱。當(dāng)集熱水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水電磁閥開啟向水箱中補(bǔ)充自來(lái)水至達(dá)到設(shè)定水位停止補(bǔ)水。其中，輔助熱源用以滿足冬季陰雪天的供熱需求。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本次陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖測(cè)試系統(tǒng)選取在山西省太原市晉源區(qū)某一農(nóng)村居民獨(dú)立建筑中。該獨(dú)立建筑為單層建筑，坐北朝南，建筑面積82.61 m2。在屋頂沿屋面傾角敷設(shè)陶瓷太陽(yáng)能集熱板：集熱板規(guī)格選取710×710×26,分4排9列敷設(shè)，共計(jì)敷設(shè)36塊；集熱板連接選取串并聯(lián)方式，敷設(shè)傾角22°。在室內(nèi)安置采暖系統(tǒng)中的集熱水箱，水箱容量選取1.5 t。末端采暖方式選取輻射地板供暖。

集熱器敷設(shè)效果圖如圖2所示。

2.2 參數(shù)選取

1)集熱板面積選取。

參照文獻(xiàn)[3]，選取計(jì)算用采暖期室外平均溫度-1.1 ℃，計(jì)算用室內(nèi)平均溫度18 ℃，計(jì)算用采暖期天數(shù)127 d。利用PKPM采暖居住建筑能效測(cè)評(píng)軟件計(jì)算得該獨(dú)立建筑在采暖期內(nèi)建筑耗熱量指標(biāo)為31.16 W/m2。因此，滿足冬季供暖負(fù)荷所需的陶瓷太陽(yáng)能板面積可用式(1)[4]計(jì)算：

(1)

其中，q為日平均釆暖負(fù)荷,取31.16 W/m2；A0為建筑面積，取82.61 m2；f為太陽(yáng)能保證率,取0.1～0.3；JT為太原市集熱器安裝的平均日太陽(yáng)能輻照量,取16.89 MJ/m2；ηcd為系統(tǒng)使用期的平均集熱效率，取0.25～0.5；ηL為管道及集熱水箱熱損失率，取0.2～0.3。

由式(1)計(jì)算得，為滿足冬季室內(nèi)的供熱負(fù)荷，陶瓷太陽(yáng)能板的計(jì)算面積為14.5 m2。實(shí)際工程中屋頂敷設(shè)陶瓷太陽(yáng)能集熱板面積18.2 m2，因此，實(shí)際工程中使用的陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可以很好地滿足房屋的供熱需求。

2)集熱水箱的選取。

在進(jìn)行集熱水箱容積的確定時(shí)，對(duì)于短期蓄熱的太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)，集熱器對(duì)應(yīng)的水箱容積選取80 L/m2[5],則18.2 m2集熱板面積對(duì)應(yīng)的水箱容積為1.46 t。因此，本次陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中集熱水箱容積選取為1.5 t。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行

陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為2015年11月1日～2016年3月1日：設(shè)定集熱系統(tǒng)每日早晨9:00開始集熱器和集熱水箱內(nèi)的水循環(huán)，至下午16:00循環(huán)結(jié)束；地暖采取間歇供暖方式，集熱水箱從15:00開始向地暖供水直至次日10:00供水結(jié)束。陰雪天時(shí)，開啟電加熱設(shè)備用于地暖供熱。同時(shí)，在室內(nèi)、室外分別安置溫度探頭用以監(jiān)測(cè)室內(nèi)外空氣溫度的實(shí)時(shí)變化。

3 結(jié)果分析

在采用陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)為獨(dú)立建筑供暖時(shí)，由于供暖期較長(zhǎng)，溫度探頭獲取得到的室內(nèi)外空氣溫度數(shù)據(jù)較多，故選取系統(tǒng)供暖時(shí)最冷日(晴天)1月18日室內(nèi)外空氣逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)和最冷月份1月份的室內(nèi)外空氣平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3，圖4所示。其中，1月1日～1月11日、1月16日～1月22日、1月30日為晴天，余下時(shí)間為陰雪天。

圖3為1月18日室內(nèi)、室外空氣溫度日變化。

由圖3分析可得，在采用陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)為獨(dú)立建筑供暖后，室內(nèi)外空氣溫度變化趨勢(shì)基本一致：室外溫度波動(dòng)范圍-11 ℃～3.5 ℃，供暖后，室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍14 ℃～16.4 ℃?？梢钥闯?，采用陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖，可以有效地承擔(dān)農(nóng)村獨(dú)立住宅中的大部分冷負(fù)荷。供暖后的室內(nèi)溫度略低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度18 ℃，但仍可以滿足居住熱需求。

圖4為1月份室內(nèi)、室外空氣平均溫度變化。

由圖4分析可以得知，2015年1月份室外平均溫度波動(dòng)范圍

-6.5 ℃～0 ℃，在采用陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)為獨(dú)立建筑供暖后，室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍14 ℃～19 ℃，符合農(nóng)村住宅采暖需求[6]。因此，在北方農(nóng)村地區(qū)使用陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供暖是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際工程出發(fā)，對(duì)陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在北方農(nóng)村冬季采暖中的應(yīng)用進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)可以有效地利用太陽(yáng)能來(lái)對(duì)建筑物進(jìn)行供熱。在使用該供熱系統(tǒng)后，最冷月室內(nèi)溫度可以保持在14 ℃～16.4 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，符合農(nóng)村住宅采暖需求。

2)采用陶瓷太陽(yáng)能集熱采暖系統(tǒng)為農(nóng)村獨(dú)立建筑供暖時(shí)，地暖的運(yùn)行方式選取為間歇運(yùn)行就可以較好地滿足室內(nèi)熱需求。

3)在陰雪天時(shí)，需要輔以電加熱的方式來(lái)對(duì)地暖進(jìn)行加熱來(lái)滿足供暖需求。

[1] 張 強(qiáng).以城鄉(xiāng)一體化思路解決農(nóng)村供暖問(wèn)題[J].北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,26(6):3-5.

[2] 潘 晉，孟 陽(yáng).我國(guó)北方農(nóng)村太陽(yáng)能采暖研究[J].建設(shè)科技，2015(6):76-78.

[3] GB J26—2010，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 潘 晉.青島某新農(nóng)村供熱系統(tǒng)集成技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[5] GB 50495—2009，太陽(yáng)能供熱釆暖工程技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 劉 鳴，陳 濱，張寶剛，等.北方地區(qū)低能耗自循環(huán)農(nóng)村住宅實(shí)踐性能分析[J].建設(shè)技術(shù)，2012,43(7):611-614.

Application of ceramic solar water heating system in the rural north of the winter heating★

Qin Yi

(ShanxiAcademyofBuildingResearch，Taiyuan030001,China)

Combining with engineering examples, it introduces the structures and operation principles of ceramic solar energy heating system, through the analysis of the indoor temperature changes after using ceramic solar water heating system, it is concluded that the ceramic solar water heating system can control the temperature of independent rural housing effectively, bearing the most of the cooling load of the heating.

ceramic solar water heating system, heating, rural, indoor temperature

1009-6825(2016)20-0193-02

2016-05-09★:山西省農(nóng)村建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)合作研究(中歐合作項(xiàng)目)(項(xiàng)目編號(hào)：2013DFE63170)

秦 旖(1991- ),女，碩士

TU832.17

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