西安地区太阳能毛细管辐射采暖系统应用研究

中国建筑西北设计研究院有限公司/赵民

　　0前言

　　我国每年约10亿平方米的住宅、商业等民用建筑投入使用。建筑能耗占国民总能耗的比例已从上世纪70年代的约10%上升到目前的30%左右。发达国家中暖通空调能耗占建筑能耗的65％，以建筑能耗占全社会总能耗的35％计算，暖通空调能耗可占到总能耗的22.75％。我国能源结构不合理，一次能源消费中，煤炭占67.1%，原油22.7%，天然气2.8%，可再生能源占7.3%。我国能源资源相对贫乏，煤炭、石油、天然气的人均资源仅为世界平均水平的60%、10%和5%。预计到2050年，我国能源缺口将高达一半。

　　1背景

　　1.1概括

　　北方采暖地区处于太阳能Ⅰ资源丰富区、Ⅱ资源较富区和Ⅲ资源一般区，很多地方处在Ⅰ、Ⅱ区。年平均日照时数普遍在3000h以上，辐射总量高于5000MJ/（m2·a）。太阳能采暖是一项清洁能源技术，利用它可以有效地降低建筑能耗，减少环境污染。

　　1.2气象资料

　　西安，全年辐射日照总量为4771MJ/m2·a，平均日照时间为1912.8h/a，采暖期总辐射量为1352MJ/m2。西安市夏季日平均日照时间约7小时，冬季约4小时，全年平均为4~7.2小时，其中6~8月辐射量较高，西安全年日平均日照时间较稳定。西安市日平均日照时间如图1所示。

　　逐日太阳总辐照量趋势与日平均日照时间趋势相同，夏季辐照量较高，全年辐照量曲线较为平缓，全年辐照量整体较为稳定。逐日太阳总辐照量如图2所示。

　　西安市太阳能资源较丰富，太阳辐照量全年分布较均匀，基本可以满足太阳能建筑相结合规模化供热的需要。

　　1.3我国太阳能热利用情况

　　在中国，新能源产业被列为我国七大战略产业之一，其中的太阳能热利用被作为重点发展产业；太阳能热利用要占可再生能源利用的10%，太阳能热利用的潜力巨大，有待行业深化和扩展；我国太阳能集热器主要有真空管式集热器（约占85%）和平板式集热器（约占15%）两种类型；北方大量商业化应用的太阳能集热器可以保持60℃及以下的集热温度；目前太阳能在建筑中的应用以太阳能热水为主。

　　1.4太阳能与采暖之间的矛盾

　　太阳能受时间和气候条件限制具有分布密度低、不连续、不稳定等特点，应用于建筑采暖，需要进一步提升其热能品位和解决热源不稳定的问题；北方地区夜间室内外温差加大，对采暖需求相对较高，而夜间太阳辐射能为零，供需矛盾显而易见；在现有太阳能集热技术条件下如何解决热量的供需时段矛盾、滞后效应以及提高末端供能的热效率是太阳能建筑采暖的关键技术。

　　2技术介绍

　　2.1蓄热技术

　　蓄热技术能够实现能量的储存和延时供应。目前常用的太阳能集热器都采取显热蓄热方式，这种蓄热方式单位容积蓄积能量较少，系统体积和重量较大。

　　2.2相变蓄热技术

　　相变蓄热技术利用材料相变过程的潜热来进行能量的蓄积或释放，蓄热设备的体积和重量大大减小，是太阳能蓄热的理想方式。潜热储能比显热储能量大、存贮空间相对小，解决能量使用和存贮在时间和空间的矛盾。

　　2.3毛细管网低温辐射技术

　　毛细管网模拟叶脉和人体毛细血管机制，利用毛细管网表面或辐射体表面与室内空气较小的换热温差，通过毛细管内流体蠕流的流动来达到与周围环境的平衡。毛细管网是集分水式结构，由外径3.5mm~5mm的毛细管和外径20mm的供回水主干管路构成管网，保温层、散热层和毛细管网结合使用，复合成毛细管网换热器。毛细管网如图3所示。

　　2.4毛细管网辐射采暖的特点

　　毛细管网的辐射换热面积很大，而毛细管网内的流体与室内空气的换热温差较小，从传热学的角度看，换热面积增大，可提高热量的传热效率；而辐射供能方式使室内温度变化均匀，无吹风感，提高了环境的舒适性。从能量利用效率的角度，低温差换热有助于提高能量的效率，同时，毛细管网辐射采暖所要求的供水温度为28℃~32℃，大大降低了对热源温度的要求。

　　毛细管网采暖方式为低品位太阳能的热利用提供了一种优良的供热方式。毛细管网装饰效果如图4所示。

　　3系统设计

　　3.1太阳能辐射采暖系统原理（如图5所示）

　　3.2系统运行模式

　　（1）太阳能生活热水蓄热；（2）太阳能相变蓄热；（3）蓄热供暖；（4）辅助热源供暖；（5）辅助热源提供生活热水。

　　3.3系统控制

　　（1）生活热水罐优先控制；（2）生活热水罐辅助加热控制；（3）相变蓄热罐加热控制；（4）相变蓄热罐高温保护；（5）辅助热源—空气源热泵启停控制；（6）供暖水温控制。

　　4应用研究图（如图6~图8所示）