张　宁　张殿光　*

(大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁 大连　116000)



主动式太阳房的设计应用

张宁张殿光*

(大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁 大连116000)

摘要：以一栋小规模别墅为对象，提出了以太阳能—热泵为热源供热的方法，确定了太阳能集热器的面积和贮热水箱的容量，解决了太阳能的不可控制性等问题，对节约能源以及环境保护有重要的作用。

关键词：主动式太阳房，集热器，贮热水箱，热泵

能源是人类生存和社会发展的物质基础,相比煤，石油，天然气等不可再生能源燃料，太阳能燃烧时不会释放大量气体，使环境受到污染，而且我国是太阳能资源十分丰富的国家之一，尤其是大西北，太阳能的开发利用具有巨大的潜力。

1主动式太阳房

主动式太阳房的设备主要包括：太阳能集热器、储热水箱、辅助热源及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等。主动式太阳能建筑就是通过高效集热装置(太阳能集热器)来获取太阳能，然后通过媒介(空气或水系统)将收集到的热量送入建筑内的建筑形式。

2太阳能集热器

按集热管产品划分可以将集热器分为平板式、全玻璃真空管式、热管真空管式等。平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器是目前市场上比较常见的两种集热器类型。

3别墅建筑采暖系统实例

3.1工程概况

本文以大连市一栋占地面积为196.87 m2的单栋双层别墅型建筑为对象进行设计。相关参数如表1所示，计算结果见表2。

3.2太阳能采暖系统原理

太阳能采暖系统原理图见图1。

3.3自动控制系统

本设计采用半自动控制系统，主要包括自动监测水温、自动监测水位、定温进水、贮水箱水满后自动转入温差循环、早上8点自动开启热泵系统等。

当T1>50 ℃时，控制器启动水泵，水进入集热器中加热，并将集热器中的热水压入水箱中。当T1<40 ℃时，水泵停止工作，同时为了防止集热器夜间的损失加上止回阀。当蓄热水箱温度T3>45 ℃时，开启水泵进行采暖。当阴雨天或冬季光照强度弱的时候，开启三通阀，利用辅助热源加热。

3.4太阳能采暖系统主要参数

根据选定的建筑，可以确定太阳能采暖系统的主要参数(如表1所示)。根据这些参数可以计算出太阳能集热器面积和储热水箱有效容积。太阳能集热器面积的确定依据是建筑供热负荷和集热器有效集热强度。建筑供热负荷可由当地采暖热指标和建筑面积确定，本文依据国标确定大连地区建筑采暖热指标为40 W/m2。平板集热器在大连地区的有效集热强度需要通过具体测试数据获得，这里取0.242 kW/m2。

亲子阅读活动之前，一年级组老师们会集体研究制订详细的活动计划，包括亲子阅读的目的、要求以及具体时间、地点、人员、阅读书目、阅读方式和阅读评价等内容。然后，老师们会按照计划给家长们印发材料，召开家长培训会。家长培训会分阶段进行，一个学期要开十余次。

3.5太阳能建筑采暖方式

针对我国目前采暖技术的发展现状，采暖方式一般采用低温热水地板辐射采暖系统，这种系统以不高于60 ℃的热水作热媒(适合太阳能集热温度不高的特点)，在埋设于地面填充层中的加热管内循环流动，通过加热地面，然后以辐射传热方式向室内供热。

3.6采暖热负荷计算

民用建筑采暖热负荷计算有两种方法，一种是理论计算法，根据太阳房耗热量，围护结构散失热量，空气渗透量等计算采暖热负荷；另一种是指标估算法，民用建筑节能设计标准给出了大部分城市的面积热指标，所以工程中也可以通过简单的面积热指标估算法来计算采暖热负荷:

Q热=3.6ARqzb×24。

其中，Q热为建筑耗热量，kJ；AR为建筑面积，m2；qzb为面积热指标，40 W/m2。代入数据得：Q热=3.6×393.74×40×24=1 360 765 kJ/d。

3.7贮热水箱容量计算

水箱的容水量要根据太阳能地板采暖日需热水量进行设计。贮热水箱与集热器上下水管相连，供热水循环用。由于生活用水温度较高，所以在贮热水箱内部设立一个水箱与生活用水相连，将该水箱与空气源热泵相连。为了避免生活用水温度过高，在洗浴热水管路上设置自来水进口，以实现混合降温的目的。只要系统循环水不出现漏失，就不需要对供热循环水箱进行补水。在夜间无太阳能工作的情况下，为了更大程度的节约能源，将系统设计为夜间供热的热量全部由贮热水箱提供，由下式计算得出：

mccp(Th-T1)=ARqzby×3.6×Δτ=QRy。

其中，Th为贮热水箱最高水温，℃；T1为贮热水箱最低水温，℃；Δτ为贮热水箱供热时段长度，h；qzby为日间供热折合单位面积热指标，W/m2；QRy为夜间供热负荷，kJ。

代入数据得：日间供热负荷QRR=393.74×10×3.6×10=141 746 kJ。

夜间供热负荷QRy=1 360 765-141 746=1 219 018 kJ。

贮热水箱容量mc=1 219 018/(4.187×10)=29 114 kg。

3.8集热器面积的计算

太阳能集热器的面积可以根据建筑日间供热量和夜间所需贮存量之和，即每天太阳能集热器的有效集热量和太阳能集热器的平均集热强度之比计算：

其中，A为集热器面积，m2；Qout为太阳能集热器有效集热量，kJ；I为太阳能集热器的平均集热强度，kJ/m2。代入数据得：集热器面积A=1 360 765/(3 600×0.242×10)=156 m2。

3.9生活用水的相关计算

1)太阳能热水系统设计小时耗热量的计算公式为：

其中，Qh为设计小时耗热量，kJ/h;qr为热水用量定额，L/(人·d)或L/(床·d)；m为用水计量单位数，人数或床位数；C为水的比热，C=4.187 kJ/(kg·℃)；tr为热水温度，65 ℃；tl为冷水温度，7 ℃；ρ为热水密度，kg/L；T为每日使用时间，h；Kh为小时变化系数。代入数据得：Qh=4.0×8×80×4.187×58×0.981/24=25 411.4 kJ/h。

2)太阳能热水系统设计小时供热量的计算公式为：

其中，Qg为设计小时供热量，kJ/h;T1为热泵机组每日设计工作时间，h；K1为安全系数，1.05～1.10。 代入数据得：Qg=1.05×8×70×4.187×58×0.981/12=11 673.4 kJ/h。

3)生活用水贮热水箱容积计算。

全日制集中热水供热系统贮热水箱有效容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定，当其因素不确定时宜按下式计算：

其中，Vr为贮热水箱有效容积，L；Qh为设计小时耗热量，kJ/h;Qg为设计小时供热量，kJ/h;η为有效贮热容积系数，0.85～0.90；K2为安全系数，1.10～1.20。

代入数据得：Vr=1.1×(25 411.4-11 673.4)×24/(0.85×58×4.187×0.987)=1 780 L。

3.10辅助热源系统

为了保证阴雨天或冬季光照强度弱的时候系统正常运行，设计了辅助能源系统，作为辅助热源的能源种类繁多，但为了使系统的构成简单化，一般使用电能的居多，在储热水箱中设置电加热器，在太阳能无法满足建筑采暖要求时，启动电加热器作为补充。

4结语

在对大连某别墅的设计计算过程中，本文以前人的研究成果为基础，阐述了主要的计算方法。可以发现主动式太阳能热泵系统的可行性，不仅节约了能源还起到了环境保护的作用，用更复杂的设备组合和更精确的控制系统满足居民对环境质量舒适度的要求，太阳能的应用必将成为日后的发展趋势。

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[9]GB 50015—2003，建筑给排水设计规范.

Application of the design of active solar house

Zhang NingZhang Dianguang*

(CollegeofMachinery&DynamicEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116000,China)

Key words:active solar house, heating cluster case, hot water storage tank, heat pump

Abstract:Taking a small-scale villa as the target, the paper puts forward heating methods with solar energy-heat pump as heating source, determines the solar heating cluster case area and hot water storage tank volume, and solves uncontrollability problems of solar energy, which has significant role for saving energy resources and protecting environment.

文章编号：1009-6825(2016)14-0180-02

收稿日期：2016-03-06

作者简介：张宁(1992- )，女，在读硕士

通讯作者：张殿光(1977- )，男，副教授

中图分类号：TU201.5

文献标识码：A