太阳能供热采暖系统介绍
中国农村能源行业协会太阳能综合利用协调组 王建新
摘要：简要阐述太阳能供热采暖系统发展的原因，介绍系统运行原理。以北京地区为例，阐释集热器面积确定的方法，效益分析，概括说明设计要点。
关键词：太阳能供热采暖 集热器面积 设计要点 一、太阳能供热采暖系统
太阳能采暖系统是指将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其它用热的系统。
整个采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统组成。 太阳能集热系统部分又由太阳能集热器、储水换热系统、自动控制系统、辅助加热系统、管路系统等组成。
我国太阳能资源丰富，太阳能供暖主要适合寒冷地区和夏热冬冷地区的冬季供暖。适用于三层及以下的建筑。 二、太阳能供热采暖发展的原因
1、建筑能耗逐年增加，建筑节能任务严重
建筑用能是指建筑使用过程中的能耗，主要包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯等。
建筑能耗各部分所占的比例：
2、常规能源数量有限，鼓励利用可再生能源
我国能源资源比较丰富，但是人均占有总量较低。特别是石油和天然气仅为世界平均水平的7.7%和7.1%。目前煤炭消费占我国一次能源消费的69%，比世界水平高42个百分点。
常规能源因其不可再生，逐年减少；经济的发展也导致了能源耗费的增加，因此，煤炭、电力、石油的价格也一再提升。如何解决建筑能源问题，一直是国家领导人和相关国家机关比较重视的问题。鼓励新民居单体建筑和公用建筑采用太阳能和地源热泵等绿色低碳的能源，也已经成为目前某些相关单位的重要工作内容。
建设部、国家发展和改革委员会、财政部、人事部、民政部、劳动和社会保障部、国家税务总局、国家环境保护总局颁布的《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》（建城[2005]220号）中，在优化配置城镇供热资源方面提出“要坚持集中供热为主，多种方式互为补充，鼓励开发和利用地热、太阳能等可再生能源及清洁能源供热。”的方针。
因此，提供绿色、清洁、高保证率、高性价比的太阳能供热采暖，是解决采暖地区建筑能源问题重要支撑技术。可以提高可再生能源的利用范围，促进改变国民经济结构和能源结构。
3、太阳能光热技术、建筑节能保温技术成熟
我国建设部批准了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》行业标准。目前，符合标准的保温节能建筑逐年增加，为进行太阳能供暖提供了建筑基础。
近些年来，我国太阳能光热行业获得长足发展，几吨、几十吨甚至上百吨的太阳能热水系统在宾馆、酒店、学校、医院等建筑广泛应用，日产几百吨热水的大型的太阳能集热系统已经开始应用于工业企业，国家也陆续出台了相关的行业标准和国家标准。
在太阳能热水应用发展的基础上，许多科研单位、企业组织工程技术人员研究光热在供热采暖方面的应用，并进行了大量的实验。北京周边地区及西北地区，也建设了大面积的太阳能供热采暖试点。太阳能供热采暖的技术逐渐成熟，并有《太阳能供热采暖工程技术规范》为依据，太阳能供热采暖因此逐步推广开来。
三、太阳能供热采暖系统运行原理
太阳能供暖系统的主要组成部分是太阳能集热器。需要根据建筑物所在地区的太阳能资源、建筑物的保温节能状况和供热采暖需求等基本数据，来计算太阳能集热器的面积，并选择适合的太阳能集热器类型和型号。
除严寒地区外，太阳能集热器使用的介质主要是水。太阳能集热器将太阳辐射能转化为热能，冷水变成中高温热水，被运输到储热水箱，再由管道将热水输送到终端散热系统。散热器将热量通过对流或辐射传递给供热空间，回水再输送到集热器。这里会运用循环泵作为循环系统的动力。
安装自动上水系统和控制循环泵的温控器，使系统成为自动控制系统或半自动控制系统，还可以根据用户的需求，设计安装辅助加热系统，以备阴雨雪天气和冬至前后极冷天气辅助加热使用。 四、太阳能供热采暖集热器面积确定方法
1、采暖设计热负荷指标
以北京地区100平米现有建筑为例。
全国主要城市采暖期耗热量指标和采暖设计热负荷指标
采暖设计热负荷指标，是在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内需由锅炉房或其他供热设施供给的热量。
根据相关国家标准，北京地区节能建筑设计负荷指标为43.82W/㎡。即，北京地区采暖室外计算温度为-9℃的条件下，为保持室内计算温度18℃，1㎡的建筑面积1小时需要由供热设施提供的热量为43.82W/㎡，为方便计算，取45W/㎡。
根据以上计算，北京地区现有非节能100㎡建筑，采暖期一日24小时所需供热设施提供的热量为:108 kWh，即388.8兆焦。
2、集热器面积确定
直接系统太阳能集热器总面积按下式计算：
(4-1)
式中：Ac—直接系统集热器总面积，(m2)；
QH—建筑物耗热量，(W)；—此处我们设计按采暖设计热负荷指标计算。 JT—当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，北京地区取11月、12月、1月、2月、3月的平均值，约为16.04 MJ/㎡·d。
f—太阳能保证率，取80%；这个配备比例，除冬至前后两个月内极冷天气外，晴好的状况下，可以使建筑物基本不用辅助热源，也能够保持室内舒适温度。 ηcd—基于总面积的集热器平均集热效率，按50%计算；采用冬季集热效率高的曲尺型集热器，并采用三高紫金真空管，集热效率可以提高至55%。 ηL—管路及贮热装置热损失率，按15%计算。
经计算，集热器面积为41.5㎡。
考虑降低系统投资，提高系统效益，防止系统在非采暖季过热因素，可以适当增加辅助热源的比例，降低集热器配比，根据经验，北京地区100㎡的现有建筑，配备集热器面积在36㎡为宜。 五、太阳能供暖系统基本设备
1、集热器的形式 普通真空管集热器
冬季高温错位密排真空管集热器 平板集热器 2、辅助设备形式 电锅炉 燃气锅炉 燃油锅炉 地源热泵 空气源热泵 3、全自动控制系统 4、储热换热设备及水箱
5、保温管道
★了解各种设备和配件的特点，根据具体项目的建筑形式和客户供暖需求，进行合理设计和匹配。
六、太阳能供热采暖系统效益分析
仍以北京地区100平米现有建筑为例。 1、经济效益分析
北京地区100㎡的现有建筑，配备36㎡集热器的太阳能供热采暖系统，整体造价在3.5万至5万元之间。
一个采暖期内，若由太阳能集热系统供给的热量的时间为100天，保证率为80%的话，则系统每天节电近44元，整个采暖季会节省4400元。8-10年收回投资。而太阳能供热采暖系统的使用寿命在15-20年，其余7-10年的使用，则等于节约了3到4万元的能源费用。
另外，全年生活用热水的设备和能源也会节省下来，此处不多做计算。 2、环境效益分析
根据2007年中国可再生能源行业报告数据 1）每m2太阳热水器节约能源标煤 :
150~180 kgce/m2 2）每m2太阳热水器减排 :
CO2 300多kg SO2 2 kg
NO2 2 kg 粉尘 3 kg
3）每m2太阳热水器年环境效益：75元
由以上数据计算出，本项目使用寿命期平均年采暖期可代替其它常规能源：
综上所述，北京地区100㎡现有建筑，采用太阳能供热采暖后，平均每年可以节约标准煤约5.94吨，减少二氧化碳排放10.8吨，减少二氧化硫排放72公斤，减少N02排放72公斤，减少空气中的粉尘108公斤，项目年环境效益2700元。目前国标太阳能集热器，若维护到位，实际的寿命可达至20-30年，按保守的20年计算，环境效益高至54000元，这还没有考虑通货膨胀的因素。
利用太阳能供热采暖系统，不仅在冬季享有温暖舒适的室内环境，而且为保护一片蓝天，维护地球绿色做出了自己的贡献。 七、太阳能供热采暖系统设计要点
1、太阳能供热采暖系统应纳入建筑工程建设的规定程序，统一规划、同步设计、同步施工、统一验收、同时投入使用。
2、太阳能供热采暖系统应做到全年综合利用，采暖期为建筑物供热采暖，非采暖期向本建筑物或相邻建筑物提供生活热水或其他用热。
3、设置太阳能供热采暖系统的新建、改建和扩建的供暖建筑物，其建筑热工与节能设计应符合或高于所在气候区国家、行业和地方建筑节能设计标准和实施细则的要求。
4、太阳能供热采暖系统应根据不同地区和使用条件采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震和保证电气安全等技术措施。
5、太阳能供热采暖系统应设置其它能源辅助加热/换热设备。辅助热源应根据当地条件，选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热或生物质燃料等。加热/换热设备选择各类锅炉、换热器和热泵等，做到因地制宜、经济适用。
6、太阳能供热采暖系统中所采用的设备和产品，正常使用寿命不应少于15年。目前我国较好企业生产的产品，已经有使用15年仍正常工作的实例，因此，规定产品的正常使用寿命不应少于15年。
太阳能供热采暖系统介绍
中国农村能源行业协会太阳能综合利用协调组 王建新
摘要：简要阐述太阳能供热采暖系统发展的原因，介绍系统运行原理。以北京地区为例，阐释集热器面积确定的方法，效益分析，概括说明设计要点。
关键词：太阳能供热采暖 集热器面积 设计要点 一、太阳能供热采暖系统
太阳能采暖系统是指将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其它用热的系统。
整个采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统组成。 太阳能集热系统部分又由太阳能集热器、储水换热系统、自动控制系统、辅助加热系统、管路系统等组成。
我国太阳能资源丰富，太阳能供暖主要适合寒冷地区和夏热冬冷地区的冬季供暖。适用于三层及以下的建筑。 二、太阳能供热采暖发展的原因
1、建筑能耗逐年增加，建筑节能任务严重
建筑用能是指建筑使用过程中的能耗，主要包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯等。
建筑能耗各部分所占的比例：
2、常规能源数量有限，鼓励利用可再生能源
我国能源资源比较丰富，但是人均占有总量较低。特别是石油和天然气仅为世界平均水平的7.7%和7.1%。目前煤炭消费占我国一次能源消费的69%，比世界水平高42个百分点。
常规能源因其不可再生，逐年减少；经济的发展也导致了能源耗费的增加，因此，煤炭、电力、石油的价格也一再提升。如何解决建筑能源问题，一直是国家领导人和相关国家机关比较重视的问题。鼓励新民居单体建筑和公用建筑采用太阳能和地源热泵等绿色低碳的能源，也已经成为目前某些相关单位的重要工作内容。
建设部、国家发展和改革委员会、财政部、人事部、民政部、劳动和社会保障部、国家税务总局、国家环境保护总局颁布的《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》（建城[2005]220号）中，在优化配置城镇供热资源方面提出“要坚持集中供热为主，多种方式互为补充，鼓励开发和利用地热、太阳能等可再生能源及清洁能源供热。”的方针。
因此，提供绿色、清洁、高保证率、高性价比的太阳能供热采暖，是解决采暖地区建筑能源问题重要支撑技术。可以提高可再生能源的利用范围，促进改变国民经济结构和能源结构。
3、太阳能光热技术、建筑节能保温技术成熟
我国建设部批准了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》行业标准。目前，符合标准的保温节能建筑逐年增加，为进行太阳能供暖提供了建筑基础。
近些年来，我国太阳能光热行业获得长足发展，几吨、几十吨甚至上百吨的太阳能热水系统在宾馆、酒店、学校、医院等建筑广泛应用，日产几百吨热水的大型的太阳能集热系统已经开始应用于工业企业，国家也陆续出台了相关的行业标准和国家标准。
在太阳能热水应用发展的基础上，许多科研单位、企业组织工程技术人员研究光热在供热采暖方面的应用，并进行了大量的实验。北京周边地区及西北地区，也建设了大面积的太阳能供热采暖试点。太阳能供热采暖的技术逐渐成熟，并有《太阳能供热采暖工程技术规范》为依据，太阳能供热采暖因此逐步推广开来。
三、太阳能供热采暖系统运行原理
太阳能供暖系统的主要组成部分是太阳能集热器。需要根据建筑物所在地区的太阳能资源、建筑物的保温节能状况和供热采暖需求等基本数据，来计算太阳能集热器的面积，并选择适合的太阳能集热器类型和型号。
除严寒地区外，太阳能集热器使用的介质主要是水。太阳能集热器将太阳辐射能转化为热能，冷水变成中高温热水，被运输到储热水箱，再由管道将热水输送到终端散热系统。散热器将热量通过对流或辐射传递给供热空间，回水再输送到集热器。这里会运用循环泵作为循环系统的动力。
安装自动上水系统和控制循环泵的温控器，使系统成为自动控制系统或半自动控制系统，还可以根据用户的需求，设计安装辅助加热系统，以备阴雨雪天气和冬至前后极冷天气辅助加热使用。 四、太阳能供热采暖集热器面积确定方法
1、采暖设计热负荷指标
以北京地区100平米现有建筑为例。
全国主要城市采暖期耗热量指标和采暖设计热负荷指标
采暖设计热负荷指标，是在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内需由锅炉房或其他供热设施供给的热量。
根据相关国家标准，北京地区节能建筑设计负荷指标为43.82W/㎡。即，北京地区采暖室外计算温度为-9℃的条件下，为保持室内计算温度18℃，1㎡的建筑面积1小时需要由供热设施提供的热量为43.82W/㎡，为方便计算，取45W/㎡。
根据以上计算，北京地区现有非节能100㎡建筑，采暖期一日24小时所需供热设施提供的热量为:108 kWh，即388.8兆焦。
2、集热器面积确定
直接系统太阳能集热器总面积按下式计算：
(4-1)
式中：Ac—直接系统集热器总面积，(m2)；
QH—建筑物耗热量，(W)；—此处我们设计按采暖设计热负荷指标计算。 JT—当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，北京地区取11月、12月、1月、2月、3月的平均值，约为16.04 MJ/㎡·d。
f—太阳能保证率，取80%；这个配备比例，除冬至前后两个月内极冷天气外，晴好的状况下，可以使建筑物基本不用辅助热源，也能够保持室内舒适温度。 ηcd—基于总面积的集热器平均集热效率，按50%计算；采用冬季集热效率高的曲尺型集热器，并采用三高紫金真空管，集热效率可以提高至55%。 ηL—管路及贮热装置热损失率，按15%计算。
经计算，集热器面积为41.5㎡。
考虑降低系统投资，提高系统效益，防止系统在非采暖季过热因素，可以适当增加辅助热源的比例，降低集热器配比，根据经验，北京地区100㎡的现有建筑，配备集热器面积在36㎡为宜。 五、太阳能供暖系统基本设备
1、集热器的形式 普通真空管集热器
冬季高温错位密排真空管集热器 平板集热器 2、辅助设备形式 电锅炉 燃气锅炉 燃油锅炉 地源热泵 空气源热泵 3、全自动控制系统 4、储热换热设备及水箱
5、保温管道
★了解各种设备和配件的特点，根据具体项目的建筑形式和客户供暖需求，进行合理设计和匹配。
六、太阳能供热采暖系统效益分析
仍以北京地区100平米现有建筑为例。 1、经济效益分析
北京地区100㎡的现有建筑，配备36㎡集热器的太阳能供热采暖系统，整体造价在3.5万至5万元之间。
一个采暖期内，若由太阳能集热系统供给的热量的时间为100天，保证率为80%的话，则系统每天节电近44元，整个采暖季会节省4400元。8-10年收回投资。而太阳能供热采暖系统的使用寿命在15-20年，其余7-10年的使用，则等于节约了3到4万元的能源费用。
另外，全年生活用热水的设备和能源也会节省下来，此处不多做计算。 2、环境效益分析
根据2007年中国可再生能源行业报告数据 1）每m2太阳热水器节约能源标煤 :
150~180 kgce/m2 2）每m2太阳热水器减排 :
CO2 300多kg SO2 2 kg
NO2 2 kg 粉尘 3 kg
3）每m2太阳热水器年环境效益：75元
由以上数据计算出，本项目使用寿命期平均年采暖期可代替其它常规能源：
综上所述，北京地区100㎡现有建筑，采用太阳能供热采暖后，平均每年可以节约标准煤约5.94吨，减少二氧化碳排放10.8吨，减少二氧化硫排放72公斤，减少N02排放72公斤，减少空气中的粉尘108公斤，项目年环境效益2700元。目前国标太阳能集热器，若维护到位，实际的寿命可达至20-30年，按保守的20年计算，环境效益高至54000元，这还没有考虑通货膨胀的因素。
利用太阳能供热采暖系统，不仅在冬季享有温暖舒适的室内环境，而且为保护一片蓝天，维护地球绿色做出了自己的贡献。 七、太阳能供热采暖系统设计要点
1、太阳能供热采暖系统应纳入建筑工程建设的规定程序，统一规划、同步设计、同步施工、统一验收、同时投入使用。
2、太阳能供热采暖系统应做到全年综合利用，采暖期为建筑物供热采暖，非采暖期向本建筑物或相邻建筑物提供生活热水或其他用热。
3、设置太阳能供热采暖系统的新建、改建和扩建的供暖建筑物，其建筑热工与节能设计应符合或高于所在气候区国家、行业和地方建筑节能设计标准和实施细则的要求。
4、太阳能供热采暖系统应根据不同地区和使用条件采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震和保证电气安全等技术措施。
5、太阳能供热采暖系统应设置其它能源辅助加热/换热设备。辅助热源应根据当地条件，选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热或生物质燃料等。加热/换热设备选择各类锅炉、换热器和热泵等，做到因地制宜、经济适用。
6、太阳能供热采暖系统中所采用的设备和产品，正常使用寿命不应少于15年。目前我国较好企业生产的产品，已经有使用15年仍正常工作的实例，因此，规定产品的正常使用寿命不应少于15年。