太阳能辅助供暖技术综述

文_韦笑 江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心

中国北方地区冬季较为寒冷，为满足人们正常生活需要，国家制定并施行了现行的北方城市冬季集中供暖制度。随着城市供暖面积的快速增长，以煤炭为主要原料的取暖方式意味着燃煤所排放的大气污染物（包括烟尘二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等）也将同步增长。“十九大”以来，党中央提出加快生态文明体制改革的绿色发展路线，提出着力解决突出的环境问题，持续实施大气污染防治行动，推进北方“煤改电”行动。然而，北方供暖地区多处于严寒和寒冷地区，空气源热泵能效低成为一个政策推进的难点问题。因此，发展太阳能辅助供暖技术成为了解决当前环境问题的重要手段。

国内外许多学者对太阳能辅助供暖技术进行了研究，他们将太阳能辅助供暖技术分为两大类：被动式太阳能辅助供暖技术和主动式太阳能辅助供暖技术，本文将对这两类技术进行综述。

1 被动式太阳能辅助供暖技术

被动式太阳能辅助供暖技术是太阳能辅助供暖系统中最简单的一种形式，最早始于20世纪三四十年代。它是一种根据当地气象条件和生活习惯，通过建筑物的朝向和周围环境的合理布置，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季尽可能多地吸收和贮存热量，以达到辅助供暖的目的。被动式太阳能建筑集热面积、蓄热体积均由建筑设计自身决定，调节控制的可能性较小，但其构造简单，造价便宜、管理方便，目前被广泛应用在建筑领域中。被动式太阳能建筑按照太阳能利用方式主要分为直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式和组合式等。

1.1 直接受益式太阳房

直接受益式是最简单的一种被动式太阳房。冬季白天，利用南窗直接接收太阳辐射热量，太阳光直射到房间内，利用围护结构、家具等进行蓄热，持续地将热量保存起来；夜晚，热量通过围护结构、家具等表面以辐射和对流的方式在房间内进行传递，使房间内保持一定的温度，实现辅助供暖。

直接受益式被动式太阳能建筑供热效率高，缺点是夜晚降温速度快，室内温度波动幅度大。因此，只适用于白天使用的房间，如办公楼、学校等公共建筑。

由于相对加大了窗户面积，若仍采用传统结构的窗户,则窗户的传热和渗透热耗将会由总热耗的1/4增加到1/3。所以，窗的节能处理将是直接受益式太阳房的关键。除增加保温窗板或保温窗帘外，对于窗户本身结构研究将是节能的重要措施，可将普通单玻窗改为双层中空窗或Low-E玻璃，可有效减少南向外窗漏热。

1.2 集热蓄热墙式太阳房

集热蓄热墙式太阳房是应用较为广泛的一种被动式太阳房。 集热蓄热墙式太阳房结构示意图如图1所示。 集热蓄热墙式太阳房工作原理图如图2所示。冬季，白天开启墙体上、下通风口，重质墙体透过玻璃盖板吸收太阳辐射热量，并通过对流方式加热夹层内的空气，受到热压作用的夹层空气向上移动，通过墙体上通风口流入室内，提高室内温度，而温度较低的室内空气则由下通风口进入夹层，形成空气的热循环；夜间，关闭墙体上、下通风口，将储存在墙体内的热量释放到室内，加热房间。

图1 集热蓄热墙式太阳房结构示意图

图2 集热蓄热墙式太阳房工作原理图

集热蓄热墙式太阳房在应用中衍生出了多种形式，如百叶式、多孔式、相变式、花格式集热蓄热墙式太阳房等。对于集热蓄热墙式太阳房的集热性能，受集热墙的厚度、对流孔的大小、集热空气间隙的厚薄、集热面积大小、房间深度等因素的影响，需根据具体使用情况具体考虑。在设计时，应尽量增加集热墙高度，以增加空气的温差；在结构允许条件下，尽可能使上、下对流口分别设置在集热墙的最顶端和最下端，上、下对流口的总面积应相等，从而提高集热蓄热墙性能和室内舒适性。

1.3 附加阳光间式太阳房

附加阳光间式太阳房的基本结构是在房屋主体结构的南面附建一座阳光间，利用附加阳光间接受太阳辐射，墙体上还可以根据需要开设门窗或者通风口。冬季白天，附加阳光间受太阳辐射的影响，产生温室效应，温度较高的一侧通过公共墙体向相邻房间传热，使相邻房间温度升高；夜晚，附加阳光间还可作为缓冲保温区，加上公共墙体的蓄热作用，减少相邻房间热损失的同时，使房间保持较好的舒适性。附加阳光间式太阳房工作原理图如图3所示。

附加阳光间式太阳房保持了直接受益式被动太阳房和集热蓄热墙式被动太阳房的优点。杨艳霞在辽南地区对带附加阳光间的住宅进行节能性测定，附加阳光间的节能率在10%～28%之间。

图3 附加阳光间式太阳房工作原理图

附加阳光间式太阳房可从玻璃窗的结构、地面蓄热材料、隔热保温卷帘等方面进行优化。双层中空玻璃的热阻远大于单层玻璃窗，对窗户具有很好的保温性能，因此附加阳光间内用双层中空玻璃代替单层玻璃将起到很好的节能效果；地板可以受到太阳光的照射，同样是蓄热的有效部位，因此地面的蓄热应选择保温性能好的材料。陶粒混凝土的导热系数比普通混凝土低1/2以上，保温性能良好，热损失小；窗户是热量流失的重点部位，利用材料为PVC+玻璃纤维的保温卷帘，冬季的夜晚开启保温卷帘，防止室内热量向室外散失，降低能耗。

1.4 组合式太阳房

上述3种类型的太阳房属于被动式太阳房的基本类型，取2种或2种以上基本类型的太阳房部件进行有序合理组合、优势互补，形成的被动式太阳房就是组合式被动太阳房。现在比较常见的组合式太阳房是窗下墙组合式，即南向墙上半部分是直接受益窗，下半部分是集热蓄热墙构件。冬季利用直接受益窗在白天充分采光的同时，下半部分的集热蓄热墙构件还可蓄热供夜晚使用，提高房间的热舒适性。组合式太阳房结构示意图如图4所示。组合式太阳房实体图如图5所示。

图4 组合式太阳房结构示意图

图5 组合式太阳房实体图

2 主动式太阳能辅助供暖技术

主动式太阳能建筑是以“主动控制”为手段，通过太阳能集热器、储热水箱、风机或者泵等设备为媒介，形成强制循环太阳能采暖系统，对太阳能转化的热量进行收集、储存和运输，从而达到采暖或者用热的目的，有效地利用太阳能。

2.1 太阳能辅助地源热泵供暖系统

太阳能辅助地源热泵供暖系统是以太阳能为地源热泵的辅助热源，将太阳能热和地源泵热同步利用，相互结合，优势互补，有效提高热泵机组COP。太阳能和地热能作为稳定和绿色环保的可再生能源，蕴含着巨大的开发利用潜力。

在太阳能辅助地源热泵供暖系统中，共有3种运行模式：串联运行、并联运行和交替运行。串联运行模式分2种：一种是循环介质先流经埋管换热器，再进入太阳能集热器，这种情况下可实现热泵不开机直接供暖；另一种是循环介质先流经太阳能集热器，再进入埋管换热器，这种运行模式可以将富余的太阳热能输送到地下土壤中，提高土壤温度的恢复速度。并联模式是热泵机组地源侧循环水通过分水器分流后，同时进入埋管换热器和太阳能集热器，然后再汇合在一起进入热泵机组。介质的分流比例可以通过分流装置智能调节，根据光照条件改变太阳能集热器管路的流量，使系统处于最优的运行状态。交替运行模式中，白天采用太阳能集热器给热泵系统提供热源，夜间或阴天改用地源热泵供暖，土壤温度场在白天使用太阳能供暖时能够得到一定程度的恢复，同时地源热泵系统中的埋管换热器能实现土壤蓄热的功能，可以减小储热水箱的容量。太阳能辅助地源热泵供暖系统运行模式示意图如图6所示。

图6 太阳能辅助地源热泵供暖系统运行模式示意图

智超英等测试了上海地区太阳能耦合地源热泵供暖系统的性能，太阳能耦合地源热泵供暖系统可有效提高地源热泵机组的COP，节省运行费用，符合我国可持续发展的要求。同时，能够使得地埋管冷水进口温度保持在0℃以上，避免冻土现象的发生，有效恢复地下温度场，保证热泵机组长期稳定高效率运行。

2.2 太阳能辅助空气源热泵供暖系统

空气源热泵系统能够以较低的能量消耗，从环境大气中无偿地吸取丰富的低品位热能，实现热量从低温位到高温位的转换，这些优点使其在世界范围内得到广泛的应用。然而在我国北方，冬季室外空气温度较低，热泵机组将会出现一系列的问题：如随着环境温度降低，机组的吸气压力降低，压缩机压缩比增大，导致热泵的压缩过程与额定压缩过程严重偏离，并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会冻成霜，导致蒸发器的吸热量减少，不能满足增加的热负荷的需要等。

晋浩等建立了太阳能辅助空气源热泵系统，系统中太阳能集热器与热泵蒸发器并联，并对系统性能进行了测试。测试结果表明，有了太阳能的辅助的空气源热泵系统，室内平均温度比纯空气源热泵运行模式提高了4℃，热舒适性较好，室内人员普遍比较满意。同时，热泵的蒸发温度明显提高，制冷剂循环量增加，机组的COP显著提升，达到了3.5，与纯空气源热泵运行模式相比，增加了1.3，系统制热量也明显加强。因此，太阳能辅助空气源热泵系统能够高效、可靠、稳定地运行，具有节能、环保的优点，有望为国家的节能减排贡献力量。

2.3 太阳能辅助水源热泵供暖系统

水源热泵是利用地球表面浅层的水源，吸收热能而形成的低品位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵运行效率高、费用低、节能，运行稳定可靠、投资经济性好，具有广阔的发展前景。但是，北方冬季的河流温度较低，会导致压缩机压缩比增大，导致热泵的压缩过程与额定压缩过程严重偏离，系统COP降低。运用太阳能辅助水源热泵进行供热，能够显著改善机组的工况和提高系统的性能。

在冬季，太阳能辅助水源热泵供暖系统根据蓄热水箱出口温度来选择工作模式，可实现太阳能直接供暖模式、太阳能串联热泵供暖模式、太阳能间接加热源侧水的热泵供暖模式及水源热泵单独供暖共4种运行模式。

太阳能直接供暖模式，供暖初始及结束阶段，供暖所需的用户负荷较小，太阳能辐射照度较好，蓄热水箱平均温度较高，系统可直接利用太阳能热水供暖，无需开启热泵机组；太阳能串联热泵供暖模式，当太阳辐射强度一般时，集热器的有效集热量有限，蓄热水箱中的热水直接与热泵蒸发器换热，提供高于地表水温度的低温热源；水源热泵单独供暖模式，热泵蒸发器提取的热量来自于低温热源；太阳能间接加热源侧水的热泵供暖模式，蓄热水箱流体经过热交换器将热量传递给低温热源，提升了低温热源进入热泵蒸发器的温度。太阳能辅助水源热泵供热系统运行模式开启条件如表1所示。

表1 太阳能辅助水源热泵供热系统运行模式开启条件

3 结语

太阳能辅助供暖技术分为被动式和主动式两种，被动式技术基于围护结构的优化设计，结构简单，但使用场合限制较大，主动式技术主要是利用太阳能集热技术辅助各类热泵，改善热泵工况，显著提高热泵性能。在目前研究的成果中，对各类系统模式的研究已经相当完备，但欠缺深入的系统控制与细节优化研究。