主动式太阳能供暖技术发展现状与典型应用

主动式太阳能供暖技术发展现状与典型应用

阚德民;高留花;刘良旭

【摘 要】太阳能供暖技术具有广阔的发展前景,对我国当前太阳能供暖技术的发展

和应用现状进行总结,查找与国际发展的差距,有助于我国进一步推动太阳能供暖技

术的发展与应用,缩短与先进国家的差距.从主动式太阳能供暖系统的关键构成—集

热方式、辅助热源和蓄热装置等方面进行研究现状的总结,给出了主动式太阳能供

暖技术在我国应用的典型案例;基于此,分析了我国主动式太阳能供暖技术未来的发

展趋势.

【期刊名称】《应用能源技术》

【年(卷),期】2016(000)007

【总页数】7页(P43-49)

【关键词】太阳能供暖;蓄热装置;跨季节供暖;主动式太阳能

【作 者】阚德民;高留花;刘良旭

【作者单位】唐山华烨热力可再生能源有限公司,河北唐山063000;中低温热能高

效利用教育部重点实验室(天津大学),天津300350;中低温热能高效利用教育部重点

实验室(天津大学),天津300350

【正文语种】中 文

【中图分类】TU832;TK51

每年到达地球表面上的太阳辐射总量约为6×1017kWh，相当于全球总能耗的数

百万倍。我国各地太阳年辐射总量为3 340～8 400 MJ/m2，国土面积的2/3以

上年日照在2 200 h以上[1]。在能源和环境危机愈演愈烈的今天，开发利用太阳

能资源近年来已逐渐为人们所重视，若能充分利用太阳能，80%的建筑能耗都可

由太阳能提供。太阳能供热是应用最为广泛和成熟的太阳能利用技术，据估计，

2010年底全球有5 300万太阳能供热系统在运行，其中，85%的系统用于单个家

庭的生活热水供应，15%用于大型热水供应，另外，5%则用于生活热水、供暖和

其他应用[2]。目前太阳能供暖技术还处于市场初期阶段[3]，所占份额较少，但是

其具有巨大的发展潜力，市场前景广阔。据IEA(2012)预测，太阳能热水和供暖的

年均增速将在7%左右，到2050年，太阳能供热在用于供应低温热量的能源消耗

中的份额将达到17%，其中太阳能热水在生活热水供应中所占比例将达到25%，

在供暖中所占比例也将达到7%[4]。

我国太阳能供暖尤其是具有跨季节蓄热的大型系统还处于起步阶段。根据国家统计

局2013年的数据，17省市自治区的集中供暖面积是51.8亿m2，年耗能量为

29.4亿GJ[5]，若能提高太阳能供暖比例，将可节约大量化石能源，缓解因冬季供

暖而加剧的北方雾霾天气现象。为了推动太阳能供暖的发展，我国政府提出了一系

列的政策来推动太阳能供暖技术的发展与应用[6]，开展了一系列的示范工程建设。

文中从系统的关键构成部分出发，对我国主动式太阳能供暖技术的发展与应用现状

进行了总结，介绍了部分典型示范工程，在此基础上对未来的发展趋势进行了简要

探讨。

根据是否需要外部驱动力，可将太阳能供暖系统分为主动式和被动式两大类。被动

式太阳能供暖系统，一般又称被动式太阳房，是通过建筑朝向和周围环境的合理布

置，以及建筑材料和结构的恰当选择，内部空间和外部形体的处理等，使得建筑物

在冬季能够充分吸收和贮存太阳辐射能，从而实现建筑采暖。主动式太阳能供暖系

统是由太阳能集热器、管道、风机或泵、储热装置、室内散热末端等组成的强制循

环太阳能供热系统，它将传热工质(水或空气)通过太阳能集热器输送到蓄热器或待

供暖房间内。系统一般设有辅助热源装置，以保证供暖效果。就这两种太阳能供暖

系统而言，被动式太阳能供暖系统主要利用温室效应的原理，其结构简单、造价廉

价、易于运行维护和管理，但是随太阳能辐射的变化，集换热效率比较低，供暖空

间内热量变化波动大，供暖质量较差；主动式太阳能供暖系统集换热效率较高，系

统热量变化波动小，保温效果好，能够保证供暖空间内的舒适度和环境质量，供暖

效果可媲美传统供暖系统，但投资大，系统比较复杂，运行管理困难。随着科技的

进步和供暖舒适性要求的提升，主动式太阳能供暖受到了广泛关注[7-9]。主动式

太阳能供暖系统按照热媒种类，可分为空气式和热水式；按照太阳能利用方式，可

分为直接式和间接式；按照供能目的，可分为仅供暖系统和供暖供热水复合式系统；

按照蓄热方式，可分为显热蓄热式、潜热蓄热式和化学蓄热式；按照蓄热时间，可

分为短期蓄热式和跨季节蓄热式。

太阳能供暖系统的关键部件包括太阳能集热器、辅助热源和蓄热装置。文中就这三

个关键部分，分别对我国主动式太阳能供暖技术的研究现状进行概述。

2.1 集热方式

太阳能集热器是太阳能供暖系统的核心部件。不同太阳能集热器的工作温度范围和

应用如图1所示[4]。由图可见，在太阳能供暖系统中采用的集热器主要是经过改

进的平板集热器、真空管集热器和复合抛物面(CPC)集热器。综合考虑集热器保温

性能和安全可靠性，集热器和供暖末端的组合形式各不相同，富雪峰[10]给出了集

热器和供暖末端的理想组合方式。我国太阳能供暖中利用最多的是平板集热器和真

空管集热器。为了解决平板太阳能集热器热损大、难防冻、效率低以及真空管集热

器易爆管等难题，研究者提出采用槽式太阳能集热器来实现冬季供暖并开展了实际

应用研究[11-14]。

目前对主动式太阳能供暖系统中集热器的研究主要集中在：集热器与建筑一体化设

计，以实现建筑供暖的同时保证建筑美观；集热器改进，以提高效率和集热温度；

系统集热器面积的优化；集热器最佳安放倾角等[15-18]。邓杰等[19]在清华大学

农村能源与环境科学实验室的一栋办公楼中构建了幕墙式太阳能供暖系统，并实测

了集热系统的集热效率。Yang等[20]将太阳能集热器与屋顶结合构建了太阳能辅

助热泵系统，并应用于天津一幢别墅采暖。侯宏娟跃等[21]通过分析，得出聚光型

集热器损主要发生在聚光和吸热体的吸热过程，为集热器的结构改进提供了参考依

据。Shen等[22]设计和制作了一种新的紧凑型太阳能集热立面系统，该集热器名

义集热效率可达63.21%。罗成龙[23]设计了与建筑一体化太阳能双效集热器模块。

Ma等[24]通过实验测试了L型翅片双流道太阳能空气集热器的性能，指出在不同

的环境条件和流量下，该集热器空气加热模式下效率可达41%～55%。通过实施

“十一五”国家科技支撑计划课题“太阳能在建筑中规模化应用的关键技术研究”，

研制成功了集热温度150 ℃下集热器效率达到50%的中高温高效太阳能集热器

[25]。于戈等[26]以年费用最低为优化目前，寻求太阳能集热器和电加热联合供暖

系统所需太阳能集热器面积及辅助热源的容量。王岳人等[27]针对太阳能集热器布

置在南墙的主动式太阳能供暖系统，计算了集热器布置率和蓄热水箱容积对系统太

阳能保证率的影响，指出在满足建筑条件限制的情况下，应尽量增大集热器布置率。

崔俊奎和陈文婷[28]采用动态模拟方法分析了全年运行工况下，北京地区平板集热

器的最佳倾角及方位角。

2.2 辅助热源

由于太阳辐射具有间歇、不稳定性，一定时期内的供暖需求又具有连续性和稳定性

的特点，为了保证太阳能供暖系统的稳定和可靠性，满足供暖舒适性的要求，必须

设置辅助热源。当前太阳能供暖系统的辅助热源形式主要有电加热器、燃油锅炉、

天然气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、城市热网、工业余热、热泵等，近年来太阳

能供暖辅助热源更多的是采用地源热泵，对太阳能地源热泵联合供暖系统的实验和

理论研究层出不穷[29-39]。辅助热源的设置应综合考虑当地的太阳能资源条件、

常规能源供应状况、供暖负荷等，在经济性(初投资、费用年值等)、系统性能和节

能性分析的基础上，进行辅助热源的优选，并合理设计系统太阳能保证率。沈晓真

等[40]采用综合能源价格法对太阳能低温热水地板采暖系统进行了辅助热源的优选。

以郑州市能源价格为基准，计算得到天然气、电加热器、集中供热和热泵四种辅助

热源中，集中供热和热泵作为辅助热源符合能质匹配原则，是较好的辅助热源形式。

于国清和周继瑞[41]以燃气锅炉单独供暖为基准，计算分析了辅助热源(电加热、

燃油燃气锅炉和热泵等)和太阳能贡献率对太阳能供暖系统节能性的影响，指出电

加热辅助系统只有在太阳能贡献率高于65.4%时才节能；对于热泵辅助系统，只

要供暖期热泵平均COP大于2.5及太阳能贡献率大于7%或热泵平均COP大于等

于3.0，系统即节能。赵忠超等[42]针对宁波某公用建筑的太阳能-地源热泵复合系

统开展了太阳能辅助地源热泵(SAGSHP)供暖和地源热泵(GSHP)供暖实验研究，

研究结果表明与GSHP供暖相比，采用SAGSHP供暖，在太阳能承担负荷比例为

41.9%时，热泵机组COP可提高15.1%，整个系统的COP可提高7.7%，节能效

果显著。敖永安等[43]以沈阳市某71.52 m2的典型房间为例，通过软件计算分析

了太阳能与外网联合地板辐射供暖系统的经济性，指出从居民收入水平考虑，该方

案因初投资较低，比较适宜采用。

2.3 蓄热装置

太阳辐射的周期性和不稳定性使得太阳能与供暖需求出现了时间上的不匹配性，为

了解决此问题，充分发掘太阳能资源潜力，太阳能供暖系统中常常需要配置蓄热装

置。按照蓄热时间长短，蓄热装置有短期蓄热和长期蓄热之分；按照蓄热机理，蓄

热装置有显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热之分。对于短期蓄热，主要的蓄热方式有

蓄热水箱和相变蓄热；对于长期蓄热尤其是跨季节蓄热，较为常用的是显热蓄热装

置，主要是热水蓄热、地埋管蓄热、含水层蓄热以及砾石-水蓄热。

2.3.1 短期蓄热

短期蓄热水箱是太阳能供暖系统的常规配置，其研究主要集中在水箱的配置体积、

水箱温度分层控制等[45]。刘艳峰和王登甲给出了太阳能采暖系统所需蓄热水箱容

积计算式，分析了拉萨、银川、西宁、西安四个地区不同蓄热温差下对蓄热水箱容

积的需求规律。通过实验和仿真研究指出，利用水箱温度分层控制可以提高太阳能

-水源热泵复合地板辐射采暖系统的COP。王岳人等[27]建议对于沈阳地区集热器

布置在南墙的太阳能供暖系统，蓄热水箱容积和集热面积比选定为23.5 L/m2。

利用多节点模型描述蓄热水箱温度分层，指出水箱温度分层可显著提高集热器效率。

王登甲和刘艳峰采用CFD软件研究了不同进出水管流速、供水管位置对水箱温度

分层的影响，给出了最佳进出水管流速和进水管位置。

相变蓄热材料蓄热密度大，相变过程中温度恒定，应用于太阳能供暖系统中，可以

降低蓄热体容积，保持系统的稳定运行。Dr. Maria. Telkesf对水合盐进行了长期

的研究，建立了世界上第一座相变蓄热被动式太阳房。搭建了全玻璃真空管太阳能

集热器-相变蓄热供暖系统实验和动态理论分析模型，分析了系统的最佳设计参数

和运行策略。通过系统动态运行模拟得出在设定计算条件下，寒冷地区耦合相变蓄

热的太阳能热泵系统设计热负荷为10 kW时，相变蓄热水箱中相变材料最佳质量

分数约为70%。对非直膨式太阳能热泵系统的FLUENT模拟和实验研究得出，增

加相变蓄热装置，可将太阳能供暖系统COP由2.32提高到6.18。针对乌鲁木齐

市某办公建筑的两个采暖房间，设计了太阳能相变蓄热地板辐射供暖系统，基于实

验数据提出了供暖系统的运行控制策略，该策略可使房间温度维持在22～26 ℃。

2.3.2 跨季节蓄热

在跨季节蓄热方面，研究主要集中在季节性蓄热水箱、地埋管蓄热方面，侧重于别

墅等小型建筑中的应用，多为理论分析和实验研究。以哈尔滨一幢两层别墅为例，

分析了水箱体积、集热器面积、水箱埋深、绝热层厚度对水箱中水温的影响，指出

存在使得系统效率最好的相对较经济的水箱体积。通过FLUENT软件研究了地下

储热水箱的换热性能，获得了水箱顶板热损失和总散热量的关系。王恩宇等为天津

市某郊区农村4户别墅式建筑构建了3种供热方案：太阳能蓄热一土壤源热泵联

合供热模式，土壤源热泵单机单供模式和土壤源热泵单机双供模式空调供热系统，

200多天的实验结果表明太阳能蓄热-土壤源热泵联合系统能效比最高。底冰等对

跨季节蓄热太阳能-地源热泵供暖系统进行了长达6个月的实验研究，供暖阶段系

统日均性能系数为2.15，系统可行，若进一步优化系统设计和运行控制，系统性

能还有提升空间。对一个太阳能跨季节蓄热耦合地源热泵系统性能进行了实验研究，

该系统由1 500 m2太阳能集热器，580个120m深的地下换热器构成。实验结

果表明系统和热泵的COP较不采用太阳能跨季节蓄热时虽仅分别提高3.4%和

2.4%，但它阻止了此前的系统COP下降趋势。Qi等[33]提出了具有跨季节相变

蓄热的太阳能热泵采暖系统，建立了系统的数学模型，分析得到蓄热箱中相变蓄热

材料的温度较跨季节水箱蓄热的水的温度低。研究了NH4Al(SO4)2·2H2O的传热

性能，指出可以以此作为太阳能跨季节蓄热相变材料。

我国政府于2006年启动了一系列可再生能源建筑应用示范推广项目建设，其中太

阳能供热采暖是一个重要示范推广方向，2006-2007年申报通过的212个项目中，

太阳能+热泵综合利用项目占25%[67]。目前，我国北京郊区农村太阳能供热采暖

建筑面积已经超过约300 000 m2，其中平谷区占据了65%。西部地区建设了拉

萨火车站、那曲物流中心、巴彦淖市乌拉特中旗住宅小区等太阳能供热采暖系统，

上海地区开展了一些太阳能综合供能系统示范建设。除了单体建筑和小规模建筑太

阳能供暖系统外，太阳能跨季节蓄热供暖系统也开始崭露头角。

3.1 北京郊区新农村太阳能供热采暖示范项目

北京市平谷区大华山镇挂甲峪太阳能供热采暖项目一期工程共有71户住宅安装了

太阳能供热系统。71户均是二层别墅小楼，按照北京市50%节能标准设计，各户

建筑面积90～210 m2，平板集热器面积14～60 m2，采用屋面嵌入式结构，复

合蓄热水箱体积0.3～1.5 m3，采暖末端采用低温地板辐射采暖系统，辅助热源为

生物质锅炉。对一幢安装24.21 m2平板集热器和1.5m3蓄热水箱的住宅的测试

表明，不采用辅助热源时，晴好天气下，房间温度在10～15 ℃之间，可以满足居

民对冬季房间热舒适性的要求，采暖季可节约标煤1.143 t[6,31]。

3.2 天津大学槽式集热器驱动氨吸收式热泵供暖

系统装设在天津大学第15教学楼，建筑面积5 380 m2，空调使用面积4 160

m2，冬季空调热负荷237 kW，采用风机盘管为供暖末端。槽式集热器三组并联，

每组长30 m，共安装集热面积225 m2，集热器工作流体为320导热油，辅助热

源为电导热油锅炉。系统由风冷热泵、槽式太阳能集热器、氨吸收式热泵组成，整

套系统均装设于屋顶。经模拟计算得到系统采暖季年太阳能保证率为30.5%[12]。

3.3 上海建筑科学研究院太阳能综合供能系统

上海市建筑科学研究院绿色建筑群包括一幢办公建筑和两幢居住建筑。办公建筑中

采用了太阳能综合供能系统：供暖、空调、通风和供热水；住宅建筑中则采用了太

阳能供热水系统。办公建筑面积460 m2，太阳能综合供能系统由真空管集热器、

吸附式制冷机、低温辐射地板加热管、翅片管式换热器、蓄热水箱、循环泵和冷却

塔构成，其中真空管集热器共150 m2：90 m2的带复合抛物面的U型真空管集

热器，安装在屋顶西侧；60 m2的热管真空管集热器，安装在屋顶的东侧。集热

器安装倾角40°，蓄热水箱体积2.5 m3。系统夏季供冷、冬季供暖。2004年9月

-2006年8月的运行数据表明，在上海的气候条件下，150 m2的真空管集热器即

可满足460 m2 办公建筑的供暖和空调用能需求。冬季典型工况下(日太阳辐射18

MJ/m2，平均环境温度1.98 ℃)，平均地板温度23.71 ℃，平均室内温度

17.10 ℃，可以满足室内热舒适需求。冬季系统太阳能保证率为56%，夏季为

75%，过渡季为68%，年太阳能保证率近70%[69]。3.4 内蒙古巴彦淖尔市跨季

节蓄热太阳能供热采暖示范工程

我国首个跨季节蓄热太阳能供热采暖工程—内蒙古巴彦淖尔市跨季节蓄热太阳能

供热采暖系统于2010年建成，设计为新龙城与嘉禾两个住宅小区1520户住户供

热。总建筑面积16 3000 m2，总供热采暖热负荷2 315 kW，设计集热器安装面

积11 994 m2，地下跨季节蓄热水池容积13 250 m3(其中一期工程集热器总面积

5000m2，地下跨季节蓄热水池容积3 500 m3)；集热器安装倾角45°，朝向方位

正南，设计太阳能保证率40%；预期年总太阳能有效得热量8 208 876 kWh，其

中，3 342 518 kWh为供热季得热量，539 367 kWh为水池蓄热量，4 326 992

kWh为其他季节的热水供热量。非供暖期储热结束后，水池中的最高水温可达

95 ℃[6,68]。

3.5 河北经贸大学北校区跨季节蓄热太阳能供热采暖工程

目前国内最大的太阳能储热采暖及热水综合示范项目—河北经贸大学北校区跨季

节蓄热太阳能供热采暖工程于2013年冬季投入使用。该系统用于解决这个校20

多栋宿舍楼的冬季供暖及3万多名师生的全年热水需求。项目安装横双排全玻璃

真空管69 000支，总集热面积1.16万m2；安装228个89 t的圆柱水箱，总蓄

热容积2万余t，其中2个用于洗浴热水，226个用于冬季供暖；采暖末端为翅片

式散热器。据测算，以系统运行寿命15年计，项目可减少2.7万t二氧化碳排放，

节电7 000万kWh，节约标准煤9 464 t。目前工程运行效果良好。

充分发掘太阳能潜力，满足能耗巨大的建筑部门的供热需求，将带来巨大的环境和

经济效益。2009年我国已发布国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》GB

50495-2009，2012年《太阳能供热采暖工程应用技术手册》业已出版发行，国

家一直在从政策和资金上对可再生能源建筑的发展予以大力支持，这些都为太阳能

供暖系统的应用提供了良好的基础。

但是目前主动式太阳能供暖技术在我国仍处于研究和示范阶段，规模化应用极其有

限，应用以小规模单体化建筑为主，太阳能区域供热才刚刚起步，与瑞典、德国、

荷兰、丹麦等跨季节蓄热太阳能区域供热系统发达国家相比，还存在着巨大的差距。

这与主动式太阳能供暖系统初投资大、集热器质量较差，设计经验不足等方面有很

大关系。未来还需要在集热器技术、结构和质量改进，与建筑一体化设计水平提升，

合理设计辅助热源，优化系统控制策略，提高太阳能保证率和系统的可靠稳定性，

降低系统投资等方面进一步开展相关的研究工作；总结前期示范工程经验教训，借

鉴国外太阳能区域供热系统设计经验，进一步拓展主动式太阳能供暖系统在我国的

应用。