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寒冷地区太阳能炕采暖系统


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寒冷地区太阳能炕采暖系统
同济大学暖通空调及燃气研究所 竟峰 * 王婧 张旭
摘 要
针对我国东北地区农村采用炕采暖的传统生活 习 惯 ,

源和环境问题, 必须树立生态村镇的观点,

强调能源消费结构 的多样性和地域特色,重点发展可再生和低品位能源在村镇 建筑中的高效应用,集成和开发适宜不同气候特点的小城镇 节能技术和可再生能源利用技术。对于我国东北地区农村的 建筑, 冬季采暖是其主要耗能方式, 供热方式的优化是解决能 源消耗的重要组成部分。

设计了一种太阳能炕采暖系统。该系统充分体现了传统炕 采 暖 的 优 点, 将蓄热池与火炕相结合, 利用太阳能采暖低温水系统蓄热供暖, 夏季可以提供生活热水, 冬季可以同时供应热水和暖气。太阳炕下设 有烟气、 烟道, 综合利用炊事和补燃烟气余热, 达到节能的效果。

关键词

太阳能采暖

蓄热



2(31% 4567 8*1)$"- 2.0)*9 :(% ;(3< 5%*10 by Jing Feng* , Wang Jing and Zhang Xu

@

太阳能低温地板辐射采暖与炕采暖
低温地板辐射采暖系统,是近几年得到广泛应用的一种

新的建筑采暖方式。地板采暖的主要特点是供水温度低, 考虑

5=0)%1+)

According to the life style of using KANG for of east north China , a KANG heating

到人体的舒适性, 一般地板表面的温度都不宜过高, 长期停留 的区域不应高于 28 ! , 这就要求系统的供水温度不能太高, 所 由于太阳能能量 以地板采暖的供水温度要求不能超过 60 ![1]。 密度较低, 当使用集热器利用太阳能时为减少热损失, 增加能 量利用效率, 一般不宜将水温加热过高。 可见, 利用低品位太阳 能热可以与低温地板辐射采暖较好地结合。 在我国东北农村地区,利用火炕采暖是广大劳动人民智 慧的历史结晶,多年以来人们逐渐形成了以炕为中心的生活

heating in rural houses

which can incorporate the system with solar energy is designed , virtues of the traditional KANG, using lower temperature with storage for heating . water

The system can supply hot water for

daily life in summer and even for heating in winter at the same so the system time . Smoke channel is set below the solar KANG, can utilize the heat of the smoke and save the heating energy .

4*.>(%<0 Solar Heating ,Thermal Storage ,KANG

?

前言
随着中国农村经济的发展, 农村生活水平日益提高, 人们

方式。这种火炕采暖的方式充分利用了炉灶燃烧的余热, 并具 有成本低廉的特点。但随着社会的进步, 农民已不再满足使用 柴薪加热炕的方式, 若利用化石燃料进行加热, 不仅增加了开 支、 浪费了能源, 也造成了严重的环境污染。因此, 开发和利用 丰富、 广阔的太阳能, 对室内进行供暖, 不仅可以实现节约能 源、 降低污染的目的, 而且还可能实现供暖费用的降低[2], 具有 重要社会价值和经济效益。
在读博士研究生 * 竟峰, 1978 年 8 月生, 地址: 上海市

对优质能源的需求也日益增长。一些富裕起来的农民已不愿 意使用不方便的柴薪等自然能源, 中国有 8 亿农业人口, 按平 均每户 4 人, 共 2 亿户计, 按现在的城市能源供应和消费模式 来满足未来村镇的能源需求将是我国能源基础设施不能承受 的, 也是我国能源资源和环境所不能承受的。要解决村镇的能
基金项目: 国家 ABC 高科技计划资助项目 / 村镇水质安全保障技 术研究与示范 (项目编号 D??E55B?@?F?)

!!

#$%&’( )’*+,-+&*$ . ,$,’/0123%&$/ 环保与节能

在利用太阳能供热散热器采暖时,由于存在太阳辐射的 周期波动性和不确定性。为达到舒适的室内温度往往需要设 置蓄热池, 增设循环水泵, 利用水泵驱动室内散热器和蓄热池 间水的循环, 这样以来就会增加蓄热池的占地面积, 增加水泵 的电耗, 而且利用散热器散热时对水温的要求较高, 造成太阳 能供热效率的降低和供热时间的缩短。若考虑将炕采暖与太 阳能低温辐射地板采暖相结合则有明显的优势。

则自动将防冻水箱内蓄水输送至太阳能集热器。

"

系统工作原理
该太阳能炕采暖系统工作方式有太阳能采暖、蓄热池采

暖、 补燃炉补燃、 冬季供热水和夏季供热水等。 下文对系统工作 原理分供暖季节采暖供热水和非供暖季节供热水两种情况分 别进行说明:

3.1

供暖季节工作原理 供暖季节, 系统可以同时供暖和提供生活热水。炊事和补

!

系统设计
为充分利用太阳能供热的特点并考虑到东北地区农村的

烟气流经烟道时加热太阳能炕 燃烟气通过非保温烟道 5 排出, 蓄热池, 充分利用烟气余热。 阀 7、 17 仅分别在太阳能炕加水和 排水时开启, 阀 13 、 15 、 18 在整个采暖季节始终处于关闭状态, 阀 2、 阀 9 仅在提供生活热水时开启。 8 则始终处于开启状态,

生活习惯, 利用现有火炕节能的特点, 笔者设计了一套太阳能 炕供热系统。该系统由太阳能集热器, 循环水泵, 太阳能炕, 补 燃炉等组成, 夏季提供生活热水, 冬季同时供暖。 系统原理示意 图如图 1 所示: 太阳能炕利用我国传统火炕的特点, 将太阳能蓄热池与火炕 相结合, 蓄热池不进行保温处理, 利用其自然散热为房间供暖, 从 而减少了供热设备, 利用传统火炕的炕下空间作为蓄热池还减少 了蓄热池对建筑面积的占用。蓄热池下设有烟道, 其中烟道 6 面 积较小并进行保温处理, 夏季不需要供暖时, 炊事和燃烧炉烟气 充分 通过该烟道排出, 防止炕过热。 冬季烟气则通过烟道 5 排出, 利用烟气余热, 减少补燃热量需求。 防冻水箱设于室内, 夜间水泵 停止工作, 利用管道的压力平衡, 太阳能集热器的水自然返回防 冻水箱, 防止太阳能集热器在严寒天气情况下冻坏, 也减少了集 热器夜间热传导和天空背景辐射造成的能量损失, 白天开启水泵

3.1.1

白天太阳能采暖: 白天日照充分时, 利用太阳能集热器

集热。此时阀 14 关闭, 阀 11 开启, 循环泵运行, 防冻水箱蓄水 在循环泵作用下经太阳能炕充入太阳能集热器,吸收太阳能 热量, 循环水经太阳能集热器加热后经防冻水箱、 补燃炉进入 太阳能炕。当太阳能集热器热量不能满足需求时可开启补燃 炉加热循环水, 补充热量需求;

3.1.2

夜间蓄热采暖: 循环水泵停止运行, 集热器中水全部经

太阳能炕自动返回防冻水箱, 从而防止集热器夜间冻坏, 并减 少了集热器夜间热传导和天空背景辐射热损失。当蓄热热量 较少, 不足以满足供热需求时, 开 启 阀 14 , 关 闭 阀 11 , 运行补 燃炉和循环水泵对循环水加热,当水温达到要求时停止循环 阀 14 的开启, 循环水在 泵和补燃炉。由于此时阀 11 的关闭, 室内进行循环, 从而减少了热损失;

3.1.3

阴雨天气太阳能集热器无法提供热量, 由补燃炉供热,

按补燃炉加热方式运行;

3.1.4

提供生活热水:无论系统是在白天太阳能采暖工作状

态还是夜间蓄热采暖工作状态开启阀 9 即可提供生活热水, 定压补水箱自动补水。当水温不能满足要求时, 则需要开启补
1- 太阳能集热器;2 、 8、 9、 11 、 13 、 14 、 15 、 18- 截至阀; 3- 循环水泵; 4- 太阳能炕; 5-
非保温烟道; 6- 保温烟道; 7- 排水阀; 10- 补燃炉; 12- 防冻水箱; 16- 定压补水箱;

燃炉加热, 蓄热采暖工况下还需同时开启循环水泵。

17- 排气阀

3.2

非供暖季节工作原理 非供暖季节时, 系统仅提供生活热水。此时烟气通过保温

图1

太阳能炕系统原理示意图

!"

环保与节能 #$%&’( )’*+,-+&*$ . ,$,’/0123%&$/

烟道 6 排出, 防止炕过热。 在整个非采暖季节阀 2 、 8、 11 、 14 始 终处于关闭状态, 阀 13 、 系统在自来水 18 始终处于开启状态, 管网压力下工作, 太阳能集热器上部设有集水箱, 蓄存热水。 打 水 开阀 9 即可提供生活热水。当水温过低时开启补燃炉补燃, 温过高时通过调节阀 15 开度调节水温。

则蓄热池体积为 1.57m 3, 寒冷 9.12kW? h 。若温度变化为 5 ", 地区传统火炕下有足够的空间作为蓄热水池。

"

结论
对于我国寒冷地区农村建筑,冬季采暖是能耗的主要部

分。利用太阳能低温辐射采暖具有能量效率高, 可以降低常规 能源消耗的特点。而我国北方地区长期采用炕采暖不仅具有 高效低廉的优势,而且成为了人们生活方式的有机组成部分。 作者综合了太阳能低温辐射地板采暖和传统火炕采暖的特 点, 将两者有机结合, 提出了一种新型的 “ 太 阳 能 炕 ”采 暖 方 式, 以炕下空间作为蓄热水池, 减少了蓄热水池的空间占用和 二次循环水泵的能耗, 有效地利用炊事和补燃烟气余热。该系 统夏季可提供生活热水, 冬季同时供暖, 为我国寒冷地区农村 提供了一种可持续发展的供能方式。
供制 热冷

!

蓄热池体积计算
太 阳 能 集 热 器 的 面 积 计 算 众 多 文 献 均 有 介 绍 [1 ̄4], 作者在

此不再予以赘述, 此处仅对蓄热池体积的确定进行说明。太阳 能炕蓄热池的体积不宜过大,以防止系统惰性太大不能满足 调节要求, 同时也不宜过小, 否则就失去了蓄热的性能。 为方便 系统的使用,蓄热池体积的计算应保证夜间用户睡眠时段不 需进行补燃为准。根据能量平衡, 计算公式如下:

V=

Q !? c? !t

(责编: 马道春)

V- 蓄热池体积, m 3;
参考文献

Q- 夜间散热量, kJ ; ! !水密度, kg/m 3;
( kg? c- 水比热, 4.19kJ/ ");



齐政新, 李 岩. 太 阳 能 低 温 地 板 辐 射 采 暖 系 统 的 探 讨. 煤 气 与

热力, ( 5) 2003 , 22

2 3

杨建昆, 张旭. 采用太阳能加热系统的泳池设计. 节能, ( 2) 2004 唐汝宁 . 高寒地区百分百可再生能源住宅的可行性分析 . 太阳

" t- 蓄热池水温变化。
经计算,东北地区典型农村住宅设计日全天采暖负荷为 由于夜间炕的散热量较小, 假定夜间散热占日 54.72 kW? h [5 ], 采 暖 负 荷 的 1/3 , 室 内 设 有 两 炕 , 则 夜 间 每 炕 散 热 量 为

( 3) 能学报, 2002 , 23 ( 1) 4 周燕等.主动式太阳房的应用技术.建筑热能通风空调, 2003


京, 1994

赵 荣 义 等 编. 空 气 调 节. 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ( 第 三 版 ), 北

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
? 本刊时讯 ?

北京派捷散热器获 “质量诚信产品” 称号
(本 刊 讯 戴新能 报 道 ) 2005 年 有五家散热器企业的散热器获 “ 质量诚信 产品” 称号。至此, 北京派捷散热器连续两 年获得 “ 质量诚信产品” 荣誉称号。 “ 规范建材市场秩序,强化企业诚信 自律”活动 是 在 2004 年 北 京 市 质 量 技 术 监督局、 工商局、 工业促进局、 商务局等 9 个委办局对北京建材市场进行专项整顿 取得显著成效的基础上, 针对有关国 家 强 制性标准落实不到位、 非标超标劣质 建 材 继续冲击市场、质量诚信体系不 完 善 、 质 量监管制度不规范、商品标识不 健 全 、 营 销人员业务素质低等问题, 在北京市 建 材 生产企业、 市场流通企业、 装饰装修企业 中开展的一项自律活动。

“ 北京市规范建材市场秩序总结表 11 月, 彰大会”在北京市腾达大厦会议室隆重召 开,北京派捷散热器有限公司推出的新型 铸铁散热器、 铜铝复合散热器、 钢制散热器 等获得了由北京市规范建材市场秩序领导 小组颁发的 “ 质量诚信产品” 荣誉称号。 共

!"


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