[摘要] 第 1 章 绪论1 1 课题研究背景及目的意义当今全球经济迅速
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及目的意义
当今全球经济迅速发展，人口逐年增长，人类需要更多的能源来满足自身的需求。我国能源总量丰富、但人均不足，人均能源可采储量远远低于世界平均水平。我国常规能源人均拥有量远低于世界平均水平[1]，煤炭为世界平均水平的1/2，而石油、天然气仅为 1/15 左右。2000 年煤炭人均可采储量 90t，石油仅有 2.6t，天然气 1074m3，分别为世界平均水平的 55.4%、4.3%、11.1%。目前中国能源总体利用效率为 33%左右，比发达国家低 10%左右。我国煤炭资源相对比较丰富，但优质煤相对稀缺，且煤炭地理分配不平衡，已探明程度低。2008年煤炭探明储量1145亿t，占全球比例 13.9%，储产比为41；石油探明储量155亿桶，仅为全球总量的 1.2%，储产比为 11.1；天然气探明储量 2.46 万亿 m3，为全球的 1.3%，储产比为32.3。我国能源消费消耗总量已经占到世界总量的 17.7%，仅次于美国，煤炭的生产和消费均列世界第一位，另外，能源资源的地理分布不均、资源组合不合理、质量参差不齐等使我们面临的形势更加严峻。因此，如果不设法开发利用矿物能源的替代能源，人类将面临严重的能源危机，届时将制约着我国经济和社会的可持续发展。
当前我国能源开发利用造成的环境污染问题也愈发尖锐。在能源结构上，我国以煤炭为主，是世界上最大的煤炭消费国，而当今世界能源消费趋势以油和天然气为主。2012 年我国的各种能源消耗所占比例大体为煤 70.6%，石油 19.9%，天然气 5.6%，其他能源 3.9%。可见，不可再生的化石燃料占了很大比例，而煤的直接燃烧是我国空气污染的主要来源。目前，我国 SO2和CO2的排放量居世界第一位，由于能源利用和其他污染源排放大量的污染物，全国有 57%的城市颗粒物超标，有 48 个城市的 SO2浓度超过国家二级排放标准，有 82%的城市出现过酸雨。我国每年因环境污染造成的经济损失约占 GDP 的 10%左右，环境污染还严重危害了人们的身体健康，对生态环境和自然环境产生多种危害，因此我们要优化能源结构，开发利用太阳能等可再生资源。
1.2 国内外太阳能采暖研究现状
1.2.1 国外太阳能采暖研究现状
在日本，对主动式太阳房的研究应用水平处于世界先进行列。1974年日本通产省制定“阳光计划”，并按照此计划建设了多幢太阳能采暖、空调建筑，如矢崎实验太阳房等数幢典型太阳能采暖试验建筑。近几十年的发展，日本现已普遍利用太阳能建设太阳能建筑，最为特色的是中央图书馆，其以建筑一体化的理念，利用太阳能实现了供暖与空调制冷的目标。
在建筑节能理念中，光伏技术以及光热利用发挥着关键性的作用，包括建筑物的太阳能采暖设计、太阳能空调系统、太阳能低温热水等方面。由 Charles A.Beattie 主编的《太阳能能量技术：基础和应用》系列丛书，分析了太阳能热利用的实施技术，其中对建筑能源基础动力学等方面也做了介绍，结合集中式以及分布式收集系统，聚焦系统基础，详细介绍了集热器材料、储能设备、太阳能建筑等方面内容。
近几年来，太阳能建筑发展迅速，在一些发达国家已经建有相当成功的“零能房屋”，即完全由太阳能热利用技术提供建筑物所需的全部能耗，真正做到了清洁、零污染，它代表了太阳能建筑在新世纪的发展趋势。德国、美国也都制定了世纪太阳能在国家总能源消耗中所占比例应超过的 20%的计划，这极大推动了零能耗太阳能采暖技术的发展。总之，在国外，太阳能的利用技术已经进入比较成熟的阶段，并有较多的关于太阳能建筑的文献和着作较为详细的介绍了太阳能在建筑上的利用。
第 2 章 太阳能采暖系统的设计
2.1 长春地区太阳能资源分析及气象参数
本课题所搭建的实验台所在地长春市位于北纬 43°54′、东经 125°13′，年太阳辐射量在 4200~5400MJ/m2，年日照时数 2200~3000h，根据月平均太阳辐射值可知采暖期总辐射量为 1689MJ/m2，大约占全年总辐射量的 30%以上，经理论分析，在长春地区利用太阳能采暖有着充分的可行性，该地区采暖气象参数如下所示。
室外参数如下：
年平均温度4.9℃，冬季采暖室外计算温度-23℃，冬季最低日平均温度-29.8℃，冬季日照率66%；
日平均温度≤+5℃（+8℃）的采暖期天数 174d（192d），日平均温度≤+5℃（+8℃）期间内的平均温度-8.0℃（-6.6℃），日平均温度≤+5℃（+8℃）的起止日期10.22~4.13（10.11~4.20）；
极端最低温度-36.5℃，极端最低温度平均值-30.2℃，冬季大气压力 99.4kPa， 冬季室外最多风向平均风速 5.1m/s，冬季室外平均风速 4.2m/s。
室内参数如下：
太阳能供暖室内计算温度 16℃。
2.2 太阳能采暖系统设计
主动式太阳能采暖系统是利用太阳能加热工质，通过工质循环将获得热量送至房间供暖的装置。太阳能采暖系统主要是由太阳能集热系统、蓄热系统、采暖末端、辅助热源、自动控制系统和管路系统及附件等构成。采暖系统收集太阳能的多少和热效率的高低不仅与集热器集热效率有着直接的关系，还与系统的结构形式、控制方式和保温措施等很多因素有着密切的关系。
2.2.1 太阳能集热系统的设计
在太阳能热利用中，如何高效的将太阳辐射能转换成热能是关键，因此集热器是太阳能采暖的关键部件，对采暖系统的热水产量、效率和使用寿命有着直接的影响，其性能和造价也在一定程度上决定了太阳能采暖系统的使用和推广。选择集热器类型时应根据当地气候条件、安装条件和采暖热水温度等综合考虑，在保证太阳能采暖系统高效、安全可靠运行的前提下，应使所选太阳能集热器的性价比最优。
（1）太阳能集热器种类及特点
目前，在我国常见的太阳能集热器主要有两种，平板型集热器和真空管型集热器，其中，真空管型又可分为热管真空管型、全玻璃真空管型和 U型管真空管型集热器。
平板型太阳能集热器：平板型太阳能集热器是由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。它具有成本低、集热快、耐压能力高、抗机械冲击性能好等优点，在中低温工况下热效率高，易于布置、安装方便、造价适中，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑相结合。尽管平板集热器的保温性能没有真空管好，但其有效采光面积大，因此其热效率仍高于真空管集热器。目前，国内太阳能热水系统中真空管集热器占多数，但太阳能采暖系统集热器使用情况与之不同。据调查统计，已建太阳能采暖工程目前使用最多的主要是平板型太阳能集热器。在调查的33个项目中，70%的采暖项目采用平板型集热器，21%的采暖项目采用真空管集热器，9%的项目采用热管真空管集热器；从安装集热器的面积计算，平板集热器的数量约占到目前安装总量的 68.23%。
全玻璃真空管式太阳能集热器：全玻璃真空管式太阳能集热器是以平板型集热器为基础发展而来的一种太阳能集热装置。集热器内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空，内玻璃管的外表面涂有选择性涂层，用来有效吸收太阳辐射加热管内的水，内玻璃管内的水吸热温度升高后依靠自然对流进入保温水箱。它采用真空技术消除了气体的对流和传导热损失，内玻璃管使用选择性涂层大大降低真空管的辐射热损。这样，真空管集热器就既可以在中高温下条件下运行，也能在寒冷地区的冬季及天气与日照多变的地区运行，扩大了应用领域。但由于玻璃管内传热介质是水，在冬季真空管容易冻裂、易结水垢，降低了集热效率，若在运行过程中有一只管破损，整个系统就要停止工作，该集热器的造价较低。
第3章 太阳能采暖控制系统的设计 ................. 15
3.1 太阳能采暖控制系统总体方案 ................ 15
3.2 室温模糊控制方法的研究 ..................... 17
第4章 太阳能采暖系统实验研究 ............ 28
4.1 实验系统及装置 ............ 28
4.2 实验目的与内容 ......................... 30
第 4 章 太阳能采暖系统实验研究
4.1 实验系统及装置
本实验根据以上章节设计的太阳能采暖实验系统如下：系统形式为间接式强制循环；集热器选用了 40m2的平板型太阳能集热器，串并联连接，传热介质为防冻液；蓄热系统为短期蓄热，选用了 4 m3的方形保温水箱，水箱的水经过热交换器与集热器中的传热介质进行换热；采暖末端采用低温地板辐射采暖，在房间内铺设 3 路地盘管；辅助热源选用了 5kW 的辅助电加热器，管道外包保温材料，自动控制采用了温差循环与定温变频控制的方式。经过一段时间的安装与调试，实验系统运行良好，实验现场装置如图 4-1至图 4-4所示：
本文通过太阳能采暖系统的实验来测试系统的运行情况及采暖效果的好坏，太阳能采暖实验系统在采暖期间连续运行了一段时间，期间有晴天、阴天、雨雪天等天气变化，为了研究采暖系统的性能，需测试在不同天气下系统集热量、供热量的多少以及室内温度的变化，在一天中各时段房间供热量、集热器集热量、采暖房间与非采暖房间室内温度对比、室外温度的变化，测试不利天气下辅助电加热启动时的耗电量及此时采暖效果。测试参数有热量表测量的采暖系统流量、供回水温度、供热量，温度传感器测得的采暖房间与非采暖房间室内温度、室外温度，同时根据泵与辅助热源的启停及室温变化情况来观察控制系统控制效果。
结论
本文主要进行了在北方寒冷地区太阳能采暖系统以及采暖自动控制系统的研究。通过计算与分析进行了太阳能采暖及控制系统各个组成的选型与设计；根据设计的采暖实验方案搭建试验台并进行实验；通过对实验数据进行整理，分析了太阳能采暖系统进行可行性及控制效果，得出以下结论：
（1）经实验研究，在长春地区运行太阳能采暖系统，实验房间比非采暖房间平均温差可高达到 4℃。表明在寒冷地区利用太阳能采暖有着可行性，自动控制与显示系统很好地保证了太阳能采暖系统安全稳定运行。
（2）控制系统以PLC 为主控制器，可靠性高；太阳能采暖集热系统温差循环，供热系统采用模糊控制技术进行变频调节流量，在保证室温稳定在设定值附近的同时又节约了能源；自动控制系统还利用组态软件实现了对现场设备的现场与远程监控，可实时监控系统运行状态，也可以远程对系统运行参数进行修改与设置，存储历史数据并可打印报表。
（3）自动控制与显示方法可应用于太阳能热水系统、集中供热系统等，大大提供了系统运行效率，保证了采暖系统的节能与优化。
在这里，本课题还有一些地方希望在后续的工作中将内容改进、完善：供暖侧循环泵控制可根据室温控制，也可以根据室内、外温度等综合考虑进行变频控制；由于太阳能的不确定性，供水温度也不确定，但有个最低供水温度，若设计采暖系统水箱能保持一定的供水温度，在保证供暖的稳定性的同时也提高了系统运行效率。
参考文献（略）
