基于太阳能的室内采暖系统设计开题报告
2020-06-11 10:06
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
一、引言
资源在人类历史中发挥着决定性的作用，是推动人类社会发展最重要的助力之一。其中，能源是最为重要的资源之一，是人类社会存在和发展的物质前提。人类发展到今天，传统的化石燃料，如煤炭、石油等，一直是人类发展最主要的动力。根据BP2016世界能源统计数据，石油仍然是全球最重要的燃料，占全球能源消费的32.9%，煤炭在一次能源中的占比29.2%，而天然气在全球能源消耗中占比23.8%[1]。综合看来，传统能源在当今社会的发展中占据不可代替的地位。化石能源的使用不断推动着人类社会的进步，人类文明不断取得辉煌成果。但是，由于人类对于能源的过度开发使用，不但造成资源的严重浪费，还对自然环境造成了不可磨没的破坏。近年来，北方冬季持续雾霾、北京沙尘暴、草原耕地退化就是人类过度开发资源，滥用资源最好的佐证。
中国作为发展中大国，近来经济增长速度很快，对于能源的需求也随之急剧增长。《中国能源报告2016》[2]指出，我国能源消费总量43亿吨标煤，比上年增长0.9%，达到1998年来最低增速。过于粗放的发展方式对环境造成严重影响，寻求可持续发展方式迫在眉睫。发展是量的增加，更是质的提升。2016政府工作报告[3]明确要求，今年二氧化碳，氮氧化合物排量分别下降3%，重点地区细颗粒物（PM2.5）浓度持续下降。加强煤炭清洁高效利用，减少散煤使用，推进以电代煤、以气代煤。增加天然气供应，完善风能、太阳能、生物质能等开发扶持政策，大力发展节能环保产业，提高清洁能源比重。不可否认的是，太阳能是新能源开发中十分重要的能源形式。太阳每年辐射到地球上能量相当于1813亿标煤，是全世界年需能量总和的5000倍[4]。然而，太阳能能量密度低，转换效率低。因此，如何高效利用太阳能是当今世界科技史上的一大难题。
太阳能建筑一体化是全球建筑发展的一个明显趋势。太阳能建筑不是太阳能与不同建筑的简单叠加，而是真正地让太阳能融入建筑，成为建筑的一部分。现代建筑十分注重绿色环保、环保、节能的理念，就是以推动建筑节约资源的市场化运作为建筑设计标准，以低能耗、低排放为目标进行房屋设计，重点是提高可再生能源的利用效率。采用节能型建造技术和设备材料，提高保温层隔热性能和采暖供热系统的节能效率都是当今节能建筑的主要研究及解决的对象。因而，本人将从如何设计太阳能室内采暖系统课题入手，探究如何提高太阳能的使用效率。
二、太阳能室内采暖系统的研究现状
2.1太阳能热利用及热储能方式
2.1.1太阳能的热利用
随着科技的发展，人们利用太阳能的方式也变得多元化。太阳能热水器、太阳灶、采暖、空调、光伏发电等越来越多地出现在我们的生活中。太阳能的热利用可以根据收集的太阳能温度划分为：集热温度低于200℃的低温应用，主要应用于太阳能热水器、农业干燥、太阳房和太阳能制冷系统等；集热温度在200-800℃为中温应用，多为太阳灶，工业预热，太阳能发电等；温度在800℃以上的高温可以用于高温太阳炉及太阳能热化学等应用中[5]。
在绿色环保建筑设计中，太阳能的热利用有着非常重要的地位：三大耗能用户中（包括建筑业、交通运输和工业）在发达国家建筑耗能已占总耗能的25%-40%。建筑业耗能中制冷、空调、采暖和热水约占75%[6]。在太阳能的不断发展进程中，特别值得一提的是：以色列学者Tabor[7]在上世纪50年代提出了光谱选择性表面吸收的概念，与此同时研究出选择性吸收涂层，这是一种具有对可见近红外光有着较高吸收率，对红外光区发射率低的特点的特殊涂层。该项技术对太阳能热利用进入现代发展阶段有着里程碑的重大意义。
2.1.2太阳能的热储能方式
能源利用有时间及空间上的限制，因此，为了合理及有效地利用资源，人们常常通过某些有效的手段将多余的能量储存起来。通常，我们将蓄热方式分为三类：显热蓄热、潜热蓄热及化学反应蓄热[8]。
显热蓄热是指，每种物质都有热容，在物质形态不变的情况下，伴随着温度升级，它会吸收或放出热量。理论上，任何物质都可以做蓄热体。但考虑到热容大小，一般是以土壤、水或岩石等热容较大的物质作为蓄热体。这种显热储热方式简单，易操作且成本低廉。缺点在于，储热体密度低，体积庞大，不能一次性释放热量且温度变化连续。
上海交通大学与法围萨瓦大学等研究机构进行了利用吸附势能实现跨季节蓄热的研究工作，初步的研究结果表明，此类蓄热方法降低了常规蓄热方法由于与环境存在温差造成的热量损失，能够实现长周期、高密度储存能量，蓄能密度可达到1000MJ/m3以上[9]。
张建固，陈永吕，林宏佐[10]利用天然沸石作为吸附剂，水作为吸附质自主建立了一套开式循环太阳能储热装置，其目的为了研究利用太阳能进行储热和供暖的可能性，通过在冬天同照情况下的实验、测鼍与计算，得出该太阳能储热装置的吸附热约为152.5kJ，脱附热为2126 kJ，总的热利用效率达到30%以上。
潜热蓄热是利用物质发生相变时吸收或放出热量的特性来储存能量，也被称为相变储能。从能量的角度来看，潜热蓄热的储存的能量应该多于显热，因而，要求较高的储热系统多用盐类作存热物质。常见的储热方式有：蒸汽蓄热、冰蓄热及相变材料蓄热等。
化学反应热储存是利用储能材料接触时发生可逆的化学反应来实现吸热和放热。能量的存储有如化学正反应吸热，热的释放又如逆反应放热；化学反应发生时即可以有催化剂，也可以没有催化剂，这些利用催化剂的反应主要包括气-相催化反应、气-固反应、气-液反应、液-液反应等。
2.2太阳能集热器
太阳能集热器是组成太阳能采暖系统的关键部件，是将太阳能转化为热能不可或缺的部件。因此，在设计系统时，选择何种类型的集热器以及采用面积多大的集热器对太阳能采暖系统的性能和效率都会产生决定性的影响。
常见的集热器有平板型集热器和真空管式集热器。
平板式集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热层及箱体组成。当集热板工作时，太阳辐射穿过透明盖板投射到吸热板上，吸热板将太阳能转化成热能并传递给板内工质，使工质温度升高，作为集热器有用能输出。平板式集热器技术是二次大战结束以后发展起来的，至今已经半个多世纪过去了。由于平板式集热器工作原理易懂，结构简单，易操作，因而如今，平板式集热器的发展已渐近平缓，虽然近几年人们的研究并未中断，但是对于新结构的设计并不多见。为解决传统太阳能热水系统的防冻问题，热管式太阳能热水器近年来受到了大量关注和研究。Bong等人是较早对热管平板型太阳能集热器进行研究的学者，他们对单块热管平板型太阳能集热器进行了相应的理论和实验研究[11]。
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箱体 |
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铜管 |
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透明盖板 |
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吸热板 |
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保温层 |
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图1：平板集热器 |
在中国，对于太阳能系统的设计主要以真空管式集热器为主。影响真空集热管效率的因素主要有安装倾角、管间距及表面灰尘等。事实上，每个月集热器的最优角都有所不同，按月调整可使集热器多接受3%-15%的辐射量[12]。而管距间阴影则使集热量减少8%，可以通过调节管间距来降低影响。表面灰尘会使集热管效率降低40%[13]，将集热管表面改性或镀一层透明的高分子薄膜 ，使其具有疏水除尘的自清洁功能，是解决途径之一。影响集热效率的最重要的因素是选择性吸收涂层，它是由吸收层和低发射率层组成的多层结构薄膜结构，在0.3-0.5micro;m光谱范围内对光的吸收能力强，在5-50micro;m范围内热辐射能力弱[14]。
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表1 选择性吸收涂层研究结果表 |
表中可以看出，通过控制选择性涂层元素种类、结构及厚度等可改善涂层性能，例如相较于Al/SS/SS.N涂层，Al/SS-AlN(H)/SS-AlN(L)/AlNk可在高温下工作，且吸收率和反射率有很大改善。
相较于平板式集热器，真空管式集热器似乎有着更为广阔的前景。未来，在保证集热管内真空环境的同时，选择性吸收涂层的制备应采用电化学或磁控溅射技术并结合纳米材料技术对涂层进行多层化、梯度化研究。此外，还应加快实现太阳能集热器的智能化、自动化以及与建筑一体化。
2.3太阳能采暖系统
在我国建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当大的比例，因此利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益。而室内太阳能采暖系统正好满足供热和节能的需要。
国外学者对太阳能采暖的研究比较早，早在20世纪50年代，美国麻省理工就已经成功举办了太阳能采暖的学术研讨会。我国太阳能在建筑中的应用开始于20世纪70年代末[16]，太阳能利用主要体现在太阳能热水器的的使用，太阳能热水器应用在我国是最广泛、发展最迅速的领域。我太阳能采暖技术起步较晚，目前仍处于起步阶段，大部分采暖还主要依靠常规能源。近年来，在我国政府的扶持下，太阳能采暖在建筑中的应用比较广泛。但由于太阳能采暖系统的集热面积要求比较大，安装条件不足，限制了太阳能采暖系统的应用。
目前，国内太阳能采暖系统分为两类：主动式和被动式。
2.3.1主动式太阳房
主动式采暖系统是一种独立的采暖系统系统。如图2[17]所示，集热器是循环系统的动力，集热器吸收太阳能并转化为热能推动循环。其运行方式与普通采暖系统无异，只是用太阳能集热系统代替普通锅炉，既能节约能源，也能保证室内温度稳定，舒适。但由于其设备较多，造价高，且需要的集热面积大，主动式采暖系统的应用收到限制。
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控制器 |
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冷水并路 |
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供热水管 |
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集热器 |
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图2 主动循环式热水系统 |
2.3.2被动式太阳房
与主动式太阳房不同，被动式太阳房主要是依靠建筑物本身进行采暖，通过建筑物的热容、质量、形状及方位等收集和储存太阳能，不需要消耗和配备其他动力就可以满足室内温度要求。从我国具体情况来看，被动式太阳房具有明显的优势和可行性。并且，我国的被动式太阳房在技术方面十分成熟，采暖效果非常理想，可以广泛地应用于我国广大农村及边远地区。
目前，常见的被动式太阳房有三种：直接受益、蓄热墙和附加日光间（分别如图3、4、5所示）[18]。目前，研究最为广泛的太阳能被动采暖系统是由法国科学家Trombe发明的Trombe墙系统，国内外众多学者对Trombe墙内的流动、传热以及热性能评价等方面做了大量研究[19]。
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保温材料 |
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蓄热体 |
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蓄热体 |
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图3 直接收益式 |
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图4 蓄热墙 |
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图5 附加日光间 |
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关闭风口 |
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蓄热墙 |
被动式太阳能采暖本系统具有设计简单，外观新颖，采光良好，利于通风等优点，加之此项技术在我国已经成熟，相信在不久的将来，被动式太阳能建筑一定能在建筑节能方面为我国的可持续发展事业作出应有的贡献。
三、太阳能采暖系统的实验研究现状
3.1主动式太阳能采暖系统
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图6 太阳能热水主动采暖系统操作系统图 |
Badeseua.V通过模拟也研究出了一套主动式太阳能热水采暖系统，设计应用于德国Pirmasens Passive House中，结果却发现热水系统与采暖系统级联方式的设计并不适用于太阳能采暖系统[21]。
江清阳[22]等人将我国农村的传统烧炕与太阳能热水系统相结合，建立了太阳能炕的理论模型，并进行了一系列的实验测试和验证，对太阳能炕蓄热特性以及人类在室内进行睡眠活动时的环境影响进行了分析。结果显示，无论炕是否加热，室内空气温度测量值与模拟值并无太大差异。而在炕加热时，室内温度会随之上升，当炕停止加热时，室温基本维持不变。可见，将太阳能热水系统与传统烧炕相结合后，炕的一部分热能储存于热水中，有需要时可释放能量，以维持室温。
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图7 左：炕加热阶段室内空气温度测量值与模拟值的对比 右:炕停止加热后室内空气温度测量值与模拟值的对比
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3.2被动式太阳能采暖系统
对直接收益式太阳能采暖系统的研究大都集中在上世纪八十年代，其中我国学者陆维德利用理论分析的方法，从建筑结构内表面颜色、地板蓄热厚度、南面窗的结构、有无保温帘以及窗墙面积比例等方向研究其对室内热环境的影响，最后给出了建筑在不同气候条件下的结构设计指导[23]。
刘景明从建筑热工的角度，采用稳态传热的方法，系统而简明地为我们推导和归纳了一整套被动式太阳房热工计算公式。该方案从太阳房日耗热量与人体散热量的能量平衡上设计系统，此外还通过一系列公式得出成本计算，形成了完整的设计方案[24]。
赵金玲,陈滨[25]等人利用位于大连理工大学校园内的被动式太阳房进行太阳房动态特性的研究。实验结果表明：蓄热墙对温度波动确实具有明显的衰减和延迟的作用，晴天时延迟时间约为6小时，基本可以实现夜间释放白天吸收的热量，既而维持夜间室内空气温度。根据实验结果还发现，空气循环所传递的热量是带有蓄热墙的被动式太阳房室内空气温度的最显著影响因素。因此，提高蓄热墙集热效率的关键是强化白天墙体间层间的自然对流。
四、研究目标和意义
4.1太阳能采暖系统存在的问题
尽管太阳能采暖技术几近成熟，但是仍然在实际应用中存在以下诸多问题：
1）设计资料不完善。由于太阳能采暖系统的设计并没有相应的设计手册及设计原则，因而设计师们只能根据实际情况进行设计，设计参数存在很大偏差[26]。
2）热量不平衡的问题是太阳能采暖系统最突出的问题之一[27]。由于夏季吸收热量远高于冬季，且夏季不用取暖导致热量过大，造成安全隐患。
3）对太阳能采暖系统夏季需要遮阴以防止热量过大，冬季则需要采取防冻措施，系统管理比较麻烦。
4.2发展太阳能采暖技术的措施
针对太阳能采暖系统存在的问题，工程师们根据自身工程实验不断完善其系统设计，提出众多解决措施。
孙思奇[28]提出要从建筑本身结构考虑其采暖系统的节能措施。他提出，要合理布置建筑面积、控制建筑体型系数和加强室内门窗及空气保温性能的方案，以达到提高系统采暖效率的目的。
周燕[29]等人通过实验发现集热器面积在150-160msup3;间基本可以满足白天所需热量，而剩余的热量可以通过蓄热系统暂时储存起来，留待夜晚使用。这就解决了热量过高带来的安全隐患。
太阳能采暖系统具有良好的社会效益和环境效益，其缺点在于投资成本高，投资回收周期长，因此，投资者对它并不感兴趣。所以，政府应该完善采暖系统的设计资料，创立研究室，增加工程投资以吸引投资者，从而推动太阳能采暖技术的发展。
4.3本课题的意义
本课题为：基于太阳能的室内采暖系统设计，主要通过某栋建筑冬季的采暖需求，设计一套太阳能热水系统以满足采暖系统的热能供给。在设计过程中，将综合考虑集热器种类及面积的选择、蓄热系统以及系统循环设计等方面，以寻求最佳设计方案，最大限度的实现零能耗供暖。此外，还将深入地探讨集热器的种类、采光面积以及倾角角度对采暖系统效率的影响，考虑不同季节下太阳能采暖系统的功用。
五、结语
随着环境问题的日益严重和经济发展走向更可持续的路径，我国政府开始以更积极和强力的姿态进入绿色建筑领域。同时在雾霾不断的今天，生活和办公场所是否健康、舒适、绿色、环保，是全社会的最为关注的话题。随着对环境保护的不断重视，越来越多的现代企业将”绿色建筑”作为办公和生产场所的重要标准[30]。
太阳能采暖是除太阳能热水器最有潜力的太阳能利用技术，也是今后最值得研究和推广的一项技术。结合建筑本身的特点，因地制宜地设计太阳能采暖系统是今后发展该项技术的重要方向，具有非常广阔的开发前景。
目前，太阳能采暖系统仍存在很多难以解决的问题，但从总体来说，太阳能采暖是未来采暖产业的发展方向。随着人类社会的发展，资源愈发紧缺，太阳能等新能源越来越走进人们的生活，因而，加快攻克摆在太阳能采暖系统面前的问题显得尤为重要。未来，政府仍需投入资金与人力，大力推广太阳能系统与建筑的结合，实现更加可持续发展的目标。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
课题：基于太阳能的室内采暖系统设计
拟采用的研究途径：
1.查阅有关于课题的20篇以上中文文献，5篇以上英文文献，并翻译其中1篇英文文献，撰写文献综述。
