CN101520236A - 太阳能地面集热系统 - Google Patents

Abstract

太阳能地面集热系统，涉及一种利用太阳能辐射热量解决北方村镇单体住宅冬季夜间部分热负荷的供热系统，在结构上包括：地面层、热的良导体、保温层、空气层、风机、空气集热器、空气层进风口、空气层出风口、地面层支撑结构和隔板。整个太阳能地面集热系统的各部件均采用当今常用的建筑材料，集热器制作工艺以及地面蓄热系统施工工艺简单，造价低廉，主要服务于北方村镇单体坡屋顶建筑，利用太阳能解决冬季夜间部分热负荷，减少耗煤量的同时减少对环境的污染。

Description

太阳能地面集热系统

技术领域

本发明涉及一种利用地面蓄积太阳能辐射热量并向室内散热的供热系统，它属于太阳能利用领域。

背景技术

在如今能源和污染日趋紧张的今天，开发可再生清洁能源是替代传统不可再生能源的重要方面。我国北方大部分地区属于被动太阳能利用的I、II和III类地区，这些地带太阳能充沛，气候寒冷，在冬季使用太阳能对房间供热对整栋建筑节能起到不可小视的作用([3]ChrisC.S.Lau，Joseph C.Lam，Liu Yang，Climate classification and passive solar designimplications in China，Energy Conversion & Management，2007：2006～2015)。

常用太阳热利用有两种方式——主动式和被动式。主动式太阳能利用系统指安装常规能源驱动的系统，如水泵、风机及相关辅助热源等。被动式与主动式相对而言，指的通过建筑朝向和周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理以及建筑材料和结构的恰当选择，使其在冬季能集取、蓄存和分配太阳热能的一种建筑([1]李元哲，被动式太阳房热工设计手册，清华大学出版社，1993：1)。现在常用的被动太阳能热利用主要有三中形式：直接受益窗、空气集热墙和附加阳光间。但是这三种利用方式有一个共同的特点——利用太阳能解决白天的一部分负荷，旨在提高冬季白天室内温度。但是建筑夜间负荷几乎全部依靠主动供暖方式来满足室内温度需求。如果能够把白天的太阳能蓄积起来用于夜晚的供热，则将有效降低夜晚的不可再生能源(如煤、电等)的耗能量。这就需要太阳能在利用时间上有所转移，即在太阳能热利用系统中存在一定的蓄热材料蓄积白天的热量。常用的主动式太阳能热水地面辐射系统有一定蓄热的作用，其蓄热材料采用水，另外还可以利用相变材料作为地面蓄热介质。但是这两种方式蓄热方式都存在一定的缺陷。太阳能热水地面辐射系统价格昂贵，对一般经济水平的中小村镇居民来说不具有推广潜力；相变储能材料还处于研究发展阶段，其中有很多没有解决的问题，至今还没有大规模应用到实际生活中([2]王娟，曹祥，相变储能材料的研究进展，广东化工，6(35)，2008：75～77)。因此，如果能实现一种符合现有技术水平与中小村镇居民经济水平的太阳能集热蓄热系统，将有利用我国北方村镇单体建筑的节能减排。

发明内容

本发明的主要目的是解决北方村镇单体住宅夜间部分供暖负荷的问题。

本发明技术方案如下：

一种太阳能地面集热系统，其特征在于：所述的太阳能地面集热系统包括太阳能集热系统和地面蓄热系统，所述的地面蓄热系统自上而下依次包括地面层2，热的良导体3，空气层5和保温层4；在所述的空气层内设有地面层支撑结构12和隔板13；所述的太阳能集热系统包括空气集热器7，风机6，空气层进风口8和空气层出风口9，所述的空气集热器7放置在单体建筑1南向的室外地面；空气集热器7的出风口与风机6的进风口相连，风机6的出风口与空气层进风口8相连，空气层出风口9与空气集热器7的进风口相连，且它们的连接方式均采用软管连接；所述的隔板13位于所述的空气层进风口8和空气层出风口9之间。

本发明所述的空气层5的厚度在120～200mm之间；热的良导体3紧贴地面层2，且热的良导体3的厚度在0.18～1.00mm之间。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明主要服务于北方农村或者小城镇中的单体住宅，整个太阳能地面集热系统的各部件均采用当今常用的建筑材料，集热器制作工艺以及太阳能地面集热系统施工工艺简单，因此其造价低廉，每平米集热面积的造价仅在300元左右。除此之外，农户可以根据家庭经济水平选择相应的集热面积等相关费用，较为自由地控制初投资。对北京地区围护结构热特性良好的农宅来说，一般10m²的集热面积，初投资5000元左右就可以搭建一套该系统(大致相当于主动式太阳能集热水地面辐射采暖系统初投资的1/5)，并且该系统在一个供暖季可以解决20％左右的供热负荷。如果煤价每年上涨10％，则该系统的回收年限大约6年左右。与此同时，耗煤量的减少带动着环境的改善。通过调研得到，围护结构良好的农宅每年大概可以消耗1.5吨标煤用于供暖，如果在此基础上减少20％的耗煤量，就意味着每个供热季每一农户减少CO₂排放量1.2吨左右。因此，在今天节能减排的趋势下，该系统必将具有良好的应用前景。

附图说明

图1为太阳能地面集热系统结构图及与建筑结合示意图。

图2为太阳能地面集热系统轴测图。

图3为图2的A-A剖面图。

图中各部件表示：1-单体建筑；2-地面层；3-热的良导体；4-保温层；5-空气层；6-风机；7-空气集热器；8-空气层进风口；9-空气层出风口；10-进风；11-出风；12-地面层支撑结构；13-隔板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理、具体结构作进一步的说明。

所述的太阳能地面集热系统的运行原理为：白天通过集热面吸收太阳能辐射热量，地面下空气在集热器处被加热后通过热压自然循环或风机产生的机械动力输送到地板下方的地面层处，通过对流换热等形式将热量蓄存在地面层中，在夜晚将白天需存的热量通过辐射和对流的形式传递到室内，解决一部分夜间负荷，减少传统供暖能源(如煤、电等)提供的热量。

图1为太阳能地面集热系统结构图及与建筑结合示意图。本发明提供的太阳能地面集热系统，包括太阳能集热系统和地面蓄热系统，所述的地面蓄热系统自上而下依次包括地面层2，热的良导体3，空气层5和保温层4；在所述的空气层内设有地面层支撑结构12和隔板13(如图3所示)；所述的太阳能集热系统包括空气集热器7，风机6，空气层进风口8和空气层出风口9，所述的空气集热器7放置在单体建筑1南向的室外地面；空气集热器7的出风口与风机6的进风口相连，风机6的出风口与空气层进风口8相连，空气层出风口9与空气集热器7的进风口相连，且它们的连接方式均采用软管连接；所述的隔板13位于所述的空气层进风口8和空气层出风口9之间。本发明所述的空气层5的厚度在120～200mm之间；热的良导体3紧贴地面层2，且热的良导体3的厚度在0.18～1.00mm之间。

本发明的主要特点在于：采用空气层5中的空气作为热媒，阻力较小，因此风机6可以选择小扬程的风机，减少能耗；热的良导体3由于其本身的导热性能好，可以减少地面层2的温度不均匀程度，且热的良导体3与地面层2紧密相连，可以减少导热热阻，较为快速地将热量传递到地面层2中；地面层2采用普通的住宅地面材料，有一定的热惰性，可以将白天蓄积的热量在晚上通过对流和辐射的作用散发出来，改善室内夜晚热环境；在所述的空气层5中，空气层进风口8和空气层出风口9之间放置隔板13可以起到防止空气在地面层5中发生短路的现象，确保热空气与热的良导体3接触时间充分，进而保证换热充分；在除空气集热器7，风机6，地面层2，热的良导体3外，系统中其他部件均需要有保温层4覆盖，以减少非集热面的热损失，充分利用太阳能热量。

本发明主要服务于北方农村或者小城镇中的单体住宅，整个太阳能地面集热系统的各部件均采用当今常用的建筑材料，集热器制作工艺以及地面蓄热系统施工工艺简单，因此其造价低廉，每平米集热面积的造价仅在300元左右。除此之外，农户可以根据家庭经济水平选择合适的集热面积等相关费用，较为自由地控制初投资。对北京地区围护结构热特性良好的农宅来说，一般10m²的集热面积，初投资5000元左右就可以搭建一套该系统(大致相当于主动式太阳能集热水系统初投资的1/5)，并且该系统在一个供暖季可以解决20％左右的供热负荷。如果煤价每年上涨10％，则该系统的回收年限只需要大约6年。与此同时，耗煤量的减少带动着环境的改善。通过调研得到，围护结构良好的农宅每年大概可以消耗1.5吨标煤用于供暖，如果在此基础上减少20％的耗煤量，就意味着每个供热季每一农户减少CO₂排放量1.2吨左右。因此，在今天节能减排的趋势下，该系统必将具有良好的应用前景。

Claims (3)

1.一种太阳能地面集热系统，其特征在于：所述的太阳能地面集热系统包括太阳能集热系统和地面蓄热系统，所述的地面蓄热系统自上而下依次包括地面层(2)，热的良导体(3)，空气层(5)和保温层(4)；在所述的空气层内设有地面层支撑结构(12)和隔板(13)；所述的太阳能集热系统包括空气集热器(7)，风机(6)，空气层进风口(8)和空气层出风口(9)，所述的空气集热器(7)放置在单体建筑(1)南向的室外地面；空气集热器(7)的出风口与风机(6)的进风口相连，风机(6)的出风口与空气层进风口(8)相连，空气层出风口(9)与空气集热器(7)的进风口相连，且它们的连接方式均采用软管连接；所述的隔板(13)位于所述的空气层进风口(8)和空气层出风口(9)之间。

2.按照权利要求1所述的屋顶集热装置，其特征在于：所述的空气层(5)的厚度在120～200mm之间。

3.按照权利要求1所述的屋顶集热装置，其特征在于：所述的热的良导体(3)紧贴地面层(2)，且热的良导体(3)的厚度在0.18～1.00mm之间。

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