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摘要：通过太阳能采暖与热水供应一体化系统在北方寒冷地区的实验,测试了一体化系统采暖及热水供应时,太阳能集热系统、采暖系统、辅助热源（炉灶，实验中用电加热器模拟）等部分的相关数据,并在实验中分别模拟村镇在早、中、晚使用炉灶时候对采暖系统的影响；在晴好天气太阳能对系统提供的热量；且对采暖房间与非采暖房间的室内温度进行了测试。通过实验数据分析了太阳能采暖与热水供应系统在北方寒冷地区使用应考虑的问题,并给出系统设计及运行过程中提高系统性能的有关建议,为有关设计提供依据。
关键词：太阳能;热水 ; 炉灶； 一体化Abstract:Through the experiment in the northern cold regions of the solar heating and hot water supply system, heating and hot water supply integration system testing, solar heating system, heating system, auxiliary heat source (stove, experiment with electric heater simulation) related data such as part of the experiment, and in the villages, were simulated in the early in the evening when, use range of heating system; solar system in good weather to provide heat; and the room and non-experiment room indoor temperatures were tested. Through the analysis of the experimental data of the solar heating and hot water supply system using the problems should be considered in the northern cold areas, relevant suggestions to improve system performance and gives the system design and operation process, provide the basis for the design of.
Keywords: solar energy; hot water stove; integration;
中图分类号：TK511 文献标识码：A
0绪
在我国北方寒冷地区的一些村镇室内温度很低，白天在保暖效果好的情况下基本维持在14左右℃[1]，而这个温度是通过火炕散热来满足的，火炕[2]的热量来源于一日三次生火做饭的余热，散热量多少与使用炉灶的时间长短而变化，因此室内温度极不稳定。室内环境得不到改善，随着村镇对太阳能的需求日益增加，除了提供生活热水外，在冬季可以作为采暖的热源之一向室内提供热量，进而改善或提高室内环境质量，是绿色环保能源的作用拓展和延伸。
目前在我国，对太阳能采暖研究较多，均以较大的集中供热为研究对象，而国内近几年也有对太阳能采暖技术进行研究的，大部分都是从太阳能获得热量后储存在热水箱蓄热再向室内供热的（属于间接换热），而本文是以北方村镇住宅的小型采暖系统（土暖气）和太阳能热水系统为研究对象，以太阳能直接供热和提供生活热水的一体化系统来进行技术研究。
一、实验研究系统
实验地点为长春，选择一栋6层新建楼房正南朝向的顶层，面积约为60m2，如图1所示，墙体属于节能建筑，窗墙比例为1:1。用此房间模拟北方村镇住宅，测试时间为最冷的12月份。太阳能热水器为1台200L的清华紫光热水器，集热面积为2m2。生活使用的炉灶采用电加热器模拟，电加热器的加热功率为2.5kW。微动力循环泵1台，功率为290W，实 验原理图如图2。
主要进行的实验内容是：模拟北方村镇住宅一日三餐生火做饭炉灶使用的时间向一体化系统提供的热量，炉灶使用模拟使用时间分别是早晨7:00-8:00；中午12:30-13:30；晚上6:00-7:00；连续测试22天。这期间室外温度、天气变化较大，期中晴好、阴雪天气、大雾天气分别在三个时间段占到监测天气的比例如下：
同时还实验的内容有： 被监测房间的起始温度变化以及相邻房间温度比较（图3）；模拟炉灶后散热器出入口温度变化；太阳能热水器出入口温度变化以及室外温度变化（图4）。
图3被测房间始、终温度与邻室温度变化
二、太阳能采暖与热水供应一体化的实验数据分析
实验测试了在模拟北方村镇住宅使用炉灶时候，一体化系统运行前、后对室内温度对比；太阳能在晴好天气时一体化系统运行对室内温度影响程度；并在实验中分别对采暖房间与非采暖房间的室内温度进行了测试。
在早晨使用炉灶时间为1小时（测试时间为7:00-8:00），在这个1小时使用时间内电加热的功率数量为2.5KW，相当于燃烧2Kg发热值为2500Kcal/kg的煤炭，实际使用中煤炭发热量有50%[3]被采暖的水系统吸收。即为：2*2500*1.163*0.5=2907.5W。这个值约等于模拟的电加热功率量。从模拟情况看，在室外温度变化很大情况下，只要原有室内温度波动不是很大的情况下，室外温度对室内影响很小，这基本原因是维护结构保温效果好，对室内保暖效果好，同时晴好天气室内得到阳光照耀充分。从运行模拟炉灶的时间内来看，室内温度有所上升，在监测的时间段内变化幅度平均值为1.1℃。早晨监测时间段内的室内平均基准值为21.6℃，相邻房间的平均值为25℃，早晨监测时间段内散热器释放热量平均值为Q=1070W。太阳能热水器此时是最低温度状态，是经过白天吸收热量，夜间降温后的温度数值，在模拟炉灶没有启动前即为太阳能降温后的数值。从图中可以看出，室外气温变化对太阳能热水器内温降影响很小，原因是太阳能保温效果好。当早晨模拟炉灶运行后，开始太阳能热水器内温度下降，随着模拟炉灶运行，温度逐渐上升，但不会超过原始温度。说明是模拟炉灶向一体化系统内提供的热量超过散热器散热量，平衡被打破，系统内温度有所上升，所以此时如果没有将太阳能和炉灶系统一体化，该部分热量就不会被储存起来，而是将多余的热量都释放到房间中，这样房间的环境温度波动很大，造成忽冷忽热现象，同时造成能量浪费。
中午运行太阳能采暖系统运行时间为1小时（测试时间为12:30-13:30），从图中监测的数据来看，室内温度提升平均幅度为0.88℃。散热器释放到室内的热量平均值为1138W，比早晨略高些。原因是晴好天气，太阳能吸热效果好，使得系统内水温升高，散热器进出口平均温度提高，与早晨（30.8℃）相比提高0.93℃，然而房间温度提升幅度没有早晨高的原因是平均基准值高，相比早晨来看，白天室内温度受室外天气影响较大，室内温度偏高，中午室内平均基准值为23.1℃，比早晨高1.5℃。在模拟炉灶运行时候不断向系统提供热量，而此时散热器也向外散热，当提供的大于输出的，多余的热量储存在太阳能热水器中，保证了系统的温度波動较小。
晚间在监测时间段内室内温度平均变化0.94℃，室内温度平均基准值为22.5℃，晚间测试的时间为6:30-7:30，冬季室外在16:00点左右就没有阳光，此时可以看出，晚间的室内温升幅度比中午高，比早晨低，是因为室内温度基准值比中午要低，比早晨的高些，同时还可知道，下午整个系统受室外阳光影响，系统温度略有升高，这是单纯自然循环采暖系统无法保证的。
三、结论
通过上述三个时间段模拟炉灶各运行1小时来看，室外温度在短时间对室内影响没有显现出来，早晨运行1小时后，太陽能内温度略有下降，随着模拟炉灶运行，对系统释放热量，因为室外没有阳光，太阳能不能集热，室内有热量消耗，因此，整个系统的失去热量大于得到热量，太阳能在监测的时间范围内，太阳能集热器中的温度比散热入口温度低近3℃。室内温度升高平均1.1℃。
然而中午在运行后，由于个别时间段室外是晴好天气，太阳能集热器中温度比早晨的高了许多。因此，平均温度比早晨高3.7℃。因此，模拟炉灶工作时候向室内释放相同的热量时，系统整体温度会有所变化，散热器进口温度相应高些。比早晨平均高2.8℃左右。
此时模拟炉灶运行时候，系统得到热量大于失去的热量，再加上室外温度要比造成高，只要是有阳光，室内得到的热量也比早晨多，室内散热器向室内释放的热量较少。因此，太阳能集热器中的平均温度比早晨高很多，这样系统整体温度高对于采暖系统有利，在室内温度变化时候，能及时向室内提供热量。
晚上太阳能集热器内水温和散热进口温度相差不大，散热器进口温度平均比太阳能集热器的温度高0.3℃，说明晚间太阳能（16:00太阳能不能集热了）集热能力降低很快。室内散热比较快。模拟炉灶工作时向系统提供热量与系统失去热量基本保持均衡。此时系统如果释放热水，对系统影响比较大。平均会引起1℃温度变化，此时室内温度又有所降低，炉灶使用时间需要延长，即为保证室内温度需要需要启动加热系统对一体化系统提供热量。
对于太阳能采暖与热水供应一体化系统中的热水使用，应在保证系统整体温度波动最小为原则。整个系统的容水量是这样的，散热器容水量为25L，管道和模拟炉灶容水量为125L，太阳能能容水量为150L，系统总的容水量为300L，早晨释放热水通常为10L左右，占到系统总水量3.3%，作为洗漱用水，水温补充10L，水温波动不到1度（约0.5℃），对系统内影响很小。建议在中午可以使用洗浴用热水，太阳能能及时将热量补充上来，这样对一体化系统稳定运行进而保证室内温度需求是非常必要的。
参考文献
张思思，董重成，王陆廷.我国村镇住宅采暖负荷指标计算分析[D],中国建筑科学院.2009
【2】王凯钟.寒冷地区农村住宅太阳能采暖技术利用，硕士论文，天津大学建筑学院，2010
【3】孙瑞君.东北农村住宅能耗调研及分析[D]，天津城市建设学院.2011
关键词：太阳能;热水 ; 炉灶； 一体化Abstract:Through the experiment in the northern cold regions of the solar heating and hot water supply system, heating and hot water supply integration system testing, solar heating system, heating system, auxiliary heat source (stove, experiment with electric heater simulation) related data such as part of the experiment, and in the villages, were simulated in the early in the evening when, use range of heating system; solar system in good weather to provide heat; and the room and non-experiment room indoor temperatures were tested. Through the analysis of the experimental data of the solar heating and hot water supply system using the problems should be considered in the northern cold areas, relevant suggestions to improve system performance and gives the system design and operation process, provide the basis for the design of.
Keywords: solar energy; hot water stove; integration;
中图分类号：TK511 文献标识码：A
0绪
在我国北方寒冷地区的一些村镇室内温度很低，白天在保暖效果好的情况下基本维持在14左右℃[1]，而这个温度是通过火炕散热来满足的，火炕[2]的热量来源于一日三次生火做饭的余热，散热量多少与使用炉灶的时间长短而变化，因此室内温度极不稳定。室内环境得不到改善，随着村镇对太阳能的需求日益增加，除了提供生活热水外，在冬季可以作为采暖的热源之一向室内提供热量，进而改善或提高室内环境质量，是绿色环保能源的作用拓展和延伸。
目前在我国，对太阳能采暖研究较多，均以较大的集中供热为研究对象，而国内近几年也有对太阳能采暖技术进行研究的，大部分都是从太阳能获得热量后储存在热水箱蓄热再向室内供热的（属于间接换热），而本文是以北方村镇住宅的小型采暖系统（土暖气）和太阳能热水系统为研究对象，以太阳能直接供热和提供生活热水的一体化系统来进行技术研究。
一、实验研究系统
实验地点为长春，选择一栋6层新建楼房正南朝向的顶层，面积约为60m2，如图1所示，墙体属于节能建筑，窗墙比例为1:1。用此房间模拟北方村镇住宅，测试时间为最冷的12月份。太阳能热水器为1台200L的清华紫光热水器，集热面积为2m2。生活使用的炉灶采用电加热器模拟，电加热器的加热功率为2.5kW。微动力循环泵1台，功率为290W，实 验原理图如图2。
主要进行的实验内容是：模拟北方村镇住宅一日三餐生火做饭炉灶使用的时间向一体化系统提供的热量，炉灶使用模拟使用时间分别是早晨7:00-8:00；中午12:30-13:30；晚上6:00-7:00；连续测试22天。这期间室外温度、天气变化较大，期中晴好、阴雪天气、大雾天气分别在三个时间段占到监测天气的比例如下：
同时还实验的内容有： 被监测房间的起始温度变化以及相邻房间温度比较（图3）；模拟炉灶后散热器出入口温度变化；太阳能热水器出入口温度变化以及室外温度变化（图4）。
图3被测房间始、终温度与邻室温度变化
二、太阳能采暖与热水供应一体化的实验数据分析
实验测试了在模拟北方村镇住宅使用炉灶时候，一体化系统运行前、后对室内温度对比；太阳能在晴好天气时一体化系统运行对室内温度影响程度；并在实验中分别对采暖房间与非采暖房间的室内温度进行了测试。
在早晨使用炉灶时间为1小时（测试时间为7:00-8:00），在这个1小时使用时间内电加热的功率数量为2.5KW，相当于燃烧2Kg发热值为2500Kcal/kg的煤炭，实际使用中煤炭发热量有50%[3]被采暖的水系统吸收。即为：2*2500*1.163*0.5=2907.5W。这个值约等于模拟的电加热功率量。从模拟情况看，在室外温度变化很大情况下，只要原有室内温度波动不是很大的情况下，室外温度对室内影响很小，这基本原因是维护结构保温效果好，对室内保暖效果好，同时晴好天气室内得到阳光照耀充分。从运行模拟炉灶的时间内来看，室内温度有所上升，在监测的时间段内变化幅度平均值为1.1℃。早晨监测时间段内的室内平均基准值为21.6℃，相邻房间的平均值为25℃，早晨监测时间段内散热器释放热量平均值为Q=1070W。太阳能热水器此时是最低温度状态，是经过白天吸收热量，夜间降温后的温度数值，在模拟炉灶没有启动前即为太阳能降温后的数值。从图中可以看出，室外气温变化对太阳能热水器内温降影响很小，原因是太阳能保温效果好。当早晨模拟炉灶运行后，开始太阳能热水器内温度下降，随着模拟炉灶运行，温度逐渐上升，但不会超过原始温度。说明是模拟炉灶向一体化系统内提供的热量超过散热器散热量，平衡被打破，系统内温度有所上升，所以此时如果没有将太阳能和炉灶系统一体化，该部分热量就不会被储存起来，而是将多余的热量都释放到房间中，这样房间的环境温度波动很大，造成忽冷忽热现象，同时造成能量浪费。
中午运行太阳能采暖系统运行时间为1小时（测试时间为12:30-13:30），从图中监测的数据来看，室内温度提升平均幅度为0.88℃。散热器释放到室内的热量平均值为1138W，比早晨略高些。原因是晴好天气，太阳能吸热效果好，使得系统内水温升高，散热器进出口平均温度提高，与早晨（30.8℃）相比提高0.93℃，然而房间温度提升幅度没有早晨高的原因是平均基准值高，相比早晨来看，白天室内温度受室外天气影响较大，室内温度偏高，中午室内平均基准值为23.1℃，比早晨高1.5℃。在模拟炉灶运行时候不断向系统提供热量，而此时散热器也向外散热，当提供的大于输出的，多余的热量储存在太阳能热水器中，保证了系统的温度波動较小。
晚间在监测时间段内室内温度平均变化0.94℃，室内温度平均基准值为22.5℃，晚间测试的时间为6:30-7:30，冬季室外在16:00点左右就没有阳光，此时可以看出，晚间的室内温升幅度比中午高，比早晨低，是因为室内温度基准值比中午要低，比早晨的高些，同时还可知道，下午整个系统受室外阳光影响，系统温度略有升高，这是单纯自然循环采暖系统无法保证的。
三、结论
通过上述三个时间段模拟炉灶各运行1小时来看，室外温度在短时间对室内影响没有显现出来，早晨运行1小时后，太陽能内温度略有下降，随着模拟炉灶运行，对系统释放热量，因为室外没有阳光，太阳能不能集热，室内有热量消耗，因此，整个系统的失去热量大于得到热量，太阳能在监测的时间范围内，太阳能集热器中的温度比散热入口温度低近3℃。室内温度升高平均1.1℃。
然而中午在运行后，由于个别时间段室外是晴好天气，太阳能集热器中温度比早晨的高了许多。因此，平均温度比早晨高3.7℃。因此，模拟炉灶工作时候向室内释放相同的热量时，系统整体温度会有所变化，散热器进口温度相应高些。比早晨平均高2.8℃左右。
此时模拟炉灶运行时候，系统得到热量大于失去的热量，再加上室外温度要比造成高，只要是有阳光，室内得到的热量也比早晨多，室内散热器向室内释放的热量较少。因此，太阳能集热器中的平均温度比早晨高很多，这样系统整体温度高对于采暖系统有利，在室内温度变化时候，能及时向室内提供热量。
晚上太阳能集热器内水温和散热进口温度相差不大，散热器进口温度平均比太阳能集热器的温度高0.3℃，说明晚间太阳能（16:00太阳能不能集热了）集热能力降低很快。室内散热比较快。模拟炉灶工作时向系统提供热量与系统失去热量基本保持均衡。此时系统如果释放热水，对系统影响比较大。平均会引起1℃温度变化，此时室内温度又有所降低，炉灶使用时间需要延长，即为保证室内温度需要需要启动加热系统对一体化系统提供热量。
对于太阳能采暖与热水供应一体化系统中的热水使用，应在保证系统整体温度波动最小为原则。整个系统的容水量是这样的，散热器容水量为25L，管道和模拟炉灶容水量为125L，太阳能能容水量为150L，系统总的容水量为300L，早晨释放热水通常为10L左右，占到系统总水量3.3%，作为洗漱用水，水温补充10L，水温波动不到1度（约0.5℃），对系统内影响很小。建议在中午可以使用洗浴用热水，太阳能能及时将热量补充上来，这样对一体化系统稳定运行进而保证室内温度需求是非常必要的。
参考文献
张思思，董重成，王陆廷.我国村镇住宅采暖负荷指标计算分析[D],中国建筑科学院.2009
【2】王凯钟.寒冷地区农村住宅太阳能采暖技术利用，硕士论文，天津大学建筑学院，2010
【3】孙瑞君.东北农村住宅能耗调研及分析[D]，天津城市建设学院.2011