第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景及目的意義
當今全球經濟迅速發展，人口逐年增長，人類需要更多的能源來滿足自身的需求。我國能源總量豐富、但人均不足，人均能源可采儲量遠遠低於世界平均水平。我國常規能源人均擁有量遠低於世界平均水平[1]，煤炭為世界平均水平的1/2，而石油、天然氣僅為 1/15 左右。2000 年煤炭人均可采儲量 90t，石油僅有 2.6t，天然氣 1074m3，分別為世界平均水平的 55.4%、4.3%、11.1%。目前中國能源總體利用效率為 33%左右，比已開發國家低 10%左右。我國煤炭資源相對比較豐富，但優質煤相對稀缺，且煤炭地理分配不平衡，已探明程度低。2008年煤炭探明儲量1145億t，占全球比例 13.9%，儲產比為41；石油探明儲量155億桶，僅為全球總量的 1.2%，儲產比為 11.1；天然氣探明儲量 2.46 萬億 m3，為全球的 1.3%，儲產比為32.3。我國能源消費消耗總量已經占到世界總量的 17.7%，僅次於美國，煤炭的生產和消費均列世界第一位，另外，能源資源的地理分布不均、資源組合不合理、質量參差不齊等使我們面臨的形勢更加嚴峻。因此，如果不設法開發利用礦物能源的替代能源，人類將面臨嚴重的能源危機，屆時將制約著我國經濟和社會的可持續發展。
當前我國能源開發利用造成的環境污染問題也愈發尖銳。在能源結構上，我國以煤炭為主，是世界上最大的煤炭消費國，而當今世界能源消費趨勢以油和天然氣為主。2012 年我國的各種能源消耗所占比例大體為煤 70.6%，石油 19.9%，天然氣 5.6%，其他能源 3.9%。可見，不可再生的化石燃料占了很大比例，而煤的直接燃燒是我國空氣污染的主要來源。目前，我國 SO2和CO2的排放量居世界第一位，由於能源利用和其他污染源排放大量的污染物，全國有 57%的城市顆粒物超標，有 48 個城市的 SO2濃度超過國家二級排放標準，有 82%的城市出現過酸雨。我國每年因環境污染造成的經濟損失約占 GDP 的 10%左右，環境污染還嚴重危害了人們的身體健康，對生態環境和自然環境產生多種危害，因此我們要優化能源結構，開發利用太陽能等可再生資源。
1.2 國內外太陽能採暖研究現狀
1.2.1 國外太陽能採暖研究現狀
在日本，對主動式太陽房的研究應用水平處於世界先進行列。1974年日本通產省制定“陽光計劃”，並按照此計劃建設了多幢太陽能採暖、空調建築，如矢崎實驗太陽房等數幢典型太陽能採暖試驗建築。近幾十年的發展，日本現已普遍利用太陽能建設太陽能建築，最為特色的是中央圖書館，其以建築一體化的理念，利用太陽能實現了供暖與空調製冷的目標。
在建築節能理念中，光伏技術以及光熱利用發揮著關鍵性的作用，包括建築物的太陽能採暖設計、太陽能空調系統、太陽能低溫熱水等方面。由 Charles A.Beattie 主編的《太陽能能量技術：基礎和應用》系列叢書，分析了太陽能熱利用的實施技術，其中對建築能源基礎動力學等方面也做了介紹，結合集中式以及分布式收集系統，聚焦系統基礎，詳細介紹了集熱器材料、儲能設備、太陽能建築等方面內容。
近幾年來，太陽能建築發展迅速，在一些已開發國家已經建有相當成功的“零能房屋”，即完全由太陽能熱利用技術提供建築物所需的全部能耗，真正做到了清潔、零污染，它代表了太陽能建築在新世紀的發展趨勢。德國、美國也都制定了世紀太陽能在國家總能源消耗中所占比例應超過的 20%的計劃，這極大推動了零能耗太陽能採暖技術的發展。總之，在國外，太陽能的利用技術已經進入比較成熟的階段，並有較多的關於太陽能建築的文獻和著作較為詳細的介紹了太陽能在建築上的利用。
第 2 章 太陽能採暖系統的設計
2.1 長春地區太陽能資源分析及氣象參數
本課題所搭建的實驗台所在地長春市位於北緯 43°54′、東經 125°13′，年太陽輻射量在 4200~5400MJ/m2，年日照時數 2200~3000h，根據月平均太陽輻射值可知採暖期總輻射量為 1689MJ/m2，大約占全年總輻射量的 30%以上，經理論分析，在長春地區利用太陽能採暖有著充分的可行性，該地區採暖氣象參數如下所示。
室外參數如下：
年平均溫度4.9℃，冬季採暖室外計算溫度-23℃，冬季最低日平均溫度-29.8℃，冬季日照率66%；
日平均溫度≤+5℃（+8℃）的採暖期天數 174d（192d），日平均溫度≤+5℃（+8℃）期間內的平均溫度-8.0℃（-6.6℃），日平均溫度≤+5℃（+8℃）的起止日期10.22~4.13（10.11~4.20）；
極端最低溫度-36.5℃，極端最低溫度平均值-30.2℃，冬季大氣壓力 99.4kPa， 冬季室外最多風向平均風速 5.1m/s，冬季室外平均風速 4.2m/s。
室內參數如下：
太陽能供暖室內計算溫度 16℃。
2.2 太陽能採暖系統設計
主動式太陽能採暖系統是利用太陽能加熱工質，通過工質循環將獲得熱量送至房間供暖的裝置。太陽能採暖系統主要是由太陽能集熱系統、蓄熱系統、採暖末端、輔助熱源、自動控制系統和管路系統及附件等構成。採暖系統收集太陽能的多少和熱效率的高低不僅與集熱器集熱效率有著直接的關係，還與系統的結構形式、控制方式和保溫措施等很多因素有著密切的關係。
2.2.1 太陽能集熱系統的設計
在太陽能熱利用中，如何高效的將太陽輻射能轉換成熱能是關鍵，因此集熱器是太陽能採暖的關鍵部件，對採暖系統的熱水產量、效率和使用壽命有著直接的影響，其性能和造價也在一定程度上決定了太陽能採暖系統的使用和推廣。選擇集熱器類型時應根據當地氣候條件、安裝條件和採暖熱水溫度等綜合考慮，在保證太陽能採暖系統高效、安全可靠運行的前提下，應使所選太陽能集熱器的性價比最優。
（1）太陽能集熱器種類及特點
目前，在我國常見的太陽能集熱器主要有兩種，平板型集熱器和真空管型集熱器，其中，真空管型又可分為熱管真空管型、全玻璃真空管型和 U型管真空管型集熱器。
平板型太陽能集熱器：平板型太陽能集熱器是由吸熱板芯、殼體、透明蓋板、保溫材料及有關零部件組成。它具有成本低、集熱快、耐壓能力高、抗機械衝擊性能好等優點，在中低溫工況下熱效率高，易於布置、安裝方便、造價適中，從整體外觀、結構強度、安裝運行等方面都非常適合與建築相結合。儘管平板集熱器的保溫性能沒有真空管好，但其有效採光面積大，因此其熱效率仍高於真空管集熱器。目前，國內太陽能熱水系統中真空管集熱器占多數，但太陽能採暖系統集熱器使用情況與之不同。據調查統計，已建太陽能採暖工程目前使用最多的主要是平板型太陽能集熱器。在調查的33個項目中，70%的採暖項目採用平板型集熱器，21%的採暖項目採用真空管集熱器，9%的項目採用熱管真空管集熱器；從安裝集熱器的面積計算，平板集熱器的數量約占到目前安裝總量的 68.23%。
全玻璃真空管式太陽能集熱器：全玻璃真空管式太陽能集熱器是以平板型集熱器為基礎發展而來的一種太陽能集熱裝置。集熱器內玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空，內玻璃管的外表面塗有選擇性塗層，用來有效吸收太陽輻射加熱管內的水，內玻璃管內的水吸熱溫度升高後依靠自然對流進入保溫水箱。它採用真空技術消除了氣體的對流和傳導熱損失，內玻璃管使用選擇性塗層大大降低真空管的輻射熱損。這樣，真空管集熱器就既可以在中高溫下條件下運行，也能在寒冷地區的冬季及天氣與日照多變的地區運行，擴大了應用領域。但由於玻璃管內傳熱介質是水，在冬季真空管容易凍裂、易結水垢，降低了集熱效率，若在運行過程中有一隻管破損，整個系統就要停止工作，該集熱器的造價較低。
第3章 太陽能採暖控制系統的設計 ................. 15
3.1 太陽能採暖控制系統總體方案 ................ 15
3.2 室溫模糊控制方法的研究 ..................... 17
第4章 太陽能採暖系統實驗研究 ............ 28
4.1 實驗系統及裝置 ............ 28
4.2 實驗目的與內容 ......................... 30
第 4 章 太陽能採暖系統實驗研究
4.1 實驗系統及裝置
本實驗根據以上章節設計的太陽能採暖實驗系統如下：系統形式為間接式強制循環；集熱器選用了 40m2的平板型太陽能集熱器，串並聯連接，傳熱介質為防凍液；蓄熱系統為短期蓄熱，選用了 4 m3的方形保溫水箱，水箱的水經過熱交換器與集熱器中的傳熱介質進行換熱；採暖末端採用低溫地板輻射採暖，在房間內鋪設 3 路地盤管；輔助熱源選用了 5kW 的輔助電加熱器，管道外包保溫材料，自動控制採用了溫差循環與定溫變頻控制的方式。經過一段時間的安裝與調試，實驗系統運行良好，實驗現場裝置如圖 4-1至圖 4-4所示：
本文通過太陽能採暖系統的實驗來測試系統的運行情況及採暖效果的好壞，太陽能採暖實驗系統在採暖期間連續運行了一段時間，期間有晴天、陰天、雨雪天等天氣變化，為了研究採暖系統的性能，需測試在不同天氣下系統集熱量、供熱量的多少以及室內溫度的變化，在一天中各時段房間供熱量、集熱器集熱量、採暖房間與非採暖房間室內溫度對比、室外溫度的變化，測試不利天氣下輔助電加熱啟動時的耗電量及此時採暖效果。測試參數有熱量表測量的採暖系統流量、供回水溫度、供熱量，溫度傳感器測得的採暖房間與非採暖房間室內溫度、室外溫度，同時根據泵與輔助熱源的啟停及室溫變化情況來觀察控制系統控制效果。
結論
本文主要進行了在北方寒冷地區太陽能採暖系統以及採暖自動控制系統的研究。通過計算與分析進行了太陽能採暖及控制系統各個組成的選型與設計；根據設計的採暖實驗方案搭建試驗台並進行實驗；通過對實驗數據進行整理，分析了太陽能採暖系統進行可行性及控制效果，得出以下結論：
（1）經實驗研究，在長春地區運行太陽能採暖系統，實驗房間比非採暖房間平均溫差可高達到 4℃。表明在寒冷地區利用太陽能採暖有著可行性，自動控制與顯示系統很好地保證了太陽能採暖系統安全穩定運行。
（2）控制系統以PLC 為主控制器，可靠性高；太陽能採暖集熱系統溫差循環，供熱系統採用模糊控制技術進行變頻調節流量，在保證室溫穩定在設定值附近的同時又節約了能源；自動控制系統還利用組態軟體實現了對現場設備的現場與遠程監控，可實時監控系統運行狀態，也可以遠程對系統運行參數進行修改與設置，存儲歷史數據並可列印報表。
（3）自動控制與顯示方法可應用於太陽能熱水系統、集中供熱系統等，大大提供了系統運行效率，保證了採暖系統的節能與優化。
在這裡，本課題還有一些地方希望在後續的工作中將內容改進、完善：供暖側循環泵控制可根據室溫控制，也可以根據室內、外溫度等綜合考慮進行變頻控制；由於太陽能的不確定性，供水溫度也不確定，但有個最低供水溫度，若設計採暖系統水箱能保持一定的供水溫度，在保證供暖的穩定性的同時也提高了系統運行效率。
參考文獻（略）
1.1 課題研究背景及目的意義
當今全球經濟迅速發展，人口逐年增長，人類需要更多的能源來滿足自身的需求。我國能源總量豐富、但人均不足，人均能源可采儲量遠遠低於世界平均水平。我國常規能源人均擁有量遠低於世界平均水平[1]，煤炭為世界平均水平的1/2，而石油、天然氣僅為 1/15 左右。2000 年煤炭人均可采儲量 90t，石油僅有 2.6t，天然氣 1074m3，分別為世界平均水平的 55.4%、4.3%、11.1%。目前中國能源總體利用效率為 33%左右，比已開發國家低 10%左右。我國煤炭資源相對比較豐富，但優質煤相對稀缺，且煤炭地理分配不平衡，已探明程度低。2008年煤炭探明儲量1145億t，占全球比例 13.9%，儲產比為41；石油探明儲量155億桶，僅為全球總量的 1.2%，儲產比為 11.1；天然氣探明儲量 2.46 萬億 m3，為全球的 1.3%，儲產比為32.3。我國能源消費消耗總量已經占到世界總量的 17.7%，僅次於美國，煤炭的生產和消費均列世界第一位，另外，能源資源的地理分布不均、資源組合不合理、質量參差不齊等使我們面臨的形勢更加嚴峻。因此，如果不設法開發利用礦物能源的替代能源，人類將面臨嚴重的能源危機，屆時將制約著我國經濟和社會的可持續發展。
當前我國能源開發利用造成的環境污染問題也愈發尖銳。在能源結構上，我國以煤炭為主，是世界上最大的煤炭消費國，而當今世界能源消費趨勢以油和天然氣為主。2012 年我國的各種能源消耗所占比例大體為煤 70.6%，石油 19.9%，天然氣 5.6%，其他能源 3.9%。可見，不可再生的化石燃料占了很大比例，而煤的直接燃燒是我國空氣污染的主要來源。目前，我國 SO2和CO2的排放量居世界第一位，由於能源利用和其他污染源排放大量的污染物，全國有 57%的城市顆粒物超標，有 48 個城市的 SO2濃度超過國家二級排放標準，有 82%的城市出現過酸雨。我國每年因環境污染造成的經濟損失約占 GDP 的 10%左右，環境污染還嚴重危害了人們的身體健康，對生態環境和自然環境產生多種危害，因此我們要優化能源結構，開發利用太陽能等可再生資源。
1.2 國內外太陽能採暖研究現狀
1.2.1 國外太陽能採暖研究現狀
在日本，對主動式太陽房的研究應用水平處於世界先進行列。1974年日本通產省制定“陽光計劃”，並按照此計劃建設了多幢太陽能採暖、空調建築，如矢崎實驗太陽房等數幢典型太陽能採暖試驗建築。近幾十年的發展，日本現已普遍利用太陽能建設太陽能建築，最為特色的是中央圖書館，其以建築一體化的理念，利用太陽能實現了供暖與空調製冷的目標。
在建築節能理念中，光伏技術以及光熱利用發揮著關鍵性的作用，包括建築物的太陽能採暖設計、太陽能空調系統、太陽能低溫熱水等方面。由 Charles A.Beattie 主編的《太陽能能量技術：基礎和應用》系列叢書，分析了太陽能熱利用的實施技術，其中對建築能源基礎動力學等方面也做了介紹，結合集中式以及分布式收集系統，聚焦系統基礎，詳細介紹了集熱器材料、儲能設備、太陽能建築等方面內容。
近幾年來，太陽能建築發展迅速，在一些已開發國家已經建有相當成功的“零能房屋”，即完全由太陽能熱利用技術提供建築物所需的全部能耗，真正做到了清潔、零污染，它代表了太陽能建築在新世紀的發展趨勢。德國、美國也都制定了世紀太陽能在國家總能源消耗中所占比例應超過的 20%的計劃，這極大推動了零能耗太陽能採暖技術的發展。總之，在國外，太陽能的利用技術已經進入比較成熟的階段，並有較多的關於太陽能建築的文獻和著作較為詳細的介紹了太陽能在建築上的利用。
第 2 章 太陽能採暖系統的設計
2.1 長春地區太陽能資源分析及氣象參數
本課題所搭建的實驗台所在地長春市位於北緯 43°54′、東經 125°13′，年太陽輻射量在 4200~5400MJ/m2，年日照時數 2200~3000h，根據月平均太陽輻射值可知採暖期總輻射量為 1689MJ/m2，大約占全年總輻射量的 30%以上，經理論分析，在長春地區利用太陽能採暖有著充分的可行性，該地區採暖氣象參數如下所示。
室外參數如下：
年平均溫度4.9℃，冬季採暖室外計算溫度-23℃，冬季最低日平均溫度-29.8℃，冬季日照率66%；
日平均溫度≤+5℃（+8℃）的採暖期天數 174d（192d），日平均溫度≤+5℃（+8℃）期間內的平均溫度-8.0℃（-6.6℃），日平均溫度≤+5℃（+8℃）的起止日期10.22~4.13（10.11~4.20）；
極端最低溫度-36.5℃，極端最低溫度平均值-30.2℃，冬季大氣壓力 99.4kPa， 冬季室外最多風向平均風速 5.1m/s，冬季室外平均風速 4.2m/s。
室內參數如下：
太陽能供暖室內計算溫度 16℃。
2.2 太陽能採暖系統設計
主動式太陽能採暖系統是利用太陽能加熱工質，通過工質循環將獲得熱量送至房間供暖的裝置。太陽能採暖系統主要是由太陽能集熱系統、蓄熱系統、採暖末端、輔助熱源、自動控制系統和管路系統及附件等構成。採暖系統收集太陽能的多少和熱效率的高低不僅與集熱器集熱效率有著直接的關係，還與系統的結構形式、控制方式和保溫措施等很多因素有著密切的關係。
2.2.1 太陽能集熱系統的設計
在太陽能熱利用中，如何高效的將太陽輻射能轉換成熱能是關鍵，因此集熱器是太陽能採暖的關鍵部件，對採暖系統的熱水產量、效率和使用壽命有著直接的影響，其性能和造價也在一定程度上決定了太陽能採暖系統的使用和推廣。選擇集熱器類型時應根據當地氣候條件、安裝條件和採暖熱水溫度等綜合考慮，在保證太陽能採暖系統高效、安全可靠運行的前提下，應使所選太陽能集熱器的性價比最優。
（1）太陽能集熱器種類及特點
目前，在我國常見的太陽能集熱器主要有兩種，平板型集熱器和真空管型集熱器，其中，真空管型又可分為熱管真空管型、全玻璃真空管型和 U型管真空管型集熱器。
平板型太陽能集熱器：平板型太陽能集熱器是由吸熱板芯、殼體、透明蓋板、保溫材料及有關零部件組成。它具有成本低、集熱快、耐壓能力高、抗機械衝擊性能好等優點，在中低溫工況下熱效率高，易於布置、安裝方便、造價適中，從整體外觀、結構強度、安裝運行等方面都非常適合與建築相結合。儘管平板集熱器的保溫性能沒有真空管好，但其有效採光面積大，因此其熱效率仍高於真空管集熱器。目前，國內太陽能熱水系統中真空管集熱器占多數，但太陽能採暖系統集熱器使用情況與之不同。據調查統計，已建太陽能採暖工程目前使用最多的主要是平板型太陽能集熱器。在調查的33個項目中，70%的採暖項目採用平板型集熱器，21%的採暖項目採用真空管集熱器，9%的項目採用熱管真空管集熱器；從安裝集熱器的面積計算，平板集熱器的數量約占到目前安裝總量的 68.23%。
全玻璃真空管式太陽能集熱器：全玻璃真空管式太陽能集熱器是以平板型集熱器為基礎發展而來的一種太陽能集熱裝置。集熱器內玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空，內玻璃管的外表面塗有選擇性塗層，用來有效吸收太陽輻射加熱管內的水，內玻璃管內的水吸熱溫度升高後依靠自然對流進入保溫水箱。它採用真空技術消除了氣體的對流和傳導熱損失，內玻璃管使用選擇性塗層大大降低真空管的輻射熱損。這樣，真空管集熱器就既可以在中高溫下條件下運行，也能在寒冷地區的冬季及天氣與日照多變的地區運行，擴大了應用領域。但由於玻璃管內傳熱介質是水，在冬季真空管容易凍裂、易結水垢，降低了集熱效率，若在運行過程中有一隻管破損，整個系統就要停止工作，該集熱器的造價較低。
第3章 太陽能採暖控制系統的設計 ................. 15
3.1 太陽能採暖控制系統總體方案 ................ 15
3.2 室溫模糊控制方法的研究 ..................... 17
第4章 太陽能採暖系統實驗研究 ............ 28
4.1 實驗系統及裝置 ............ 28
4.2 實驗目的與內容 ......................... 30
第 4 章 太陽能採暖系統實驗研究
4.1 實驗系統及裝置
本實驗根據以上章節設計的太陽能採暖實驗系統如下：系統形式為間接式強制循環；集熱器選用了 40m2的平板型太陽能集熱器，串並聯連接，傳熱介質為防凍液；蓄熱系統為短期蓄熱，選用了 4 m3的方形保溫水箱，水箱的水經過熱交換器與集熱器中的傳熱介質進行換熱；採暖末端採用低溫地板輻射採暖，在房間內鋪設 3 路地盤管；輔助熱源選用了 5kW 的輔助電加熱器，管道外包保溫材料，自動控制採用了溫差循環與定溫變頻控制的方式。經過一段時間的安裝與調試，實驗系統運行良好，實驗現場裝置如圖 4-1至圖 4-4所示：
本文通過太陽能採暖系統的實驗來測試系統的運行情況及採暖效果的好壞，太陽能採暖實驗系統在採暖期間連續運行了一段時間，期間有晴天、陰天、雨雪天等天氣變化，為了研究採暖系統的性能，需測試在不同天氣下系統集熱量、供熱量的多少以及室內溫度的變化，在一天中各時段房間供熱量、集熱器集熱量、採暖房間與非採暖房間室內溫度對比、室外溫度的變化，測試不利天氣下輔助電加熱啟動時的耗電量及此時採暖效果。測試參數有熱量表測量的採暖系統流量、供回水溫度、供熱量，溫度傳感器測得的採暖房間與非採暖房間室內溫度、室外溫度，同時根據泵與輔助熱源的啟停及室溫變化情況來觀察控制系統控制效果。
結論
本文主要進行了在北方寒冷地區太陽能採暖系統以及採暖自動控制系統的研究。通過計算與分析進行了太陽能採暖及控制系統各個組成的選型與設計；根據設計的採暖實驗方案搭建試驗台並進行實驗；通過對實驗數據進行整理，分析了太陽能採暖系統進行可行性及控制效果，得出以下結論：
（1）經實驗研究，在長春地區運行太陽能採暖系統，實驗房間比非採暖房間平均溫差可高達到 4℃。表明在寒冷地區利用太陽能採暖有著可行性，自動控制與顯示系統很好地保證了太陽能採暖系統安全穩定運行。
（2）控制系統以PLC 為主控制器，可靠性高；太陽能採暖集熱系統溫差循環，供熱系統採用模糊控制技術進行變頻調節流量，在保證室溫穩定在設定值附近的同時又節約了能源；自動控制系統還利用組態軟體實現了對現場設備的現場與遠程監控，可實時監控系統運行狀態，也可以遠程對系統運行參數進行修改與設置，存儲歷史數據並可列印報表。
（3）自動控制與顯示方法可應用於太陽能熱水系統、集中供熱系統等，大大提供了系統運行效率，保證了採暖系統的節能與優化。
在這裡，本課題還有一些地方希望在後續的工作中將內容改進、完善：供暖側循環泵控制可根據室溫控制，也可以根據室內、外溫度等綜合考慮進行變頻控制；由於太陽能的不確定性，供水溫度也不確定，但有個最低供水溫度，若設計採暖系統水箱能保持一定的供水溫度，在保證供暖的穩定性的同時也提高了系統運行效率。
參考文獻（略）
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