引言太阳能是丰富、清洁、可广泛获取的可再生能源，是一种具有广泛推广前景的能源[1-3]。近年来，国内外对太阳能的研究利用越来越深入，包括太阳能光热利用、太阳能光伏发电等领域。利用太阳能实现建筑物供暖制冷也受到国内外许多学者的关注。张宇[4]等在呼和浩特地区搭建了太阳能毛细管网供暖系统，并对系统进行了理论和实验研究，结果表明在较为晴朗的天气下，系统典型日平均集热功率为7.12 kW、集热效率为50.5%。Yu[5]等以典型办公楼为例，分析太阳能加热系统建立了系统工作过程的数学模型，并利用该数学模型，对储热罐尺寸进行优化，确定了最佳的蓄水池容积与集热器场面积之比为0.11 m，为太阳能供暖系统的设计提供了参考。Li [6]等提出了一种集太阳能集热、毛细管网和相变储热于一体的新型农村住宅供暖系统，并利用Fluent软件进行了仿真分析，结果表明，该系统能使室内温度分布均匀，提供较好的热舒适性。罗继杰[7]等设计了一种槽式太阳能供暖方案，并通过工程实例分析测算该系统在寿命周期内可节约标准煤1 438.64 t，二氧化碳减排量3 829.67 t，具有较好的节能性和经济性。李鹏宇[8]等提出了零辅助热源主动式太阳能供暖系统，并通过理论计算和DesignBuilder数值模拟定量分析了系统的技术参数，结果表明全年85%以上时间可以完全满足供暖需求，节能率达到72%。长期以来，在我国北方地区冬季供暖以燃煤为主，其中的散烧煤取暖已成为我国北方地区冬季雾霾的主要原因之一。因此，引入太阳能供暖系统来代替散烧煤取暖，对于缓解我国北方，特别是京津冀地区冬季大气污染具有一定的积极意义。文中提出了一套槽式太阳能集热供暖制冷系统，以达到实验楼冬季供暖目的，并进行了实验测试。1供暖系统系统由太阳能集热系统、储热系统、循环泵和用户端组成，供暖系统示意图如图1所示。集热系统根据年太阳升起时间曲线自动启动和停止，并进行追日跟踪。系统启动后，低温导热油在导热油泵的带动下，流经槽式太阳能集热器变为高温导热油，再与储热水箱中的水进行换热，加热储热水箱中的水。当储热水箱水温达到预设值时，系统自动转为避光控制，减少集热量，保证系统安全稳定运行；当储热水箱温度低于设定值时恢复正常运行。储热水箱中被加热的水通过供暖循环泵输送到用户端，利用暖气片散热进行供暖。供暖系统主要设备参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F001图1槽式太阳能供暖制冷系统示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.T001表1供暖系统主要设备参数设备名称规格型号数量/台太阳能槽式集热器外型尺寸6 800 mm×2 550 mm×2 250 m，集热效率≥65%，跟踪精度＜0.1°。11蓄热水箱外形尺寸3 m×2 m×2 m，可储存85 ℃的高温水10 t，储热量1 044 MJ。1板式换热器换热面积10 m2，油侧进口温度110 ℃～250 ℃。油侧出口温度100 ℃～240 ℃，水侧进口温度70 ℃，水出口温度80 ℃。1本系统位于山西能源学院综合实验楼顶，为实验楼4层实验室提供冬季供暖服务，供暖面积约900 m2。实验楼位于山西省晋中市，该地区拥有较为丰富的太阳能资源，年辐射量5 356 MJ/m2，在全国属于中上水平。采暖季5个月，冬季平均室外气温-2.6 ℃，最低气温-17.26 ℃。太阳能集热供暖系统采用槽式太阳能集热器，总集热面积168.3 m2，共11组集热器，分成两排，布置于实验楼顶层。储热系统为长3 m、高2 m、宽2 m的长方体储热水箱，常态下可储存85 ℃高温水10 t。控制系统包括自动追日系统，安全运行控制、动力集成控制和人机交互终端，可以实时监测系统运行各项参数，实现自动追光、避光，自动避风等功能。2系统运行数据分析2.1太阳能集热器集热性能分析槽式太阳能集热器是系统能量主要来源，为系统提供能量。集热功率是反映系统对太阳能的利用程度的重要指标。2021年1月18日集热器集热功率和进出口油温变化情况如图2所示。集热器从9：00开始正式工作，随着时间的延长，太阳辐射强度逐渐增加，集热器进出口油温逐渐升高，在13：00左右达到最大。此时集热器进口油温达到65 ℃，出口油温达到82 ℃，进出口温差达到最大，为17 ℃。随着太阳辐射强度逐渐减弱以及储热水箱温度达到设定温度，进出口温差逐渐减少，集热量逐渐降低。集热器集热功率随时间变化同样呈现先增加后降低的趋势。在11：00时达到最大值，38.7 kW。运行期间太阳能集热器集热量为654.5 MJ，可以为系统运行提供充足热量。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F002图2集热功率与进出口油温随时间变化情况2.2储热水箱温度分析储热水箱（3 m×2 m×2 m）位于系统设备间内，用碳钢焊接而成，外层贴合100 mm岩棉保温层。岩棉保温性能较好，导热系数约为0.045 W/(m·K)。水箱储热温度设定为60 ℃，达到储热温度后，系统控制集热器停止工作，停止蓄热。系统储热水箱内分层布置有热电偶，分别距离水箱底部0.5 m、1 m、1.5 m，可实时测量水箱温度。运行过程中连续30 d水箱内部各层平均温度如图3所示。由图3可知，储热水箱内各层温差较小，均在1 ℃以内，可为系统提供良好的储热条件。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F003图3储热水箱内各层平均温度储热水箱温度随时间变化情况如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F004图4储热水箱温度随时间变化情况（2021年1月18日～1月19日）由图4可知，水箱温度随着集热器开始工作逐渐升高，在16：00时达到设定温度。集热器停止工作后，随着时间推移，水箱温度逐渐降低，到第二天8：00时水温仍有54 ℃，展现了储热系统良好的保温蓄热能力。2.3室温分析运行期间某天室温随时间变化情况如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F005图5室内外温度变化情况由图5可以看出，随着时间变化，室内温度呈“先上升再下降最后稳定”的变化情况。在早晨太阳升起后，随着日照的加强室外温度也逐渐升高，因此室内温度逐渐上升，在13：00时达到最高，为29 ℃。之后随着室外温度逐渐降低，室内温度也随之下降，但由于储热系统存在，供暖循环水温度没有出现明显下降，室内仍能保持24 ℃的温度，展现了系统良好的供暖效果。2021年1月24日室温和水箱温度变化情况如图6所示。24日当天为天气情况为阴转小雪，并伴有3到4级风，集热系统达不到集热条件不能启动，供暖系统利用之前储热系统中的储存热量仍能继续运行，保证室内温度在22 ℃左右。说明在雨雪阴天的情况下，供暖系统仍能保证稳定运行，展现了系统良好适应性。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.004.F006图6阴天条件下室内外温情况2.4效益分析本系统在1个供暖季内可节约标准煤5.2 t，减少CO2排放13.84 t，SO2减排量0.1 t，减少烟尘排量0.05 t，相比于电采暖可以节约电量108 480 kWh，节省费用5.3万元。本系统在供暖季进行供暖，可以减少污染物排放，顺应了清洁供暖的发展趋势，具有积极的社会意义。3结语（1）搭建的槽式太阳能集热供暖系统供暖性能良好，室内温度保持25 ℃左右，在阴天雨雪的情况下仍能保持较好的供暖效果，可以满足用户在冬季的供暖需求。（2）槽式太阳能集热供暖系统具有良好的经济性和节能效益，1个供暖季内可节省电费5.3万元。节约标准煤5.2 t，减少CO2排放13.84 t，具有较好的推广应用价值。