引言温度条件是人类生命活动最基本的环境条件，人体内的各种代谢活动都受温度的影响，新陈代谢能力直接影响人的身体各项机能的正常运作。因此，合适的温度有利于维持人的身体健康。在冬季，环境温度普遍偏低，较低的体感温度让人感到不适，需穿着较厚衣物或进行取暖，以维持人体正常机能。据相关数据统计，现代城市居民有85%以上的时间在建筑物中度过[1]。室内温度是影响居住舒适度的关键因素。因此，人们使用各种供暖方式使室内环境维持在舒适水平。太阳能储量丰富，是可再生能源[2]。目前，对太阳能的利用分为两个方向：一是太阳能光伏利用，使用太阳能电池板将光能转换为电能；二是太阳能光热利用，使用太阳能集热器收集太阳辐射，用于加热水。基于太阳能技术的室内供暖是一项新型能源利用技术，能够减少冬季供暖应用中对传统能源的依赖，降低污染气体排放，具有重要的研究和应用价值。1传统室内供暖方法目前，冬季供暖方式主要有两大类，即集中供暖与分散式供暖。受地域和气候条件影响，我国北方冬季寒冷干燥；南方四季鲜明，冬季气温高于北方[3]。北方城市采用集中供暖方式；南方城市大多无集中供暖设备，常采用分散式供暖。集中供暖是指集中热源，通过管路将热量传输给用户的供暖方式，主要由锅炉和城市热管网组成。锅炉为集中热源，以消耗化石能源产生热能，燃料包括燃煤、燃气和燃油。我国北方冬季气温较低，时间较长，采用集中供暖。分散式供暖是指用户自己选择采暖热源，每户独立形成一个供暖体系的供暖方式，常用采暖设备包括空调、电暖器、采暖煤炉等。随着科学技术的发展和生活水平的提高，以壁挂炉为热源的地暖室内供暖系统逐渐走入越来越多的家庭中。我国南方地区采用分散式供暖。目前，集中供暖与分散式供暖方式被广泛应用于室内供暖，经长期实践证实两种供暖方式均具有可靠性，但在能源和环保方面存在不足。在建筑能耗中，冬季供暖能耗约在建筑总能耗中的比例达到40%[4]，无论是锅炉集中供暖，还是采暖炉、壁挂炉分散式供暖，都需要消耗大量的化石能源。空调、电暖器等设备因功率高等原因，需要消耗大量电能。电能是二次能源，部分电能也来自火力发电，同样高度依赖化石能源。冬季供暖还会排放污染气体，对环境造成影响。化石能源的消耗量急剧攀升，增加了二氧化碳和各种有害气体的排放量[5]。降低冬季供暖能源消耗有助于实现节能减排，但冬季供暖的需求还在不断增长。为了解决这一矛盾，研究基于太阳能等新能源技术的供暖系统迫在眉睫。2太阳能集热室内供暖太阳能利用是发展清洁能源的重要内容[6]。太阳能是一种清洁无污染的可再生能源[7]。相比太阳能光伏技术，太阳能光热技术具有成本低、技术容易实现、适用范围广等优势，部分国家将其放在太阳能利用首位[8]。基于太阳能光热技术的太阳能热水系统具有安全可靠、节能环保、方便实用、适应性好等特点，已成为当前应用广泛、技术成熟的产品[9]。太阳能供暖技术是当下建筑节能领域的热点[10]。太阳能集热室内供暖将太阳能热水系统应用于室内供暖，改变了传统的供暖方式。太阳能集热室内供暖系统通常由集热系统、循环系统、蓄热系统、散热系统等组成。在白天，太阳能集热系统将太阳能转化为热能，循环系统将加热后的换热介质输送到蓄热系统中储存，需要供暖时，循环系统将换热介质输送至散热系统，热量向空气中转移，从而达到利用太阳能为室内供暖的效果。太阳能集热器通过科学运用太阳能保护生态环境，合理调整能源结构，可以提升能源的综合利用水平，实现节能减排的目标[11]。与传统供暖方法相比，太阳能集热室内供暖系统具有以下优点：第一，能源成本低。太阳能取之不尽，无能源成本，只需有阳光即可产热，一年四季皆可运行。第二，绿色环保。太阳能是一种可再生清洁能源，使用过程中几乎无污染物排放，对环境无影响。第三，使用寿命长。太阳能集热供暖系统各部件设计使用寿命约15 a，较其他供暖设备5~10 a的寿命具有明显优势。第四，安全系数高。太阳能室内供暖系统使用过程中几乎不存在火灾、触电、中毒等安全隐患。3太阳能集热室内供暖研究现状3.1国外研究现状科研人员从多角度研究太阳能热水供暖工程[12]。在太阳能热源能效方面，BADRAN[13]等通过分析对比，得出以太阳能集热器为热源的地板辐射采暖系统能效比以太阳能池(Solar Pond)为热源的采暖系统高7%，消耗电能更少。ASAEE[14]等研究发现，新西兰某太阳能供暖系统的经济性提高了20%，温室气体减排30%，这说明太阳能集热供暖能够切实起到节能减排的作用。在太阳能集热设备参数方面，SHARIAH[15]等采用TRNSYS 16软件模拟运行虹吸式热水器的运行，得出了太阳能保证率与水箱体积和集热板面积间的关系。RAFFENEL[16]等使用TRNSYS 16软件模拟太阳能供暖热水系统运行，提出了确定集热器面积的简便算法。KAYGUSUZ[17]等采用太阳能加热水循环与辅助热泵一起供暖，辅助热泵供暖系统平均热系数可达3.0。以上研究结果为太阳能集热室内供暖的进一步研究提供参考。3.2国内研究现状我国太阳能资源丰富，部分科研人员从不同角度对太阳能集热供暖技术进行研究。在太阳能供暖舒适性和节能减排方面，邓豪放[18]在青海省建立太阳能炕与太阳能空气集热器复合供暖系统，发现太阳能主被动复合供暖系统在青海省实用性强、舒适性优良。赵金秀[19]等对唐山市某农宅建筑进行节能改造并安装一套太阳能供暖系统。试验表明，室内平均温度超过16.5 ℃，温度波动幅度小于未安装太阳能供暖设备的建筑；整个冬季节省电能3 390 kWh，减少二氧化碳排放79.4%，舒适性较好，节能环保效益较高。苟文诗[20]等对太阳能供暖系统和传统供暖系统进行能耗模拟对比分析，发现太阳能供暖系统每年可节约标准煤81.02 t，二氧化碳、二氧化硫及粉尘年减排量达202.5 t，具有较好经济效益和环境效益。在太阳能集热设备设计优化方面，刘伟锋[21]等对太阳能采暖系统平台进行实验分析，发现太阳能用于建筑采暖集热面积不宜过大，蓄热水箱的选择应侧重考虑生活热水量。刘莉莉[22]等利用单片机控制水泵、电磁阀，实现了太阳能的高效利用。陈志豪[23]研究太阳能供暖热水组合系统，在辐照较好的条件下，太阳集热系统得到的能量可完全满足建筑物的热量需求。从整体研究成果分析，国内对太阳能集热室内供暖的研究集中于北方地区，南方地区研究相对较少，研究价值和创新空间较大，其能否适用于南方气候还有待于实验验证。4太阳能集热器种类及特点目前，常用的太阳能集热器分为平板集热器、真空管集热器和聚光集热器。平板集热器由外壳、集热板、绝热层、透明盖板组成，其中流道与吸热体紧密连接。工作时，太阳光照射涂有无光黑漆的集热板表面，吸热体将吸收的热量传递给换热介质。平板集热器具有结构简单、运行稳定、安全可靠等特点。真空管集热器由外层玻璃管及内部吸热体组成，真空管吸热体材料有金属和玻璃两种，因此可分为金属吸热体真空管和玻璃吸热体真空管。工作时，太阳辐射穿过真空管投射于吸热体表面，吸热体用吸收的热量加热真空管内的换热介质使其气化。换热介质在冷凝段凝结放热，液化的换热介质回流到蒸发段。此过程不断重复，完成换热。真空管集热器具有耐冻、耐热冲击、承压性好等特点。聚光集热器由聚光器、吸收器、跟踪系统组成。工作时，聚光器将太阳光聚集到吸收器上，流动的集热介质在吸收器内被加热。聚光集热器具有效率高，制造、安装、使用方便的特点。太阳能集热器用于收集太阳能热量，在太阳能供暖工程中占据重要的地位[5]。太阳能集热器品质将直接影响整个供热系统的运行效果，根据使用环境选择合适的太阳能集热器显得尤为重要。5太阳能集热室内供暖系统在宜昌地区的应用宜昌位于湖北省西南部，地处中亚热带与北亚热带过渡地带，属亚热带季风性湿润气候，在我国气候分区中属于夏热冬冷地区。自2008年以来，我国南方冬季极端天气频发[24]，宜昌地区冬季极端温度低至零下9.8 ℃（1月），仅依靠屋面采光的方式采暖无法提供足够热量，湿冷感明显，严重影响居住舒适度。随着经济水平提高，人们对于生活品质提出了更高的要求，南方地区对于冬季集中供暖需求的呼声越来越高。由于宜昌地区采暖周期较短、冬季温度波动大、气候潮湿、历史上无集中供暖规划等原因，使得集中供暖在短时间内仍无法实现，以户为单位的分散式供暖仍占主导。宜昌地区年平均日照时长1 538~1 883 h，鲜有利用太阳能资源进行室内供暖的案例。从节能减排的角度分析，有必要研究利用太阳能为室内供暖的效果。6结语传统供暖方式消耗了大量的化石能源，会排放二氧化碳和各种有害气体。无论北方还是南方地区，使用新型环保能源取代传统化石能源用于冬季供暖都迫在眉睫。太阳能集热室内供暖技术应用能够保护生态环境，合理调整能源结构，提升能源综合利用水平，真正实现节能减排的目标。国内外科研人员从太阳能热源能效、设备参数、供暖舒适性、设备设计优化等方面进行了研究，取得了丰富的研究成果，表明太阳能集热供暖系统能够有效改善冬季室内环境，降低能源消耗，减少环境污染。我国南方地区基于太阳能集热技术的供暖研究相对较少，具有较大的研究潜力和创新空间。太阳能集热室内供暖技术在以宜昌为代表的南方地区具有研究价值和应用潜力。