1.1 太陽能供暖系統設計概況
太陽能供暖系統是指以太陽能作為採暖系統的熱源， 利用太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能，
（1）太陽能集熱器及輔助加熱設備
太陽能集熱器是吸收太陽輻射並向載熱工質傳遞熱量的主要設備裝置， 輔助加熱設備補充供暖系統中太陽能集熱器不能滿足的熱量。 目前， 國內為供暖系統提供熱量的太陽能集熱器， 主要有平板型太陽集熱器、全玻璃式真空管太陽集熱器、熱管式真空管太陽集熱器三種類型。
為供暖系統提供熱量的輔助加熱設備主要有空氣源熱泵、燃氣壁掛爐、電鍋爐、水源熱泵等加熱熱水設備。
（2）貯熱（蓄熱器）換熱設備
太陽能供暖系統一般應設置小型的貯熱水箱、生活熱水箱，
（3）供暖末端
太陽能供暖系統末端也稱之為散熱設備或裝置。 由於太陽能熱密度較低， 集熱溫度很難達到較高水準， 而且提供的熱水溫度一般在50℃以下， 因此末端散熱裝置應首選地面輻射供暖。
（4）系統控制
太陽能供暖控制系統較為複雜， 它是由一套PLC多點控制箱組成， 分別採集控制集熱器、輔助加熱設備、迴圈水泵等資料進行輸入與控制執行部件。
1.2 太陽能集熱器面積與供暖面積配比
太陽能集熱器面積與供暖面積所占比例的定位在設計中非常關鍵，
①住宅建築的供暖負荷；
②太陽能總集熱量(總集熱量=有效的太陽熱量－熱量損失)；
③供暖系統的經濟效益；
④夏季生活熱水的使用。
以北京地區為例， 供暖期為122天， 採用真空太陽集熱管和地面輻射供暖系統， 在不同的太陽能集熱器面積與供暖面積配比下， 太陽能供暖系統在冬季供暖能耗中的節能比例如表1所示。
從表1中可得， 建築結構保溫是太陽能供暖應用的關鍵。 因冬季太陽能輻射能力及集熱器安裝面積有限， 因此對房屋建築結構保溫的要求較高， 目前太陽能集熱器冬季平均每平方米日得熱量只有2.4kW， 如果建築結構的耗熱功率為40W/m2時， 那麼太陽能採暖根本無法使人接受， 如果結構耗熱功率在20.4W/m2時， 那麼每平方米太陽能集熱器就能夠帶動4m2的供暖面積， 房屋結構按65%節能標準實施， 耗熱功率在16.8W/m2時， 每平方米太陽能集熱器就能帶動6.3m2的採暖面積。
從表1中還可以得知， 太陽能集熱器面積太小， 輔助加熱設備供暖負荷增大， 本供暖系統不被稱之太陽能供暖系統。 反之， 太陽能集熱器面積太大， 初投資成本提高， 回收年限增長， 經濟效益降低， 才能達到真正的節能。 另外， 夏季產生過多生活熱水會造成浪費。
因此， 怎樣將太陽能供暖的貢獻率取量較為適宜， 經濟投資更合理？舉例說明， 下面以北京市太陽能採暖所承擔的建築採暖比例結合表1進行分析：太陽能集熱器的匹配選型主要根據住宅建築的總耗熱量來計算。
以全玻璃式真空太陽集熱管為例， 其能量平衡方程(總集熱量=有效的太陽熱量-熱量損失)為：
mcp (T2-T1)=ταI Aa-UL(T2-T1)Δt AL (1)
式中：m——工質品質；
cp——工質比熱容；
τ——真空集熱管罩玻璃透射比， 0.88；
α——選擇性吸收表面的太陽熱量的吸收比，0.90；
I——太陽曝輻量，kJ/m2；
Aa——內管表面積，0.062m2；
AL——外管表面積，0.137m2；
UL——熱損係數，0.9 W/m2·℃(平均水溫45℃時)；
Δt——真空管工質溫升。
全玻璃式真空太陽集熱管中水溫從T1上升到T2所需太陽曝輻量的計算式：
I=(T2-T1)(mcp+ULΔtAL)/ταAa (2)
太陽能供暖系統末端選用地面輻射供暖，熱媒溫度為40℃，供回水溫差為10℃。根據真空太陽集熱管的實際運行經驗得知，選取T1供暖回水溫度為25℃，T2供暖供水溫度為33℃，m=1kg,Δt=1h。由式(2)可求出，1h內全玻璃式真空太陽集熱管中每公斤水從25℃上升到33℃所需的太陽曝輻量為I=701(kJ/m2)。北京地區冬季每平方米的日照輻射量為9MJ，可以將135.5kg的水提升8℃。平均每平方米每小時供暖所需迴圈水量為1.13kg。計算得知見表2，每平方米真空太陽集熱管的實際熱量為3.9kW/m2.d，係數為0.062，實際熱量為2.43kW/m2.d。由此可得出在太陽能貢獻率為30%的情況下，供暖面積與集熱面積之比為0.083。由於系統中採用二次迴圈方式換熱，考慮換熱效率及管路損耗，本文確定實際供暖面積與集熱器鋪設面積應用比為1:5至1:10之間。
另外，從表2貢獻率對比表中得知，不同的太陽能集熱器冬季太陽能綜合貢獻率有所不同。因此，在太陽能供暖系統設計中，選擇合適的太陽能集熱器是非常重要的。
建築結構保溫是太陽能採暖應用的關鍵，因冬季太陽能輻射能力及安裝面積有限，因此對房屋建築結構保溫的要求較高。
目前，太陽能集熱器冬季平均每平方米日得熱量只有2.2kW，如果建築結構的耗熱功率為40W/m2時，人們將無法接受太陽能供暖系統；如果結構耗熱功率在20.6W/m2時，那麼每平方米太陽能集熱器就能夠帶動4m2的供暖面積，太陽能集熱器供暖系統每平米供暖費用可以達到20元左右，人們則可以接受；如果今後房屋結構按65%節能標準實施，每平方米太陽能集熱器能夠帶動6.3m2的採暖面積，那麼每平方米供暖費用就能達到15元以下。相信在熱泵技術的支援下，這一目標一定能達到。
2 輔助加熱設備的選擇太陽能來自太陽輻射，由於太陽輻射受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件的限制，以及陰雨天氣等隨機因素的影響，存在較大的間歇性和不穩定性，因此在太陽能供暖系統中，必須設置輔助加熱設備。
輔助加熱設備要根據當地太陽能資源條件，以及常規能源的供應狀況、建築物熱負荷和周圍環境條件等因素，做經濟性綜合分析，以確定適宜的輔助加熱設備。
太陽能供暖系統中可以選擇的輔助熱源主要有小型燃氣壁掛爐、城市熱網或區域鍋爐房、空氣源熱泵、地源熱泵及生物質燃料等。
據文獻介紹，如農村熱網及燃氣管線不易到達，在油、電價格又偏高的情況下，輔助熱源多採用生物質燃料。如北京平谷區掛甲峪村，輔助熱源用生物質鍋爐提供，採用生物質壓塊成型設備，把當地的果木修剪枝條粉碎後壓縮成燃料棒或燃料塊，作為生物質鍋爐燃料。這種生物質壓縮成型的燃料比傳統的生物質燃燒密度高，燃燒效率高，儲藏也較容易，使用時勞動強度小，是一種較好的輔助熱源的方式。
3 太陽能熱水系統設計理念見圖1所示，本套太陽能供暖系統在冬季提供部分供暖熱源，非供暖期提供足量的生活熱水，夏季利用空氣源熱泵製冷，提供室內供冷冷量，確保夏季室內達到舒適的環境。因此，這套太陽能供暖系統是集供暖、洗浴、製冷的聯合系統，也可稱為三位一體的太陽能綜合應用系統。
太陽能由於熱密度較低，集熱溫度很難達到較高水準。普通散熱器熱媒溫度要求較高（70℃以上），而太陽能系統不易達到該出水溫度要求。因此，在太陽能供暖系統中，通常採用地面輻射供暖的末端供熱方式。地面輻射供暖所需要的低溫熱水在35℃～55℃之間，正好是太陽能集熱器所能提供的適合溫度。
地面輻射供暖系統以整個地面作為散熱面，熱量主要以輻射方式傳播，與以對流散熱為主的散熱器系統相比，舒適性更好，腳暖頭涼的熱感更符合人體生理學的調節特點，且可以在比末端供暖散熱器系統低2℃～3℃的情況下獲得同樣的舒適感，還能節省供熱能耗。
其次，夜間採暖負荷一般大於白天，但夜間卻無太陽輻射，因此具有蓄熱功能的地面供暖方式非常適合。
目前，太陽能供暖系統已普遍採用地面輻射供暖散熱系統作為末端。
5 太陽能採暖設計需要注意的幾點事項5.1 集熱面積的設計。要考慮整個冬季建築物需要的平均熱量，以及配備太陽能集熱設備的大小。配的設備過大，造價高，浪費設備和資金；配的設備過少，又達不到節能效果。
5.2 熱量儲備的考慮。太陽能儲熱的時間性很強，白天充足，夜間卻是零，和我們需要採暖的過程在時間上完全相反，但是由於建築物有熱惰性，在配合一定的蓄熱設備上，我們完全有能力把熱惰性產生的時間差人為地改變和調節，使之和我們的需要相符合。
因此，熱惰性在太陽能採暖的設計過程中非常重要。
5.3 管道設計。工程聯接管材的設計特別重要，如果系統管道設計不合理容易出現系統阻力過大、不能滿足熱水供應量、嚴重地影響了系統的正常運行。
因此，在管道設計上要儘量保持水路平衡，管道口徑要與系統設計匹配，以計算管路合理流量。
5.4 輔助能源。太陽能集熱器是“靠天吃飯”，如果遇到陰雨霧雪天氣，太陽能光照不足，集熱器無法獲取足夠的能量，太陽能工程將不能滿足使用者正常用水的需求，這時就需要第二能源作為輔助。一般太陽能工程選擇空氣源熱泵、電鍋爐、電加熱器等輔助設備時，選用設備型號要考慮到陰雨霧雪天氣時的最大供暖熱水需求量，必免影響正常的室內供暖溫度，同時還要滿足經濟投資的合理性。
5.5 控制系統。電氣控制是太陽能工程的重要組成部分，它可以實現熱水工程的智慧化控制。比如：自動上水、水滿自停、顯示水溫水位、自動或定時電加熱、定時出水、管道迴圈以及增壓等控制。選用控制系統特別重要，因為電氣有一定的不穩定性，故障率較高，需要經常維護。控制系統要正規廠家進行生產，這樣才有系統品質保證，降低系統故障率，提高太陽能工程的整體性能。
5.6 補水系統。太陽能工程能夠提供連續不斷的熱水，這就需要有充足的水源進行補充。一般採用浮球箱作為補水工具，浮球箱可以起到限流、限壓作用，對太陽能工程補水具有穩定性，而且安全可靠。在北方寒冷季節，需要對浮球箱進行保溫，必要時可在內部增加電加熱，以保證冷水能夠及時補充，不影響系統正常運行。
總之，只有不斷提升太陽能供暖系統設計的創新理念，才能建設資源節約型、環境友好型、節能降耗型的現代太陽能供暖產業，提高太陽能資源利用率、使用率和經濟投資效益。當然，這一理念始終是太陽能供暖設計工作的目標。
α——選擇性吸收表面的太陽熱量的吸收比，0.90；
I——太陽曝輻量，kJ/m2；
Aa——內管表面積，0.062m2；
AL——外管表面積，0.137m2；
UL——熱損係數，0.9 W/m2·℃(平均水溫45℃時)；
Δt——真空管工質溫升。
全玻璃式真空太陽集熱管中水溫從T1上升到T2所需太陽曝輻量的計算式：
I=(T2-T1)(mcp+ULΔtAL)/ταAa (2)
太陽能供暖系統末端選用地面輻射供暖，熱媒溫度為40℃，供回水溫差為10℃。根據真空太陽集熱管的實際運行經驗得知，選取T1供暖回水溫度為25℃，T2供暖供水溫度為33℃，m=1kg,Δt=1h。由式(2)可求出，1h內全玻璃式真空太陽集熱管中每公斤水從25℃上升到33℃所需的太陽曝輻量為I=701(kJ/m2)。北京地區冬季每平方米的日照輻射量為9MJ，可以將135.5kg的水提升8℃。平均每平方米每小時供暖所需迴圈水量為1.13kg。計算得知見表2，每平方米真空太陽集熱管的實際熱量為3.9kW/m2.d，係數為0.062，實際熱量為2.43kW/m2.d。由此可得出在太陽能貢獻率為30%的情況下，供暖面積與集熱面積之比為0.083。由於系統中採用二次迴圈方式換熱，考慮換熱效率及管路損耗，本文確定實際供暖面積與集熱器鋪設面積應用比為1:5至1:10之間。
另外，從表2貢獻率對比表中得知，不同的太陽能集熱器冬季太陽能綜合貢獻率有所不同。因此，在太陽能供暖系統設計中，選擇合適的太陽能集熱器是非常重要的。
建築結構保溫是太陽能採暖應用的關鍵，因冬季太陽能輻射能力及安裝面積有限，因此對房屋建築結構保溫的要求較高。
目前，太陽能集熱器冬季平均每平方米日得熱量只有2.2kW，如果建築結構的耗熱功率為40W/m2時，人們將無法接受太陽能供暖系統；如果結構耗熱功率在20.6W/m2時，那麼每平方米太陽能集熱器就能夠帶動4m2的供暖面積，太陽能集熱器供暖系統每平米供暖費用可以達到20元左右，人們則可以接受；如果今後房屋結構按65%節能標準實施，每平方米太陽能集熱器能夠帶動6.3m2的採暖面積，那麼每平方米供暖費用就能達到15元以下。相信在熱泵技術的支援下，這一目標一定能達到。
2 輔助加熱設備的選擇太陽能來自太陽輻射，由於太陽輻射受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件的限制，以及陰雨天氣等隨機因素的影響，存在較大的間歇性和不穩定性，因此在太陽能供暖系統中，必須設置輔助加熱設備。
輔助加熱設備要根據當地太陽能資源條件，以及常規能源的供應狀況、建築物熱負荷和周圍環境條件等因素，做經濟性綜合分析，以確定適宜的輔助加熱設備。
太陽能供暖系統中可以選擇的輔助熱源主要有小型燃氣壁掛爐、城市熱網或區域鍋爐房、空氣源熱泵、地源熱泵及生物質燃料等。
據文獻介紹，如農村熱網及燃氣管線不易到達，在油、電價格又偏高的情況下，輔助熱源多採用生物質燃料。如北京平谷區掛甲峪村，輔助熱源用生物質鍋爐提供，採用生物質壓塊成型設備，把當地的果木修剪枝條粉碎後壓縮成燃料棒或燃料塊，作為生物質鍋爐燃料。這種生物質壓縮成型的燃料比傳統的生物質燃燒密度高，燃燒效率高，儲藏也較容易，使用時勞動強度小，是一種較好的輔助熱源的方式。
3 太陽能熱水系統設計理念見圖1所示，本套太陽能供暖系統在冬季提供部分供暖熱源，非供暖期提供足量的生活熱水，夏季利用空氣源熱泵製冷，提供室內供冷冷量，確保夏季室內達到舒適的環境。因此，這套太陽能供暖系統是集供暖、洗浴、製冷的聯合系統，也可稱為三位一體的太陽能綜合應用系統。
太陽能由於熱密度較低，集熱溫度很難達到較高水準。普通散熱器熱媒溫度要求較高（70℃以上），而太陽能系統不易達到該出水溫度要求。因此，在太陽能供暖系統中，通常採用地面輻射供暖的末端供熱方式。地面輻射供暖所需要的低溫熱水在35℃～55℃之間，正好是太陽能集熱器所能提供的適合溫度。
地面輻射供暖系統以整個地面作為散熱面，熱量主要以輻射方式傳播，與以對流散熱為主的散熱器系統相比，舒適性更好，腳暖頭涼的熱感更符合人體生理學的調節特點，且可以在比末端供暖散熱器系統低2℃～3℃的情況下獲得同樣的舒適感，還能節省供熱能耗。
其次，夜間採暖負荷一般大於白天，但夜間卻無太陽輻射，因此具有蓄熱功能的地面供暖方式非常適合。
目前，太陽能供暖系統已普遍採用地面輻射供暖散熱系統作為末端。
5 太陽能採暖設計需要注意的幾點事項5.1 集熱面積的設計。要考慮整個冬季建築物需要的平均熱量，以及配備太陽能集熱設備的大小。配的設備過大，造價高，浪費設備和資金；配的設備過少，又達不到節能效果。
5.2 熱量儲備的考慮。太陽能儲熱的時間性很強，白天充足，夜間卻是零，和我們需要採暖的過程在時間上完全相反，但是由於建築物有熱惰性，在配合一定的蓄熱設備上，我們完全有能力把熱惰性產生的時間差人為地改變和調節，使之和我們的需要相符合。
因此，熱惰性在太陽能採暖的設計過程中非常重要。
5.3 管道設計。工程聯接管材的設計特別重要，如果系統管道設計不合理容易出現系統阻力過大、不能滿足熱水供應量、嚴重地影響了系統的正常運行。
因此，在管道設計上要儘量保持水路平衡，管道口徑要與系統設計匹配，以計算管路合理流量。
5.4 輔助能源。太陽能集熱器是“靠天吃飯”，如果遇到陰雨霧雪天氣，太陽能光照不足，集熱器無法獲取足夠的能量，太陽能工程將不能滿足使用者正常用水的需求，這時就需要第二能源作為輔助。一般太陽能工程選擇空氣源熱泵、電鍋爐、電加熱器等輔助設備時，選用設備型號要考慮到陰雨霧雪天氣時的最大供暖熱水需求量，必免影響正常的室內供暖溫度，同時還要滿足經濟投資的合理性。
5.5 控制系統。電氣控制是太陽能工程的重要組成部分，它可以實現熱水工程的智慧化控制。比如：自動上水、水滿自停、顯示水溫水位、自動或定時電加熱、定時出水、管道迴圈以及增壓等控制。選用控制系統特別重要，因為電氣有一定的不穩定性，故障率較高，需要經常維護。控制系統要正規廠家進行生產，這樣才有系統品質保證，降低系統故障率，提高太陽能工程的整體性能。
5.6 補水系統。太陽能工程能夠提供連續不斷的熱水，這就需要有充足的水源進行補充。一般採用浮球箱作為補水工具，浮球箱可以起到限流、限壓作用，對太陽能工程補水具有穩定性，而且安全可靠。在北方寒冷季節，需要對浮球箱進行保溫，必要時可在內部增加電加熱，以保證冷水能夠及時補充，不影響系統正常運行。
總之，只有不斷提升太陽能供暖系統設計的創新理念，才能建設資源節約型、環境友好型、節能降耗型的現代太陽能供暖產業，提高太陽能資源利用率、使用率和經濟投資效益。當然，這一理念始終是太陽能供暖設計工作的目標。