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众所周知，一个国家的能源问题是该国经济的首要问题，也是发展工农业、国防科技和提高人民生活水平的物质基础。在过去的几十年，全世界的能源消耗量大幅增长，人民逐渐认识到天然的传统能源是非常有限的，各国都对能源的开发及利用等问题非常关注。解决能源短缺问题的重要方法就是开源与节流。所谓节流，就是节约能源以及提高能源的利用率。开源是指要开拓新的能源渠道，而最有效的方法是开发及利用新能源。新能源包括风能、地热能、潮汐能、生物质能及太阳能等多种形式，从资源和社会发展的角度看，新能源的利用是必然趋势。在所有这些新能源中，太阳能由于其清洁、可再生、分布广泛及取之不尽等优点是最受瞩目的。目前，在太阳能利用的多种方式中，最常见的是光热利用和光电利用。 在中国北方农村，至今仍在广泛使用传统火炕进行家庭采暖。由于传统火炕主要是采用稻草、柴木等生物质燃料在特定的时间燃烧，利用余热为房间供暖，这就造成几个不可避免的问题。首先对能源的较低利用率实际上造成了大量的能源浪费;其次，室内、外的环境污染问题也是日益严重、无法回避;再次，由于只是在特定的时段运行火炕，就会造成室内温度明显的不均匀:在火炕运行期间，室内温度较高，当火炕停止运行，室内温度很快下降。这些问题都使得火炕的使用受到了很大的局限性。本文根据北方传统火炕的特点和太阳能资源丰富的条件，提出了基于太阳能炕的主被动复合采暖系统。在一定的范围内和程度上实现节约能源，清洁采暖，按需调整的采暖模式，部分地满足居民的采暖需求。 本文的主要工作包括以下几个方面: 设计并搭建了基于太阳能炕的主被动复合采暖系统（以下可简称为复合系统）的实验平台。在该实验平台上，能够实现单独被动采暖工作模式、单独主动采暖工作模式及主、被动相结合的采暖工作模式。对该复合系统在单独被动采暖模式、单独主动采暖模式及主被动相结合的采暖模式下分别进行了实验测试。通过比较复合系统在这三种不同的工作模式下运行的情况可以确定主被动相结合的采暖工作模式是效果最好的:在该模式下，测试间的室内日平均气温可以达到18.5℃，最大可以达到22.2℃，而在相同条件下，对比间的室内日平均温度不到9.0℃。 为了使被动采暖系统和主动采暖系统以更合理的方式结合起来运行，减小测试间空气温度和炕面温度的波动，实验研究了复合系统分别在“炕晚上时段运行”、“炕傍晚时段运行”和“炕下午时段运行”的情况。结果显示:“炕傍晚时段运行”能够将被动采暖与太阳能炕更加合理地结合起来运行，白天充分利用空气集热器为室内供暖，晚上再逐渐并充分地释放出在傍晚炕运行时所积蓄的热量。测试期间炕面温度的波动为5.2℃，室内空气温度的波动为6.6℃。而当复合系统在“炕晚上时段运行”和“炕下午时段运行时”，炕体的蓄热功能得不到充分利用，导致炕面温度和空气温度的波动较大。 实验研究了不同的入水流量对室内热环境的影响。当流量在一定范围内增大时，单位时间进入炕体的热量增加，但由于流量增大会引起热水与水管的对流换热不充分，因此在其他条件相同气象条件相似的情况下，入水流量在0.061 m3/h至0.163m3/h的区间变化时，流量的改变对炕体的温度影响很小，这样对测试间的空气温度的影响也很小。考虑到炕的实际应用需要，实验研究了当炕面上覆盖棉被之后炕面温度和室内空气温度的变化规律。研究表明:当炕面上覆盖棉被之后，炕面温度的平均值由19.2℃上升到28.1℃，测试间的室内空气温度略有下降。 复合系统的某些参数是无法通过实验装置改变的，例如水管内径、炕体厚度等，为考察这些参数的变化对复合系统热性能的影响并进一步优化炕体，我们考虑对整个复合系统建立数学模型并编写了仿真程序，利用已有的实验数据对数学模型进行了验证。结果表明，复合系统在不同的工作模式下的各模拟结果都与实验结果吻合较好，这表明数学模型是可以信赖的。为优化炕体，更好地发挥炕的作用，利用数学模型研究了炕体的厚度、炕内水管的内径、入水流量对炕面温度的影响。结果表明:厚度越大炕面温度越低且炕面温度的变化越缓慢;水管内径越大，炕面温度越高;入水流量越大，炕面温度越高。 利用新疆乌鲁木齐地区的气象数据模拟计算了该复合系统的运行情况。结果表明，当环境平均温度为-16.1℃且太阳辐照量为7.07MJ/m2时，炕面平均温度达到12.4℃，空气平均温度达到6.6℃，这虽然不能满足采暖需要，但室内热环境得到很大提升;而在，环境平均温度为-6.4℃，太阳辐照量为15.2MJ/m2的稍冷天气，炕面平均温度可以达到20.1℃;空气平均温度达到16.4℃，几乎能完全满足采暖需要。