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我國太陽能采暖系統主要設備應用情況


太陽能采暖系統是以太陽能作為熱源,供給建筑物冬季采暖和全年其他用熱的系統。本文介紹了太陽能采暖系統國內外現狀和主要設備的應用情況,指出了系統設計中存在的一些問題,提出了發展太陽能采暖系統的若干措施。
關鍵詞:太陽能 采暖系統 太陽能集熱器 節能
一 、前言
隨著國民經濟的發展,能源需求量日益增加,能源利用情況緊張,而常規能源的大量使用必將對環境造成不利影響。太陽能作為可再生能源的一種,取之不盡,用之不竭,同時又不會增加環境負荷,將成為未來能源結構中的重要組成部分。我國屬太陽能資源豐富的國家之一,年輻射總量大約在3300-8300MJ/(m2.a),全國2/3以上面積地區年日照小時數大于2000h,每年陸地接收的太陽輻射能相當于2.4萬億噸標準煤,具有太陽能利用的良好條件。在建筑能耗中,生活熱水、供暖能耗占了相當的比例,利用太陽能來滿足生活熱水、供暖這些低品位能耗的要求具有巨大的節能效益,因此,太陽能采暖技術越來越受到人們的重視。
二、 太陽能采暖系統概況
2.1太陽能采暖系統原理
太陽能采暖系統是指以太陽能作為采暖系統的熱源,利用太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能,供給建筑物冬季采暖和全年其他用熱的系統。太陽能采暖可分為主動式和被動式兩種方式。被動式太陽能采暖通過建筑的朝向和周圍環境的合理布置,內部空間和外部形體的巧妙處理,以及建筑材料和結構構造的恰當選擇,使建筑物在冬季能充分收集、存儲和分配太陽輻射熱。主動式太陽能采暖系統主要由太陽能集熱系統、蓄熱系統、末端供熱采暖系統、自動控制系統和其他能源輔助加熱、換熱設備集合構成,相比于被動式太陽能采暖,其供熱工況更加穩定,但同時,投資費用也增大,系統更加復雜。隨著經濟和社會的發展,主動式太陽能采暖開始大規模應用。
2.2 國外應用現狀
歐洲、北美對太陽能供熱(熱水、采暖)系統的工程應用已有幾十年歷史,過去主要用于單體建筑內的小型系統,近十余年來,包括區域供熱在內的大型太陽能供熱采暖綜合系統的工程應用有較快發展。德國是應用太陽能供熱技術較早的國家,太陽能采暖技術已經在德國居住區供熱設置改造和配套建設中得到廣泛推廣和應用;歐洲大多數國家都積極鼓勵支持利用太陽能,對安裝太陽能裝置的家庭實行補貼政策,一般補貼為系統造價的20-50%;以色列80%住宅裝有太陽能熱水器,政府以立法形式規定高度27米以下新建住宅必須安裝太陽能熱水器。丹麥Marstal太陽能供熱采暖工程是世界上最大的太陽能供熱采暖系統,太陽能集熱器設置在大面積空地上,集熱器面積1.83萬m2,與社區熱力網連接,1996年建成運行,年熱負荷28GWh/年,同時使用2100m3水箱、4000m3水容量砂礫層及10000m3地下水池蓄熱。
2.3 國內應用現狀
我國太陽能產業發展很快,截至2006年,我國太陽能熱水器年生產能力達到1500萬平方米,在用太陽能熱水器總集熱面積達1億平方米,生產量和使用量居世界第一。雖然我國太陽能熱水器應用已經相當廣泛,但太陽能采暖工程應用卻處于起步階段,已建成的都是單體示范建筑,如北京清華陽光公司辦公樓、天普新能源示范大樓等,太陽能區域供熱采暖工程則還沒有應用實踐。
近年的太陽能采暖建設項目中,比較集中和有代表性的是北京周邊郊區縣新民居的太陽能采暖工程。由于農村住宅相對分散,密度低,不宜采用投資大,維護水平高的集中供暖模式,而傳統的燃煤取暖方式又存在效率低、污染環境、費用較高等問題,在農村推廣安全環保、運行費用低的太陽能采暖系統符合新農村建設的客觀要求。太陽能采暖所需的集熱面積遠大于太陽能熱水系統,安裝位置要求較大,對于高層建筑或居住密度較大的城區存在安裝建設條件不足的問題,限制了應用,而農村住宅一般建筑容積率較低,沒有明顯遮擋,具備建設太陽能采暖項目的良好條件。北京平谷區新民居太陽能采暖工程項目進展較早,有很多成功應用的經驗。
三、太陽能采暖系統設備
3.1集熱器
常見的太陽能集熱器有平板型和真空管型兩種,其中,真空管型又可分為全玻璃真空管型、U型管真空管和熱管真空管集熱器。目前在我國太陽能熱水器市場,平板太陽能熱水器約占10%左右的市場份額,其余均為真空管太陽能熱水器,而國外平板太陽能熱水器則占90%以上的市場份額,中國與世界太陽能市場主流存在巨大差異。由于太陽能采暖系統與建筑結合緊密,因而對集熱產品與建筑的結合、故障率、使用壽命等性能要求較高,平板集熱器結構簡單,抗壓,抗外力沖擊,適合承壓運行,從整體外觀、結構強度、安裝運行等方面都非常適合與建筑相結合。在熱性能方面,盡管平板集熱器的保溫性能不如真空管集熱器,但由于其有效采光面大于真空管集熱器,因此其熱效率高于真空管集熱器。早期平板集熱器不能防凍過冬的缺點隨著技術進步早已得到解決。太陽能采暖工程中,非采暖季能源過剩,真空管集熱器易發生爆管、真空度降低等問題,而平板集熱器則能較容易地解決這一問題,因此,目前北京地區太陽能采暖工程中,很多工程項目采用了平板型集熱器。
3.2 輔助熱源
為住宅提供采暖用熱水的太陽能采暖系統,與為住宅提供生活熱水的太陽能熱水系統在供水特點上是不同的,生活熱水不需要連續供應而采暖用熱水必須連續供應,而且要穩定可靠。太陽輻射受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件的限制和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,因此在太陽能采暖系統中,必須設置輔助熱源。輔助熱源要根據當地太陽能資源條件,常規能源的供應狀況,建筑物熱負荷和周圍環境條件等因素,做綜合經濟性分析,以確定適宜的輔助熱源及合理的太陽能供暖比例。太陽能采暖中可以選擇的輔助熱源主要有小型燃油(氣)鍋爐,城市熱網或區域鍋爐房、工業廢熱、電鍋爐、電熱管、地源熱泵及生物質燃料等。在農村建設的太陽能采暖項目,由于城市熱網及燃氣管線不易到達,油、電價格又較高,因此,輔助能源的應用類型多為生物質燃料。如北京平谷區掛甲峪村,輔助熱源用生物質鍋爐提供,采用生物質壓塊成型設備,把當地的果木修剪枝條粉碎后壓縮成燃料棒或燃料塊,作為生物質鍋爐燃料,同時還用作炊事燃料,這種生物質壓縮成型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方式。
3.3采暖末端
太陽能由于熱密度較低,集熱溫度很難達到較高水平。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,在太陽能采暖系統中,通常采用地板輻射采暖的末端供熱方式。地板采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。地板采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,腳暖頭涼的熱感覺更符合人體的生理學調節特點,且可以在比末端采用散熱器的系統低2-3℃的情況下獲得同樣的舒適感,節省供熱能耗。夜間采暖負荷一般大于白天,但夜間卻無太陽輻射,具有蓄熱功能的地板采暖方式是非常適合的。因此,目前太陽能采暖系統普遍采用地板輻射散熱系統作為末端。
四、太陽能采暖系統設計中存在的一些問題
4.1太陽能與建筑一體化
太陽能采暖系統是為建筑服務的,應該作為一個子系統融入建筑之中,實現太陽能與建筑一體化。但以我國太陽能熱水器發展來看:長期以來,太陽能熱水器一直是房屋建成后才由用戶購買安裝的,這種做法帶來很多問題,主要是對建筑外觀和房屋相關使用功能的破壞,導致了一些城市出臺不允許安裝太陽能熱水器的規定,嚴重制約了太陽能熱水器的進一步發展。由于太陽能采暖工程集熱器的面積遠大于太陽能熱水系統,因此,太陽能采暖系統與建筑的有機結合尤為重要。各建筑設計院過去很少設計太陽能采暖系統,這就要求設計人員在實踐中不斷將太陽能采暖技術融于建筑設計中,積累設計經驗以取得太陽能與建筑功能、建筑美學的協調。
4.2 冬夏熱量平衡問題
目前安裝的太陽能采暖系統,每6-8平米建筑面積約配置1平方米太陽能集熱器,此種配比條件下太陽能的冬季供暖保證率相對較低,但同時夏季太陽能系統產生的生活熱水遠大于實際消耗量,這使得太陽能集熱系統不得不采取悶曬、遮擋等方法來減少太陽得熱,造成非采暖季太陽能利用率過低和因系統過熱而產生安全隱患等問題,因此,解決冬夏熱量平衡問題成為太陽能采暖系統發展的重要技術問題。
4.3相關設計資料不完善
太陽能采暖系統設計主要由暖通工程師和建筑工程師來完成,由于過去很少進行此類設計,設計師希望有相關的標準、規范和設計手冊可供使用,目前已出版了國家標準GB50364《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》和《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》,但太陽能采暖系統的設計資料還不夠完善,各廠家的產品性能參數還需經權威檢測部門檢測后作為進行系統設計的重要依據。
五、發展太陽能采暖系統的措施
5.1加強建筑節能
建筑節能是實現太陽能采暖的先決條件,由于太陽能在單位面積上的能量密度較低,如果不通過加強圍護結構保溫等措施來有效降低建筑物的采暖負荷的話,太陽能采暖系統的集熱面積將會很大,增加系統的初投資,使太陽能采暖系統完全不能發揮應有的節能效益。我國已陸續頒布實施了針對不同建筑氣候區的建筑節能設計國家標準,這些標準的強制實施將大大降低建筑物的耗熱量指標,減輕太陽能采暖系統所承擔的負荷,形成太陽能供熱采暖工程應用的有利條件。
5.2提高太陽能集熱系統的效率
目前建設的太陽能采暖工程中,集熱器、水箱等關鍵產品還有較大的改進空間,如進一步提高平板集熱器的密封性以增加集熱效率等,企業應加強研發力量,提高產品質量和工藝水平,開發安全可靠,高效穩定的新產品以不斷提高太陽能集熱系統的效率。房屋設計之初就同步進行太陽能采暖系統的設計,使設計更適合于太陽能設備或部件的應用。在不影響建筑物的條件下,達到太陽能集熱性能的最佳。
5.3 提高太陽能利用率
太陽能采暖系統一定要提高太陽能利用率以縮短投資回收期。冬夏熱量不平衡的問題可由太陽能制冷技術、跨季節蓄熱技術和全年的綜合利用來解決。目前,跨季節蓄熱的理論和實驗研究還很少,研究的較多的是利用太陽能產生的熱水驅動吸收式制冷機的太陽能制冷,由于吸收式制冷機需要高溫水(85℃以上)做熱源,所以,應積極開發適用于太陽能空調系統的中高溫太陽能集熱器。在目前國內太陽能制冷技術和跨季節蓄熱技術還沒有市場化的條件下,可強調全年的綜合利用,考慮適當降低系統的太陽能保證率,合理匹配供暖和供熱水的建筑面積,如使系統供熱水的建筑面積大于供暖的建筑面積。
5.4政府制定鼓勵支持政策
太陽能采暖系統具有較高社會效益,但存在投資相對較高,投資回收期較長的缺點,對房地產開發商而言,如果開發成本的增加不能帶動房屋銷售的話,則開發商的積極性不高。因此,政府應積極建設試點工程,針對生產廠商、房地產開發商、終端用戶制定更完善、合理的鼓勵和支持政策,積極推廣試點工程經驗,提高系統整體技術水平,促進太陽能采暖行業及市場的良性發展。

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