太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
文章來源:未知時(shí)間:2022-02-16
點(diǎn)擊:
591
楊立權(quán)，王 琪，劉姍姍
?。洲r(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118）
摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展以及環(huán)境污染問題的日益重視，能源的需求量也越來越緊張。太陽能作為一種清潔、環(huán)保的可再生能源，是未來能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)選能源。在建筑能耗日益嚴(yán)峻的今天，發(fā)展太陽能采暖系統(tǒng)是未來采暖的方向之一。太陽能采暖系統(tǒng)主要是以太陽能作為熱源，供給建筑物冬季采暖和其他用熱系統(tǒng)。本文主要介紹了國內(nèi)外太陽能采暖系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和主要設(shè)備的應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上分析了太陽能采暖系統(tǒng)存在的問題及其改進(jìn)措施。
引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，人民的生活水平的不斷提高，環(huán)境污染問題日益重視及能源的需求量日益增加，在化石能源枯竭的潛在威脅下，在常規(guī)能源對(duì)環(huán)境造成不利影響下。太陽能作為一種清潔、環(huán)保的可再生能源，是未來能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，與常規(guī)能源相比，太陽能有著不可比擬的優(yōu)越性。我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，平均日輻射量在4kW/m2以上。年日照時(shí)數(shù)在2000h以上。太陽能即是近期急需的能源之一，又是未來能源發(fā)展的基礎(chǔ)。利用太陽能為建筑供熱采暖具有巨大的節(jié)能效益和環(huán)境效益。因此，太陽能采暖技術(shù)一直受到世界各國人們的重視。
1太陽能采暖系統(tǒng)概況及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1太陽能采暖系統(tǒng)原理
太陽能采暖是指通過集熱器將清潔、無污染的太陽能加以吸收，將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，將所得的熱量通過傳熱工質(zhì)傳遞，供給建筑物冬季采暖和其他用熱系統(tǒng)。太陽能采暖系統(tǒng)主要組成部分有太陽能集熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、末端供暖系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、連接管道、泵或風(fēng)機(jī)以及其他輔助熱源等。太陽能采暖系統(tǒng)主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種形式，被動(dòng)式太陽能采暖是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)選擇，建筑物在冬季能夠充分吸收和貯存太陽輻射能，達(dá)到采暖的目的。
被動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)熱量變化波動(dòng)大，換熱效率低，保溫效果較差，但結(jié)構(gòu)簡單、廉價(jià)、易于 管理。主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)是指將傳熱工質(zhì)（水或空氣）通過太陽能集熱器輸送到蓄熱器或采暖房內(nèi)。與被動(dòng)式太陽能采暖相比，熱量變化波動(dòng)小，換熱效率高，保溫效果好，但基建投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，管理困難。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，主動(dòng)式太陽能采暖被廣泛的推廣應(yīng)用。
1.2國外應(yīng)用現(xiàn)狀
國外學(xué)者對(duì)太陽能采暖的研究比較早，早在20世紀(jì)50年代，美國麻省理工就已經(jīng)成功舉辦了太陽能采暖的學(xué)術(shù)研討會(huì)。1945年發(fā)明的平板式集熱器和1975年發(fā)明的全玻璃真空管集熱器對(duì)太陽能采暖領(lǐng)域起到促進(jìn)作用。從此利用集熱器給建筑供暖開始走向?qū)嶋H應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，法國推出一種“直接太陽能地板”系統(tǒng)。隨后其他各國也設(shè)計(jì)了各種形式的太陽能采暖組合系統(tǒng)。德國是較早利用太陽能采暖技術(shù)的國家，太陽能采暖技術(shù)在供熱領(lǐng)域和配套建設(shè)得到廣泛的應(yīng)用。
1.3國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
我國太陽能在建筑中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代末，太陽能利用主要體現(xiàn)在太陽能熱水器的的使用，太陽能熱水器應(yīng)用在我國是最廣泛、發(fā)展最迅速的領(lǐng)域。我太陽能采暖技術(shù)起步較晚，目前仍處于起步階段，大部分采暖還主要依靠常規(guī)能源。隨著我國太陽能與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合的推進(jìn)，目前有北京清華陽光公司辦公樓、天普新能源示范大樓等太陽能采暖試驗(yàn)點(diǎn)，太陽能區(qū)域采暖還沒有應(yīng)用到實(shí)際中。近年來，在我國政府的扶持下，太陽能采暖在建筑中的應(yīng)用比較廣泛。但由于太陽能采暖系統(tǒng)的集熱面積要求比較大，安裝條件不足，限制了太陽能采暖系統(tǒng)的應(yīng)用。
2太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)備
2.1集熱器
太陽能集熱器是太陽能采暖系統(tǒng)的核心部件，常見的集熱器有平板型集熱器和真空管集熱器。應(yīng)用最多、最廣泛的是平板型太陽能熱水器。平板型集熱器結(jié)構(gòu)簡單，不需要跟蹤，成本較低，抗壓，可以同時(shí)接收直射輻射和散射輻射，安裝運(yùn)行方面更適合與建筑結(jié)合。雖然真空管集熱器的集熱效果及保溫效果要比平板型集熱器好，但是真空管集熱器價(jià)格高。易爆管，冬季易凍裂等問題。在夏季，過剩的熱量無法儲(chǔ)存，造成浪費(fèi)。而平板型集熱器則不會(huì)出現(xiàn)以上問題。
2.2輔助熱源
太陽能采暖唯一的缺點(diǎn)就是受地區(qū)、季節(jié)、晝夜以及陰雨天等這些自然因素的影響，存在較大的不穩(wěn)定性。所以說在太陽能采暖建筑中，必須借助輔助熱源，保證太陽能采暖的穩(wěn)定、連續(xù)的供應(yīng)。輔助熱源的選擇是根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源以及太陽能采暖系統(tǒng)的工況選擇的，要對(duì)當(dāng)?shù)氐慕ㄖ嶝?fù)荷及其環(huán)境等因素做綜合性的分析來確定合適的輔助熱源的。一般的輔助熱源有鍋爐、熱泵、電熱管、生物質(zhì)鍋爐及地源熱泵等。
2.3采暖末端
由于太陽能熱密度低，集熱溫度不是很高，達(dá)不到普通散熱器的溫度要求。因此，在太陽能采暖系統(tǒng)中，地板輻射采暖作為末端太陽能采暖系統(tǒng)最好的方式之一。太陽能集熱器所釋放的溫度正好適合地板采暖所需要的溫度。從生理學(xué)上考慮，梯度散熱的地板采暖更適合人體生理的舒適感。在夜間室內(nèi)需要的熱量大，但是夜間無太陽輻射，所以地板采暖最適合作為采暖末端了。目前，地板采暖在太陽能采暖系統(tǒng)中應(yīng)用的更為普遍。
3太陽能采暖系統(tǒng)存在的問題
通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析以及對(duì)一些工程實(shí)例的 研究表明，太陽能采暖系統(tǒng)存在很多問題，主要有以下幾點(diǎn)：
3.1設(shè)計(jì)資料不完善
太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)指南和設(shè)計(jì)手冊(cè)，也沒有成熟的設(shè)計(jì)方法和軟件。設(shè)計(jì)出來的采暖系統(tǒng)都是根據(jù)各設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)及當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以出現(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)有很大的差異性。
3.2冬夏熱量平衡問題
熱量不平衡問題是太陽能采暖系統(tǒng)發(fā)展中重要的技術(shù)問題，夏季產(chǎn)生的熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于冬季產(chǎn)生的熱量，而夏季還不需要采暖，造成很大的浪費(fèi)。同時(shí)，還存在熱量過大產(chǎn)生安全隱患等一系列問題，所以不得不采取遮擋等辦法來阻礙太陽能采暖系統(tǒng)的得熱量。因此，解決熱量不平衡問題是目前的重要任務(wù)之一。
3.3太陽能采暖系統(tǒng)管理問題
太陽能采暖系統(tǒng)夏季仿制過熱產(chǎn)生，冬季還得考慮系統(tǒng)防凍問題，以及管路的保溫和散熱等問題。
3.4太陽能與建筑一體化問題
從國內(nèi)研究現(xiàn)狀及一些工程實(shí)例中發(fā)現(xiàn)，太陽能采暖需要的集熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采暖面積，所以導(dǎo)致采暖系統(tǒng)與建筑出現(xiàn)很大的結(jié)合問題。例如，我國太陽能熱水器的安裝是在購買房屋之后，這種安裝方式給建筑物和房屋帶來一定的破壞性，尤其是建筑的外觀。目前有很多城市禁止在房屋上安裝太陽能熱水器的措施。嚴(yán)重阻礙了太陽能熱水器的發(fā)展和使用。
4發(fā)展太陽能采暖系統(tǒng)的措施
4.1加強(qiáng)建筑節(jié)能
單位面積的太陽能能量密度低，如果建筑物的外圍結(jié)構(gòu)保溫性不好及采暖負(fù)荷低，那就得增加太陽能集熱板的采暖面積。提高了初次投資的成本，也談不上太陽能采暖系統(tǒng)具有節(jié)能效益了。
4.2提高太陽能利用率和太陽能采暖系統(tǒng)的效率
由于冬夏熱量不平衡等問題，自然環(huán)境造成的熱量不均等問題，都導(dǎo)致太陽能利用率低。所以應(yīng)該降低采暖系統(tǒng)的太陽能保證率，合理設(shè)計(jì)太陽能集采暖系統(tǒng)的采暖面積，使采暖面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑面積。對(duì)于太陽能采暖系統(tǒng)的效率，應(yīng)該提高太陽能集熱板的集熱效率，設(shè)計(jì)新型高效的太陽能集熱板。并將太陽能采暖系統(tǒng)與建筑同步建設(shè)，這樣可以是太陽能采暖系統(tǒng)與建筑物更好的結(jié)合。達(dá)到最佳的集熱效率。
4.3規(guī)范太陽能采暖工程設(shè)計(jì)、施工手冊(cè)
目前我國出版了國家標(biāo)準(zhǔn)GB503464《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)》。這些規(guī)范還不夠完善。相對(duì)于國外來說，我國應(yīng)該出版相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)來供給設(shè)計(jì)師參考。為太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。
4.4政府扶持
太陽能采暖系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效益和社會(huì)效益，但其缺點(diǎn)是初次投資高，投資回收期長。因此，房地產(chǎn)開發(fā)商對(duì)此興趣不高。政府應(yīng)該大力支持和鼓勵(lì)開發(fā)商建設(shè)試點(diǎn)工程，政府出臺(tái)相應(yīng)的優(yōu)惠政策，更好的促進(jìn)太陽能采暖的快速發(fā)展。
5總結(jié)
通過對(duì)太陽采暖系統(tǒng)的分析，太陽能采暖系統(tǒng)仍存 在很多難以解決的問題，但從總體來說，太陽能采暖是未來采暖產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。隨著國家的鼓勵(lì)和扶持，太陽能采暖技術(shù)將有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
王倩，高新宇.太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展.區(qū)域供熱，2009（02）.
李戩洪，白寧，馬偉斌等.大型太陽能空調(diào)/熱泵系統(tǒng).太陽能學(xué)報(bào)，2006（2）：152-158.
祁菁.太陽能供熱采暖系統(tǒng)存在問題及改進(jìn)措施.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（11）.
趙學(xué)君，劉喜星.太陽能采暖促進(jìn)建筑節(jié)能的發(fā)展.中國資源綜合利用，2009（12）.
趙振華.太陽能采暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究.天津大學(xué)碩士論文， 2010（06）.
王岳人，毛宏迪，宋延麗.主動(dòng)式太陽能供暖系統(tǒng)保證率定量分析.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，29（6）：1078-1084.
段建艾.河西地區(qū)農(nóng)房建造方式選型和太陽能利用的分析與研究 . 甘肅科技，2013（06）.
張廣宇，于國清，何建清.較大規(guī)模集中式住區(qū)級(jí)跨季節(jié)蓄熱型太陽能供熱系統(tǒng)參數(shù)研究.暖通空調(diào)，2007，37（8）：113-116.
王曦，李春梅.范軍.太陽能地板采暖系統(tǒng).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，（增刊）：184-185.
Renewable energy sources in figures.Berlin：Federal Ministry for the Environment，2005.
Werner Weiss.Solar heating systems for houses.London：James Ltd，2003.
