太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
文章來源:未知時間:2022-02-16
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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：隨著社會的進步和科技的發(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措施。
引言
隨著我國經(jīng)濟高速的發(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豐富的國家，平均日輻射量在4kW/m2以上。年日照時數(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)機以及其他輔助熱源等。太陽能采暖系統(tǒng)主要分為主動式和被動式兩種形式，被動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)的恰當選擇，建筑物在冬季能夠充分吸收和貯存太陽輻射能，達到采暖的目的。
被動式太陽能采暖系統(tǒng)熱量變化波動大，換熱效率低，保溫效果較差，但結(jié)構(gòu)簡單、廉價、易于 管理。主動式太陽能采暖系統(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)。與被動式太陽能采暖相比，熱量變化波動小，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。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，主動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)者對太陽能采暖的研究比較早，早在20世紀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。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太陽能采暖領(lǐng)域起到促進作用。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)計結(jié)合的推進，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點，太陽能區(qū)域采暖還沒有應(yīng)用到實際中。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，可以同時接收直射輻射和散射輻射，安裝運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格高。易爆管，冬季易凍裂等問題。在夏季，過剩的熱量無法儲存，造成浪費。而平板型集熱器則不會出現(xiàn)以上問題。
2.2輔助熱源
太陽能采暖唯一的缺點就是受地區(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?shù)氐奶柲苜Y源以及太陽能采暖系統(tǒng)的工況選擇的，要對當?shù)氐慕ㄖ嶝摵杉捌洵h(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
通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析以及對一些工程實例的 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：
3.1設(shè)計資料不完善
太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計沒有相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)指南和設(shè)計手冊，也沒有成熟的設(shè)計方法和軟件。設(shè)計出來的采暖系統(tǒng)都是根據(jù)各設(shè)計師的經(jīng)驗及當?shù)厍闆r進行設(shè)計，所以出現(xiàn)的設(shè)計參數(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)生的熱量要遠遠多于冬季產(chǎn)生的熱量，而夏季還不需要采暖，造成很大的浪費。同時，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)狀及一些工程實例中發(fā)現(xiàn)，太陽能采暖需要的集熱面積遠遠大于采暖面積，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)計太陽能集采暖系統(tǒng)的采暖面積，使采暖面積遠遠大于建筑面積。對于太陽能采暖系統(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。達到最佳的集熱效率。
4.3規(guī)范太陽能采暖工程設(shè)計、施工手冊
目前我國出版了國家標準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》。這些規(guī)范還不夠完善。相對于國外來說，我國應(yīng)該出版相關(guān)的標準、規(guī)范和設(shè)計手冊來供給設(shè)計師參考。為太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計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)能效益和社會效益，但其缺點是初次投資高，投資回收期長。因此，房地產(chǎn)開發(fā)商對此興趣不高。政府應(yīng)該大力支持和鼓勵開發(fā)商建設(shè)試點工程，政府出臺相應(yīng)的優(yōu)惠政策，更好的促進太陽能采暖的快速發(fā)展。
5總結(jié)
通過對太陽采暖系統(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。隨著國家的鼓勵和扶持，太陽能采暖技術(shù)將有著廣泛的應(yīng)用前景。
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