太陽能供熱采暖系統(tǒng)存在問題及改進(jìn)措施

祁 菁

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001）

1 前言

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(huán)境負(fù)荷，將成為未來能源結(jié)構(gòu)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(qū)的年太陽輻照量超過5000MJ/（m2.a），年日照小時數(shù)大于 2000h，每年陸地接收的太陽輻射能相當(dāng)于2.4萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，具有太陽能利用的良好條件。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來能源的基礎(chǔ)。利用太陽熱能為建筑物供熱采暖可以獲得非常良好的節(jié)能和環(huán)境效益。因此，太陽能采暖技術(shù)越來越受到人們的重視。

2 太陽能供熱采暖系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀

太陽能采暖系統(tǒng)是指以太陽能作為采暖系統(tǒng)的熱源，利用太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，供給建筑物冬季采暖和全年其他用熱的系統(tǒng)。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(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的恰當(dāng)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(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、末端供熱采暖系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和其他能源輔助加熱、換熱設(shè)備集合構(gòu)成，相比于被動式太陽能采暖，其供熱工況更加穩(wěn)定，但同時，投資費(fèi)用也增大，系統(tǒng)更加復(fù)雜。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，主動式太陽能采暖開始大規(guī)模應(yīng)用。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對太陽能采暖的研究較早，早在1950年美國麻省理工學(xué)院就舉行了利用太陽能采暖的學(xué)術(shù)討論會，發(fā)表了不少關(guān)于太陽能采暖的論文。對太陽能采暖領(lǐng)域起促進(jìn)發(fā)展作用是在1945年發(fā)明了平板式集熱器和在1975年發(fā)明了全玻璃真空管集熱器。之后利用集熱技術(shù)給建筑供暖開始從實(shí)驗階段走向應(yīng)用階段。

國外太陽能界將太陽能采暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)建成同一套系統(tǒng)，并將這種系統(tǒng)稱為Solarcombi system。早在20世紀(jì)80年代中期，法國就著手研究太陽能組合系統(tǒng)，并推出一種稱為“直接太陽能地板”的系統(tǒng)。到20世紀(jì)90年代，奧地利、丹麥、芬蘭、德國、瑞典、瑞士、荷蘭等國家相繼設(shè)計出各種型式的太陽能組合系統(tǒng)。

1974年日本通產(chǎn)省制定了“陽光計劃”，并按此計劃建造了數(shù)幢太陽能采暖、空調(diào)建筑。而且多年來，在日本的許多大型建筑物上都已經(jīng)應(yīng)用了太陽能采暖、空調(diào)系統(tǒng)。最引人注目的是上智大學(xué)中央圖書館，采用集熱器屋頂一體化設(shè)計，太陽能集熱器集取的熱量用于多種用途，冬季用于供給地板采暖，夏季用于驅(qū)動制冷機(jī)制冷，一年四季用于洗浴用水的供給。

在1980～1990年間，國際能源署（lEA）啟動了第6項任務(wù)，“帶跨季節(jié)儲熱器的集中式太陽能供熱設(shè)施”項目。

1998年，國際能源署(IEA)在太陽能供熱與供冷計劃(solar heating&cooling rogramme)中推出專題26：太陽能復(fù)合系統(tǒng)(Task 26：solarcombisystem)。其主要任務(wù)包括：太陽能供熱采暖系統(tǒng)的調(diào)查及推廣、性能試驗方法及數(shù)值模擬方法研究、系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計等，建立起了太陽能復(fù)合系統(tǒng)的分類、設(shè)計、評估及測試等一整套完備的體系。

從2000年開始，德國BMBF(聯(lián)邦教育科技部)和BMWi(聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部)實(shí)施了太陽能區(qū)域供熱政府項目，“Solarthermie－2000－Part3 Solar assisted district heming”，至2003年已建成12個太陽能區(qū)域供熱示范工程，8座季節(jié)蓄熱小區(qū)熱力站和4座短期蓄熱小區(qū)熱力站。

歐洲利用大型太陽能熱力站為20～30住戶以上的住區(qū)提供集中生活熱水和供暖。截至2003年，歐洲已建成65座集熱器安裝面積500m2以上的大規(guī)模太陽能熱力站。其中57座直接為居住區(qū)或住宅小區(qū)服務(wù)。采用短期蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為1775m2，采用跨季節(jié)蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為2009m2，無蓄熱直接與市政網(wǎng)并網(wǎng)的平均集熱面積為1280m2，且主要是用于既有建筑的供熱節(jié)能改造。

歐洲到2005年共安裝1536萬m2太陽能集熱器，采暖系統(tǒng)使用集熱器約占總量的20%，每年新建太陽能采暖系統(tǒng)約12萬個，可節(jié)約常規(guī)能源20%～60%。

近年來，世界很多國家積極開展了太陽能與建筑一體化的研究工作。歐洲建了許多示范工程，瑞士西部一公寓建筑南向屋頂全部安裝了太陽熱水集熱器，代替了屋頂傳統(tǒng)建筑材料，建筑的供暖和熱水能耗大部分由屋頂集熱器提供，建筑既美觀又提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國太陽能在建筑中的應(yīng)用研究開始于20世紀(jì)70年代末，太陽能熱水器是我國太陽能利用中應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領(lǐng)域。1975年在河南安陽召開了“全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗交流大會”，之后太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經(jīng)費(fèi)和物質(zhì)支持。

我國的太陽能供熱采暖工程應(yīng)用仍處于起步階段，目前已建成若干單體建筑太陽能供熱采暖試點(diǎn)工程。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(qū)域供熱采暖工程則還沒有應(yīng)用實(shí)踐。

近幾年，國內(nèi)的一些專家和學(xué)者對太陽能采暖進(jìn)行了大量的研究，比較有代表性的有，廣州大學(xué)建筑學(xué)院的裴清清對西北邊疆某哨所樓進(jìn)行了建筑熱工分析和計算，計算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量和耗熱量；對平板型空氣集熱器、卵石床蓄熱器及其它系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計與計算，簡述了太陽能供暖系統(tǒng)集熱、蓄熱、供暖的運(yùn)行控制方法。中房集團(tuán)新技術(shù)中心有限公司的齊政新和中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所的李巖研究了輔助太陽能的地板采暖的系統(tǒng)形式，對不同的系統(tǒng)形式作了分析，探討了設(shè)計中需注意的問題。他們在論文中描述了間歇運(yùn)行系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)的連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)兩種系統(tǒng)，并分析了太陽能用于采暖的條件和限制。上海理工大學(xué)的于國清等人，以一個100 m2的房間為研究對象，采用 10～15年內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)對太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬的結(jié)果，分析其初投資、壽命周期內(nèi)的總能耗、總運(yùn)行費(fèi)用、綜合熱價等指標(biāo)，然后將其與燃?xì)忮仩t、燃煤鍋爐、電鍋爐采暖進(jìn)行比較，對比其初投資、運(yùn)行費(fèi)用、總能耗等指標(biāo)。然后分析了不同的氣象條件、每日太陽能負(fù)責(zé)的采暖小時數(shù)、集熱器價格等因索對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

蘭州理工大學(xué)王磊磊、李金平設(shè)計出了太陽能和生物質(zhì)能互補(bǔ)的散熱器采暖別墅。通過對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和能量利用率分析，得出該新型太陽能和生物質(zhì)能互補(bǔ)的散熱器采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性好，能量利用率高。顧曉燕等開展了太陽能制冷及供暖綜合系統(tǒng)研究。程建國、許志浩進(jìn)行了西藏太陽能與水源熱泵聯(lián)合供暖應(yīng)用研究。

國內(nèi)部分太陽能企業(yè)和建筑業(yè)也構(gòu)建了一些太陽能與建筑結(jié)合的示范工程。目前，在山東、江蘇、浙江、安徽、北京等地已有太陽能熱水器生產(chǎn)廠商主動聯(lián)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖO(shè)計院進(jìn)行太陽能熱水器與小區(qū)住宅一體化設(shè)計的試點(diǎn)和示范，取得了較好的效果。

3 太陽能供熱采暖存在的問題

通過上面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用太陽能來供熱采暖一直是世界上比較重視的研究課題，也做了一些工程實(shí)例，但仍然存在一些問題：

（1）太陽能采暖系統(tǒng)與太陽能熱水器相比存在以下差異：1）采暖負(fù)荷在不同月份變化很大，熱水負(fù)荷四季差別較??；2）系統(tǒng)供回水溫差差異較大；3）太陽能與采暖負(fù)荷存在明顯矛盾。太陽能輻照強(qiáng)度高的月份(3～10月)不需要采暖，太陽能輻照強(qiáng)度高的白天采暖負(fù)荷較夜晚低。因此，在采暖系統(tǒng)設(shè)計中不能簡單把熱水系統(tǒng)放大，必須考慮以下幾個方面：①輔助能源；②太陽能保證率；③系統(tǒng)的防凍問題；④系統(tǒng)的過熱問題；⑤換熱水箱的設(shè)計。

（2）太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計大多仍然停留在簡單估算的水平上，沒有成熟、成套的設(shè)計方法或軟件。在單位面積供暖負(fù)荷、當(dāng)?shù)靥栞椪斩取⑺潴w積的確定等設(shè)計參數(shù)的選擇上，都沒有一個精確的計算方法，不同設(shè)計人員給出的設(shè)計參數(shù)相差很大。

（3）目前太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計思路是依據(jù)相關(guān)規(guī)定，首先粗略估計房間的熱負(fù)荷，然后設(shè)計系統(tǒng)，最后再對整個采暖系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性分析。顯然，這樣的設(shè)計思路無法在滿足熱用戶舒適度要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能最大化。國內(nèi)外工程實(shí)例中，很少注重室內(nèi)環(huán)境舒適度要求，也很少對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測試，未對采暖效果做出評估。

（4）很多安裝太陽能供熱采暖系統(tǒng)的建筑為非節(jié)能建筑，造成系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，經(jīng)濟(jì)性很差，增加系統(tǒng)的初投資，使太陽能供熱采暖系統(tǒng)不能完全發(fā)揮應(yīng)有的節(jié)能效益。

（5）冬夏熱量平衡問題。太陽能供熱采暖系統(tǒng)中夏季產(chǎn)生的熱水遠(yuǎn)大于實(shí)際消耗量，這使得太陽能集熱系統(tǒng)不得不采取悶曬、遮擋等方法來減少太陽的熱，造成非采暖季太陽能利用率過低和因系統(tǒng)過熱而產(chǎn)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(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)問題。

（6）陽能與建筑一體化問題。國內(nèi)外工程實(shí)例中，太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計很少重視與建筑的結(jié)合，這種分離的狀態(tài)不但影響了建筑的美觀還影響到建筑結(jié)構(gòu)承重等。

總之太陽能供熱采暖系統(tǒng)的最大技術(shù)“瓶頸”在于其經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的問題。因此，如果能解決這兩個問題，太陽能供熱采暖系統(tǒng)將會成為新能源利用的典型。

4 發(fā)展太陽能供熱采暖系統(tǒng)的措施

4.1 加強(qiáng)建筑節(jié)能

太陽能供熱采暖技術(shù)是一項新的節(jié)能技術(shù)，它應(yīng)用的前提是節(jié)能建筑。由于太陽能在單位面積的能量密度低，如果維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能不好，勢必增加建筑物的采暖耗熱量，集熱器面積將會很大，系統(tǒng)初投資提高，太陽能供熱采暖系統(tǒng)不能發(fā)揮應(yīng)用的節(jié)能效益。

4.2 規(guī)范太陽能供熱采暖工程的設(shè)計、施工和驗收

近十余年來，歐洲、北美發(fā)達(dá)國家的太陽能供熱采暖規(guī)模化利用快速發(fā)展，建成了大批利用太陽能的區(qū)域供熱采暖系統(tǒng)，并編寫出版了相應(yīng)的技術(shù)指南和設(shè)計手冊。我國的太陽能供熱采暖技術(shù)近幾年來也成為可再生能源建筑應(yīng)用的熱點(diǎn)，各地陸續(xù)建成了一批試點(diǎn)示范工程，國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》也于2009年3月發(fā)布。

4.3 提高太陽能集熱系統(tǒng)效率

目前建設(shè)的太陽能采暖工程中，集熱器、水箱等關(guān)鍵產(chǎn)品還有較大的改進(jìn)空間。如進(jìn)一步提高平板集熱器的密封性以增加集熱效率等。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)力量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平，開發(fā)安全可靠、高效穩(wěn)定的新產(chǎn)品以不斷提高太陽能集熱系統(tǒng)的效率。

4.4 提高太陽能利用率

太陽能全年綜合利用可大大提高其利用率，同時也可以解決冬夏熱量不平衡問題?？刹捎玫拇胧┯校哼m當(dāng)降低系統(tǒng)的太陽能保證率；合理匹配供暖和供熱水的建筑面積(同一系統(tǒng)供熱水的建筑面積應(yīng)大于供暖的建筑面積)；夏季利用太陽能制冷以及跨季節(jié)蓄熱等。

4.5 太陽能與建筑一體化

太陽能與建筑的關(guān)系經(jīng)歷了被動接受(被動式太陽房)，簡單疊加(太陽能熱水器)，與建筑一體化則是未來的發(fā)展趨勢。所謂與建筑一體化就是要做到與工程建設(shè)項目同步設(shè)計、同步施工、同步驗收、同時投入使用。這樣就可以避免影響建筑美觀、破壞建筑結(jié)構(gòu)，并使各專業(yè)協(xié)調(diào)進(jìn)行，減少安全隱患。

4.6 政府制定鼓勵支持政策

太陽能采暖系統(tǒng)具有較高的社會效益，但存在投資相對較高，投資回收期較長的缺點(diǎn)。對房地產(chǎn)開發(fā)商而言，如果開發(fā)成本的增加不能帶動房屋銷售的話，則開發(fā)商的積極性不高。因此，政府應(yīng)積極建設(shè)試點(diǎn)工程，針對生產(chǎn)廠商、房地產(chǎn)開發(fā)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(diǎn)工程經(jīng)驗，提高系統(tǒng)整體技術(shù)水平，促進(jìn)太陽能采暖行業(yè)及市場的良性發(fā)展。

5 結(jié)語

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，太陽能供熱采暖雖然存在著一些問題，但太陽能供熱采暖是最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲軣崂眉夹g(shù)。隨著國家大力推進(jìn)可再生能源應(yīng)用力度，以及出臺相應(yīng)的優(yōu)惠政策，太陽能供熱采暖技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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7 周理民.讓太陽能的光輝照耀中國房地產(chǎn)──再談太陽能與建筑完美結(jié)合【J】.現(xiàn)代家電，2003，51－53.