壁掛式太陽能供熱系統的研究現狀分析

郭藝丹

【摘 要】針對近幾年高層建筑紛紛安裝壁掛式太陽能供熱但利用率低，產生的經濟效益有限的情況下，客觀詳細的分析了壁掛式太陽能優缺點、太陽能和其他能源組合作為熱源的研究現狀，為提高太陽能熱利用提供參考。

【關鍵詞】太陽能；多能源組合；熱水供應；清潔能源

【Abstract】In recent years，high-rise buildings have been installed wall-mounted heating，but the utilization rate is low，resulting in limited economic circumstances，the objective and detailed analysis of the advantages and disadvantages of wall-mounted solar energy，solar and other energy sources as a heat source research status，Heat utilization provides a reference.

【Key words】Solar energy；Multiple energy mix；Hot water supply；Clean energy

0 引言

太陽能熱水器具有節能、環保、安全的優點，越來越受到用戶和太陽能廠商的青睞。近幾年，隨著新建樓層越來越高，傳統的屋頂太陽能熱水系統難以滿足居民生活需求，平板陽臺壁掛式太陽能（以下簡稱壁掛式太陽能）應運而生，因為政府對太陽能熱水項目的鼓勵和強制規定，有不少新建地產項目紛紛給高層住戶裝上了壁掛式太陽能。

但也出現有不少住戶將嶄新的太陽能儲水罐拆除掉，安裝燃氣熱水器的現象。政府大力扶持、開發商花錢裝太陽能而住戶不領情的尷尬局面，對高層安裝壁掛式太陽進行客觀的分析是必要的，文章對壁掛式太陽能的優缺點及多能源組合做了詳細的分析，為提高壁掛式太陽能的熱利用提供參考。

1 正文

現在市場上占主導地位的太陽能熱水器主要有平板型和真空管型兩種，真空管式太陽能，其熱效率高、保溫性好，但管內存水、抗凍性差，且玻璃管內壁易結垢，不易清除，全玻璃真空管式如果一支管破碎后，整個系統將不能使用；熱管真空管式太陽能受熱管工質的循環次數有限，從而影響其使用壽命[1]。壁掛式太陽能屬于分離式太陽能熱水系統，水箱放置在陽臺內，集熱器安裝位置不局限于屋頂，也可以放置建筑南里面陽臺上，深受高層建筑用戶歡迎。

1.1 壁掛式太陽能優缺點

優點：

1）安裝不受樓層限制，多用于高層建筑。

2）承壓運行，出水壓力足（冷水壓力必須足），可多點供水。

3）相比屋頂太陽能，進水管道距離短，放少量的冷水就可出熱水。

4）利用太陽能提供熱源，不需要燃氣和電力，節省能源，同時既安全又環保。

缺點：

1）容積小，基本維持在80--100升（屋頂太陽能最小的也得160升，16只管）

2）溫度低，最高溫度不會超過75℃，冬季不用輔助電加熱基本維持在30℃--40℃

3）因為是承壓運行就需要涼水頂熱水才可以使用，一旦涼水壓力低，就不能使用熱水。

4）太陽能受地域、天氣等影響較大，不能很好地滿足用能需求。

太陽能無處不在，隨處即可開發利用且無需運輸，能量巨大，綠色、無污染，取之不盡、用之不竭，我國已經把大力推動、發展新能源、可再生能源作為國家的一項重大戰略任務[2]。湖北省武漢市規定，自2013年7月1日起，武漢市內新建、改建、擴建18層及以下建筑，太陽能熱水系統須達到100%；18層以上建筑，太陽能熱水系統須達到30%。政府這樣簡單的硬性規定，開發商粗放的大資金投入壁掛式太陽能，所帶來的經濟效益也非常有限。

一方面，太陽能受季節、氣候特點的影響，如果只采用太陽能供熱，無法滿足住戶的熱水需求，冬季太陽能集熱箱出水溫度低，末端負荷基本靠電輔助加熱；另一方面，在日照強的天氣里，由于壁掛式太陽能是涼水頂熱水才能使用熱水，洗浴時熱水的使用，大量的涼水注入太陽能儲水罐，罐內熱水溫度下降很快，滿足不了多人洗浴，而且洗浴時熱水溫度變化要不斷調節水龍頭冷熱水方向，影響洗浴舒適度。況且趕上南方的梅雨季節，太陽能的輻射幾乎為0，太陽能熱水供應根本滿足不了需求。

另外對于成片的高層住宅群，由于樓宇間的遮擋，住在低層的住戶所安裝的集熱器不能接受到充分的日照，因此低層用戶更難達到理想的使用效果，導致其運行效率低下，必須采用輔助加熱措施。

目前壁掛式太陽能輔助加熱裝置一般為電加熱，而電多是由煤燃燒發出的熱能轉化來的，代價較高。這種方式效率低且不符合節能減排理念，一般不建議采用電作為輔助能源。

因此，要更好地滿足用戶24小時用熱需求，太陽能與其他能源互補使用已成為一種必然趨勢。多能源集成熱水系統既可以單獨工作，也可根據用戶需求自由組合，能夠彌補不同能源間的缺陷，實現大幅度節能減排的目標。

1.2 多能源輔助太陽能供熱組合方式

建筑能耗中熱水系統占據了絕對的主導地位，同時熱水系統與采暖系統結合使用相對更為常見，這主要是因為采暖系統主要是利用太陽能產生的熱水進行供暖，因此采暖系統常與熱水系統一起使用。太陽能熱水系統與其他能源進行聯合運用的組合方式主要有：電輔助太陽能熱水系統；燃氣輔助太陽能熱水系統；地源熱泵-太陽能組合式供暖；空氣源熱泵輔助太陽能聯合供熱；太陽能與熱網互補供暖系統。

1.2.1 電輔助太陽能熱水系統

目前在高層建筑上安裝的平板壁掛式太陽能均采用電輔助太陽能熱水系統。因為太陽能的間歇性，通過電加熱輔助太陽能供應熱水，解決了傳統太陽能熱水系統不能24h運行的缺點。但這種熱水系統仍然需要消耗大量的電能，能源浪費問題依然存在[3]。

1.2.2 燃氣輔助太陽能熱水系統

燃氣熱水器是較早投入使用的熱水器，其燃氣可采用天然氣和液化氣。燃氣熱水器具有即開即用，出水快，洗浴方便快捷的優點，但耗能較大[4]，而且燃氣熱水器在使用過程中，產生一氧化碳和硫化氣體等廢氣，易造成有害氣體聚積和氧氣缺乏，從而引發人體中毒。基于節能環保和經濟效益的考慮，燃氣輔助太陽能熱水器的應用受到一定的限制。

1.2.3 地源熱泵-太陽能組合式供熱

地源熱泵-太陽能采暖系統由地源熱泵和太陽能作為熱源，通過地源熱泵、太陽能集熱器、水箱、連接管道、控制系統和發熱末端等構成。將太陽能所采集的熱源和地源熱泵采集的熱源通過管道將熱源儲存在水箱內，然后通過熱水輸送到發熱末端，提供建筑供熱的需求[5]。但地源熱泵需要地下埋管，初期投入大，適合別墅群住戶，一般高層住戶無法安裝。

1.2.4 空氣源熱泵輔助太陽能聯合供熱

空氣源熱泵是以空氣作為熱源進行供熱的裝置，能夠以較低的能量消耗，實現把低溫位熱能輸送至高溫位，利用自然資源中的熱量，很好地滿足了用戶熱負荷的要求[6]。太陽能和空氣能都屬于清潔能源，如果將空氣源熱泵與太陽能熱水系統聯合供熱，以最優的模式運行，不僅最大程度利用了太陽能，且有效地減少了對電能的消耗，對更好地節約能源、保護環境有著重大意義[7]。空氣源熱泵在0℃以下，易出現結霜問題，因此空氣源熱泵輔助供熱太陽能供熱水系統節能性和經濟效益均較顯著， 是適宜在南方推廣的供熱供暖系統。

1.2.5 太陽能與熱網互補供暖系統

隨著能源短缺及供暖需求的增大，已有熱網無法滿足小區供暖需求，可以將太陽能與熱網互補聯合供暖，互補供暖系統主要由太陽能集熱系統、熱泵機組系統和熱網系統組成。為了確保末端熱用戶的供暖需求，從能耗和經濟性兩個方面分析，設計熱網承擔大部分熱負荷，太陽能作為輔助補熱系統，研究結果表明，當室外太陽輻照度足夠時，出水平均溫度提高了，平均COP值由 3.167 增加到 4.65，熱網的供暖時間得以增加[8]。

多能源輔助太陽能供熱組合方式能夠更加有效的利用太陽能源，缺點是前期投入較大，但后期使用成本低，加上政府有力的扶持，值得推廣應用。

1.3 壁掛式太陽能主要研究參數

太陽能熱水器冬季出水溫度低，一般天氣只有20℃左右，遠遠達不到55℃的要求。因此冬季使用太陽能供熱、供暖必須結合其他熱源輔助加熱，而太陽能和何種熱源結合，要考慮輔助熱源的安裝成本、運行成本，項目實施地的太陽能輻射量，太陽能集熱器的熱轉換效率、水箱的保溫性能和日照遮擋問題等，這些是影響太陽能熱水器使用效率的關鍵要素，這也是今后太陽能供熱、供暖研究的主要參數。

此外，怎樣將太陽能的能量進行儲存已經成為國際性課題，跨季節太陽能蓄熱系統已經在歐洲一些國家實施并開展。

2 結論

綜上研究，壁掛式太陽能作為一種新型能源，已經受到我國政府的高度關注，而壁掛式太陽能的缺點限制了它的使用時間和范圍，多能源輔助太陽能供熱方式能夠很好的解決這種問題，將壁掛式太陽能和其他熱源結合起來為用戶提供綠色、清潔、高可靠性、高性價比的供熱、供暖系統成為研究熱點，該類研究對于降低建筑物的能源消耗，增大社會效益具有重要意義。

【參考文獻】

[1]李善可.太陽能——水源熱泵輔助供暖系統的研究[D].沈陽建筑大學，2011：7-10.

[2]陳文婷.北京地區太陽能供暖集熱——蓄熱系統研究[D].遼寧工程技術大學，2012，1-10；

[3]鐵燕，羅會龍.空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統技術經濟性分析[J].制冷與空調，2009（8）：33-35.

[4]葉遠璋，唐曉峨.太陽能輔助加熱的燃氣熱水器：中國，201289201[P].2009-08-12.

[5]張麗娟.太陽能和地源熱泵采暖系統初步設計[J].山西建筑，2012（3）：144-145；

[6]王新如，潘嵩，許傳奇.低溫太陽能熱水輔助空氣源熱泵系統的節能研究[J].制冷與空調，2015，v.15（10）：22-25.

[7]楊俊.空氣源熱泵與太陽能熱水系統集成設計探究[J].科技視界，2015（22）：263.

[8]郝紅，付曉晨，馮國會.太陽能——地源熱泵與熱網互補供暖系統的仿真性能研究[J].流體機械，2014：80-84.

[責任編輯：田吉捷]