新建民用建筑中太陽能利用淺析

聶磊

[摘要]近年來，我國北方地區深受霧霾困擾，嚴重威脅到國民的身體健康。研究表明，燃煤采暖是造成大氣污染的重要原因之一，節能減排得到人們的重視。建筑能源消耗已經占全國能源消耗總量的約1/3，建筑節能也成為節能減排的主要途徑之一。各地紛紛出臺新建民用建筑節能標準，以期降低能源消耗水平，針對這一問題，太陽能技術得到大家的重視。本文將簡述新建民用建筑中太陽能利用的方式及特點，并重點分析了太陽能跨季節蓄熱與水源聯合運行系統的主要問題，提出了可能的解決思路，探討了新建民用建筑中太陽能利用技術的發展前景。

[關鍵詞]新建建筑;太陽能;節能減排;蓄熱

文章編號：2095-4085（2019）06-0027-02

1引言

近年來，隨著社會經濟的發展，建筑的耗能有較大的增長，我國的建筑能源消耗已經占全國能源消耗總量的約1/3，加上消耗的間接能源，這一比例預計將超過45%[1]。各地紛紛出臺新建民用建筑節能標準，以期降低能源消耗水平。山西省要求新建民用建筑要全面執行民用建筑節能設計標準，實現節能50%的目標，有條件的地方可率先實施節能65%的設計標準。全省民用建筑建造和使用的能源資源消耗水平要接近或達到現階段中等發達國家的水平[2]。針對此現狀，太陽能作為取之不盡，用之不竭的清潔能源，分布廣泛，就地可取，在新建建筑采暖，制冷等多方面均有很好的應用空間口[3]。但是，太陽輻射熱量有季節，晝夜的變化，同時還受到陰晴云雨等隨機因素的影響，嚴重限制了太陽能的使用范圍，特別是太陽能在冬季采暖的有效利用方面，現階段有效地解決方法是設置跨季節蓄熱裝置，將夏季充足但不連續，波動的太陽能資源蓄存起來，而后在太陽能相對匱乏的冬季將其作為一種穩定的熱源加以利用，從而提高太陽能利用率，體現低碳經濟理念[3]。

2太陽能蓄熱系統

太陽能蓄熱系統按熱存儲方式的不同可分為顯熱蓄熱，潛熱蓄熱和化學反應蓄熱，顯熱蓄熱主要是利用載能物質的溫度升高來存儲熱量，潛熱蓄熱和化學蓄熱則主要是指通過材料吸收太陽輻射熱能后發生相變或化學反應，從而將能量蓄存，到需要利用能量的時候，再通過逆過程將能量放出。圖1為典型太陽能顯熱蓄熱系統結構示意圖，圖中根據“蓄熱裝置”的不同，可分為冬季蓄熱和跨季節蓄熱[4]。

圖1所示典型太陽能顯熱蓄熱系統，左半部為蓄熱系統，溫度控制器主要控制水泵的開啟，當兩個測溫探頭探測到的集熱器進出口溫差低于1-3℃時，控制器將泵關閉;當兩個測溫探頭探測到的集熱器進出口溫差高于9℃時，控制器將泵開啟，加熱蓄熱裝置內存水。蓄熱系統右半部為熱水供應系統，可以實現向用戶提供恒定溫度（例如45℃）熱水，當供給用戶的熱水溫度小于45℃時，系統開啟輔助加熱器加熱供水到45℃;當供給用戶的熱水溫度大于45℃時，系統開啟三通閥使其與自來水混合，調溫到45℃，再供給用戶。

3太陽能蓄熱與地源熱泵聯合系統

根據上述熱源形式的不同，太陽能蓄熱一地源熱泵系統的聯合主要有太陽能蓄熱一水源熱泵聯合系統與太陽能蓄熱一土壤源熱泵聯合系統。系統夏季通過水源/土壤源熱泵系統來實現供冷，太陽能蓄熱一地源熱泵系統的聯合運行主要體現在冬季供暖上[5]。聯合系統冬季供暖工作原理如圖2所示。

上述聯合系統中根據熱源形式的不同區分為使用介質水作為熱源的太陽能蓄熱一水源熱泵聯合系統與使用土壤作為熱源的太陽能蓄熱一土壤源熱泵聯合系統。除去熱源形式影響，兩系統工作原理相同，描述如下。

（1）當太陽能充足，蓄熱水箱中熱量完全滿足供暖需要時，完全由蓄熱水箱供暖，不需啟動水源熱泵輔助供暖。

（2）當太陽能不足，蓄熱水箱中熱量不能滿足供暖需求時，啟動水源熱泵，將蓄熱水箱中的低溫水作為熱源，采用太陽能熱泵方式供暖。

（3）當太陽能不足，且蓄熱水箱中水溫低于地下水溫時，轉換到使用地下水作為熱源的水源熱泵供暖模式。

4太陽能跨季節蓄熱與水源熱泵聯合系統

上述的系統中，太陽能蓄熱系統部分蓄存的只是冬季的太陽能資源，冬季太陽輻射能量相對于夏季較弱，蓄存太陽光熱量的能力有限，因此冬季尚需輔助熱源和水源熱泵輔助制熱，增加了電能的消耗。而太陽能跨季節蓄熱與水源熱泵聯合系統，將兩種利用可再生能源技術的系統結合起來。利用既有水源熱泵系統的抽水，回灌井及介質水循環運行系統，節省太陽能跨季節蓄熱系統打井，運行等初投資，同時實現太陽能跨季節蓄存，提升聯合系統經濟性。

4.1經濟性分析

太陽能跨季節蓄熱與水源熱泵系統的聯合具有較好的經濟效益。首先，兩種系統可以共用一套抽水，回水管道及管道井，可以節省管道費用，打井費用。其次，對于運行費用而言，兩種系統共用一臺水泵，即一臺運行的水泵帶動兩個系統，減少了運行費用。再次，太陽能蓄熱系統與水源熱泵系統本身就是兩個節能的系統，合理設計的聯合系統節能性更加顯著，夏季，地下水先經過水源熱泵換熱，溫度上升，相當于給太陽能集熱器的進水經行預熱，使太陽能集熱器的出水溫度提高，從而提升了整體的集熱效率。過度季及冬季極端天氣條件下，當需要水源熱泵制熱時，地下水層蓄存的溫度較高的水能夠為水源熱泵提供高溫熱源，從而提高熱泵效率。因此在系統安裝完成后，只需投入少量的運行費后便可產生很大的回報，聯合系統經濟回收效果顯著。

4.2地下水層選擇分析

在新建建筑中運用該系統時，需要選擇合適的地下水層。首先，需要考慮地下水層總體的物理特性，比如水層周邊地質條件是否符合要求，利用時存不存在塌陷等安全隱患。水層形狀，水層埋深是否便于布置設備，管道，水層水質是否符合要求等。其次，在上述要求滿足的前提下，地下水層容積必須足夠大，能夠滿足冬季熱量需求，同時還要考慮夏季水源熱泵的制冷需求，儲備一定量的低溫水作為熱泵冷源。總之，地下水層選取前需要進行周密勘察工作，保證系統的總體運行效率。

4.3系統保溫、水質與回灌問題分析

系統保溫主要是指新建建筑地下水層壁面的保溫，管道，設備的保溫。對于地下水層來說，壁面保溫主要是減少冬季水層內高溫水與土壤間的換熱損失，需要在地下水層與土壤之間填充熱惰性大的材料（或者空氣層），減少熱損失。對于管道和設備的保溫來說，需要在管道和設備外部加設一定厚度的保溫層，防止管道凍裂，設備無法正常運轉的同時，減少管道輸送熱損失。

水質問題方面。由于地下水層中水的礦物質含量較高，高溫時容易結垢，造成管道與設備的堵塞，因此應當盡量選用偏堿性水層，以減少地下水對設備和管道的腐蝕。其次，由于系統常年運行，因此聯合系統中需要在地下水層，采暖系統，補水系統設置相應的水質監測點，對不符合要求水質的進行水質凈化。

對于水源熱泵來說，回灌問題是系統設計中需要重點考慮的部分，不回灌使得地下水位下降，容易致使地面塌陷。因此可以考慮使用半開式系統，地下水層消耗掉的水由外界符合回灌要求的水體補充。

4.4熱能梯級利用分析

由于地下水層存在溫度分層現象，因此新建建筑需要考慮不同溫度水層熱能的梯級利用問題。高中溫水用來實現冬季不同室外氣象條件下的地板采暖;地板采暖回水及部分高溫水作為冬季生活熱水來源。中低溫水作為水源熱泵系統過渡季制熱工況熱源。低溫水作為水源熱泵系統夏季及過渡季制冷工況冷源。

對于夏季來說，水源熱泵系統負責用戶的用冷需求，太陽能蓄熱系統實施蓄熱工作。其次，對于采暖季冬季來說，根據室外氣象條件的不同，分別從地下水層抽取高，中溫水，其中一部分經過太陽能集熱器進一步加熱，然后與另外一部分高，中溫水混合，使得水溫達到恒定的52℃（抽取高溫水）或恒定的42℃（抽取中溫水），然后供入地板采暖系統。地板采暖溫度恒定的42℃回水（高溫水回水）或恒定的32℃回水（中溫水回水）以及抽取的部分高溫水作為洗澡或洗漱用水供人生活熱水系統。再次，對于過渡季春季和秋季來說，地下水層的中低溫水作為水源熱泵制熱的熱源，以提高水源熱泵系統的工作效率。最后，由補水系統調節整個地下水層水量與水溫到達夏季蓄熱初始狀態。

5結語

本文簡要分析新建建筑中太陽能利用的不同方式及特點，并重點介紹了太陽能跨季節蓄熱與水源聯合系統主要考慮的問題，探討了新建民用建筑中太陽能利用技術的發展前景。太陽能跨季節蓄熱與水源熱泵聯合系統在一定程度上降低了系統的初投資，同時提升了系統性能，理念可行，能夠取得較好的制冷，制熱效果，是一種節能環保的能源利用方式，具有推廣實施的價值。

參考文獻：

[1]王磊.熱壓驅動下的置換式自然通風實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[2]李銀香，雷蘭，張繼昕.法律視野下的山西省新建建筑物節能[J].山西高等學校社會科學學報，2011，23 （3）：19 -21.

[3]岑幻霞.太陽能熱利用[M].北京：清華大學出版社，1996.

[4]于國清，湯金華，鄒志軍，太陽能熱水系統蓄熱水箱溫度分層作用研究[J].建筑科學.2007，23（4）：70 -73.

[5]王磊，程建國，徐志浩等.西藏太陽能與水源熱泵聯合供暖系統優化[J].暖通空調，2007，37（11）：90 -94.