太陽能熱水系統的探討

許斌甲

【摘要】隨著社會的發展，能源危機的日益加重以及地球氣候變暖，全國各地基本都在制定相應的法律法規來推廣使用免費的、無污染的綠色能源——太陽能，以緩解能源、環境危機。在光熱利用的設計過程中，我們應根據自身的使用需求和現場情況，選擇最合適的太陽能熱水系統。而且，在設計過程中，應充分考慮太陽能與建筑一體化，使太陽能與建筑完美的融合在一起，成為建筑的一部分。

【關鍵詞】太陽能;真空管集熱器;平板集熱器;太陽能建筑一體化

1、前言

我國人口眾多，資源相對不足，環境污染嚴重，能源問題已成為經濟和社會發展的重要制約因素。大力開發利用新能源和可再生能源，對于改善以煤炭為主的能源結構、緩解能源生產和使用造成的環境污染、促進經濟社會可持續發展具有十分重要的意義。

我國具有非常豐富的太陽能資源。太陽能年輻照總量每平方米超過5000兆焦耳、年日照時數超過2200小時以上的地區約占我國國土面積的三分之二以上;若將全國太陽能年輻照總量的百分之一轉化為可利用能源，就能滿足我國全部的能源需求;豐富的太陽能資源為太陽能產業的發展提供了良好的資源保障。

據相關統計，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能量約為5.0×1018kJ，全國各地太陽年輻射總量達335～837kJ/cm2·a。從全國各地太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射總量較大，而其他地區則較小。

因此，我們有大力推廣太陽能光熱運用的先天條件，以緩解日益加重的能源危機，以及減少溫室氣體的排放量。

2、集熱面積計算

太陽集熱器的總面積是太陽能熱水系統中的一個重要參數，它與系統的節能特性和經濟性緊密相關。一般來說，全年使用的太陽能熱水系統在計算時采用全年平均氣象參數，側重于春、夏、秋季使用的太陽能熱水系統，在計算時采用春分或秋分所在月的月平均氣象參數，側重于冬季使用的太陽能熱水系統在計算時采用12月的月平均氣象參數。而且，在計算集熱面積時還應先確定系統的形式，是直接系統還是間接系統。

2.1直接系統

直接系統（又稱一次循環系統），見圖2-1。其集熱面積計算公式如下：

2.2 間接系統

間接系統（又稱二次循環系統），見圖2-2。其集熱面積計算公式如下：

2.3 兩種系統相互比較

2.3.1直接式系統的優缺點：

由于是一次循環，熱轉移因子FR高，一般可取0.9左右，而間接式系統中間需要進行換熱，熱量損失較大，且由于二次系統要提高集熱板的溫度，故降低了集熱板的效率，一般FR可取0.8左右。故間接系統的集熱面積需要補償。其次，一般間接系統傳熱工質使用防凍液，如乙二醇等，其黏度μ較水大，熱工性能比水差，故會增加循環泵的揚程，降低集熱器的熱性能等。但是，直接系統也存在不足的地方。首先，在會出現冰凍的區域，需要采取防凍措施，如排空管道內的水等，如此則當環境溫度小于0度時，整個系統停止工作。其次，在水質較硬的地方使用，水箱及管道內容易結水垢。

2.3.2 間接系統的優缺點

間接系統的傳熱工質不和水箱內的水直接接觸，這樣，不會影響水箱內的水質。其次，間接系統可以不受當地水質的影響，集熱器內不易結水垢。在冰凍區域可以直接使用，而不采取其他措施。

間接系統存在如下不足之處。首先，會增加初投資成本，其次，會降低系統的熱效率。

3、太陽能與建筑一體化設計

太陽能熱水系統與建筑結合是一個系統工程。從規劃和建筑設計一開始就應該將太陽能熱水系統所包含的所有內容作為建筑不可缺少的元素加以考慮，從內部管線到外觀形象整合，使之成為建筑組成的一部分，而不是對于的附加構件，做到統一規劃、同步設計、同步施工、與建筑同時投入使用。一般認為一體化設計應達到：

3.1在外觀上，實現太陽能熱水系統與建筑完美結合;設計應把集熱器作為建筑組成部分，融入整個設計中，并應綜合考慮日照、建筑造型、風格。平屋面對建筑形象影響較小，布置方面更傾向于技術要求。現在設計中經常會設計屋頂構架，可以結合構架設計布置。坡尾面時集熱器—般與斜屋面結合，盡量采用嵌入式安裝方式，減少太陽能集熱器對建筑立面效果的影響。另外在高層居住建筑設計中，由于屋面空間小，熱水需求量大，集熱器也可選擇分戶設置于陽臺欄板（或欄桿）處、外墻，但需考慮設備裝的安全、可靠性。

3.2在結構上，妥善解決太陽能熱水系統安裝，確保建筑物的承重、防水等不受影響，太陽能集熱器應具有抗強風、暴雪、冰雹等能力。

3.3管路布置做到合理化;集中式太陽能熱水系統干管一般設于公共空間的管道井，入戶支管敷設于建筑地面找平層或穿梁敷設于吊頂內。

3.4系統運行，要求可靠、穩定、安全、便于安裝、維修，集中供熱水系統，必須實現系統的智能化和自動控制。

3.5在能源利用上，太陽能需要同其它多種能源相互結合，綜合利用。如采用太陽能+空氣源熱泵組合、太陽能+燃氣鍋爐組合等。

4、太陽能熱水系統的經濟性分析

我國人口眾多，人均能源資源占有量低于世界人均值，據相關資料顯示，中國能源經濟可開發剩余可采儲量的資源保證程度僅為129.7年，其中：原煤114.5年，石油：20.1年，天然氣49.3年。因此，必須尋求新的替代能源。太陽能是永不枯竭的清潔可再生能源，使用過程中是完全免費的，無污染的，是理想的替代能源。下面以100m2集熱面積太陽能熱水系統為例，介紹下太陽能熱水系統產生的環保效益。

從公式4-1、4-2可以計算出100m2集熱面積太陽能熱水系統在使用壽命期限內，CO2減排量QCO2為307T，為地球的環保減排貢獻了一份力量同時又在治理環境方面減少了經濟投入。

結論：

（1）在設計集中太陽能熱水系統時應根據現場情況，選擇合適的熱水系統及集熱器，使熱水系統的性價比最佳。

（2）如果在中國南方，沒有冰凍隱患的地區應優先采用直接系統;在需要防凍的區域宜采用間接系統，以防系統被凍壞。

（3）太陽能熱水系統在建筑設計時就予以考慮，與建筑設計、施工、使用同步化，減少后加時對建筑的破壞。

（4）太陽能熱水系統具有較好的經濟、環保效益，在新建、改建、擴建的居住建筑及公共建筑在條件允許的情況下均應設計太陽能熱水系統。

參考文獻：

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