太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求量日益增加，能源利用情況緊張，而常規(guī)能源的大量使用必將對環(huán)境造成不利影響。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)年日照小時數(shù)大于2000h，每年陸地接收的太陽輻射能相當于2.4萬億噸標準煤，具有太陽能利用的良好條件。在建筑能耗中，生活熱水、供暖能耗占了相當?shù)谋壤锰柲軄頋M足生活熱水、供暖這些低品位能耗的要求具有巨大的節(jié)能效益，因此，太陽能采暖技術(shù)越來越受到人們的重視。
太陽能采暖系統(tǒng)概況
1.太陽能采暖系統(tǒng)原理
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，投資費用也增大，系統(tǒng)更加復(fù)雜。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，主動式太陽能采暖開始大規(guī)模應(yīng)用。
2.國外應(yīng)用現(xiàn)狀
歐洲、北美對太陽能供熱（熱水、采暖）系統(tǒng)的工程應(yīng)用已有幾十年歷史，過去主要用于單體建筑內(nèi)的小型系統(tǒng)，近十余年來，包括區(qū)域供熱在內(nèi)的大型太陽能供熱采暖綜合系統(tǒng)的工程應(yīng)用有較快發(fā)展。德國是應(yīng)用太陽能供熱技術(shù)較早的國家，太陽能采暖技術(shù)已經(jīng)在德國居住區(qū)供熱設(shè)置改造和配套建設(shè)中得到廣泛推廣和應(yīng)用；歐洲大多數(shù)國家都積極鼓勵支持利用太陽能，對安裝太陽能裝置的家庭實行補貼政策，一般補貼為系統(tǒng)造價的20－50％；以色列80％住宅裝有太陽能熱水器，政府以立法形式規(guī)定高度27米以下新建住宅必須安裝太陽能熱水器。丹麥Marstal太陽能供熱采暖工程是世界上最大的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，太陽能集熱器設(shè)置在大面積空地上，集熱器面積1.83萬m2，與社區(qū)熱力網(wǎng)連接，1996年建成運行，年熱負荷28GWh/年，同時使用2100m3水箱、4000m3水容量砂礫層及10000m3地下水池蓄熱。
3.國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
我國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，截至2006年，我國太陽能熱水器年生產(chǎn)能力達到1500萬平方米，在用太陽能熱水器總集熱面積達1億平方米，生產(chǎn)量和使用量居世界第一。雖然我國太陽能熱水器應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛，但太陽能采暖工程應(yīng)用卻處于起步階段，已建成的都是單體示范建筑，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)用實踐。
近年的太陽能采暖建設(shè)項目中，比較集中和有代表性的是北京周邊郊區(qū)縣新民居的太陽能采暖工程。由于農(nóng)村住宅相對分散，密度低，不宜采用投資大，維護水平高的集中供暖模式，而傳統(tǒng)的燃煤取暖方式又存在效率低、污染環(huán)境、費用較高等問題，在農(nóng)村推廣安全環(huán)保、運行費用低的太陽能采暖系統(tǒng)符合新農(nóng)村建設(shè)的客觀要求。太陽能采暖所需的集熱面積遠大于太陽能熱水系統(tǒng)，安裝位置要求較大，對于高層建筑或居住密度較大的城區(qū)存在安裝建設(shè)條件不足的問題，限制了應(yīng)用，而農(nóng)村住宅一般建筑容積率較低，沒有明顯遮擋，具備建設(shè)太陽能采暖項目的良好條件。北京平谷區(qū)新民居太陽能采暖工程項目進展較早，有很多成功應(yīng)用的經(jīng)驗。
太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)備
1.集熱器
常見的太陽能集熱器有平板型和真空管型兩種，其中，真空管型又可分為全玻璃真空管型、U型管真空管和熱管真空管集熱器。目前在我國太陽能熱水器市場，平板太陽能熱水器約占10％左右的市場份額，其余均為真空管太陽能熱水器，而國外平板太陽能熱水器則占90％以上的市場份額，中國與世界太陽能市場主流存在巨大差異。由于太陽能采暖系統(tǒng)與建筑結(jié)合緊密，因而對集熱產(chǎn)品與建筑的結(jié)合、故障率、使用壽命等性能要求較高，平板集熱器結(jié)構(gòu)簡單，抗壓，抗外力沖擊，適合承壓運行，從整體外觀、結(jié)構(gòu)強度、安裝運行等方面都非常適合與建筑相結(jié)合。在熱性能方面，盡管平板集熱器的保溫性能不如真空管集熱器，但由于其有效采光面大于真空管集熱器，因此其熱效率高于真空管集熱器。早期平板集熱器不能防凍過冬的缺點隨著技術(shù)進步早已得到解決。太陽能采暖工程中，非采暖季能源過剩，真空管集熱器易發(fā)生爆管、真空度降低等問題，而平板集熱器則能較容易地解決這一問題，因此，目前北京地區(qū)太陽能采暖工程中，很多工程項目采用了平板型集熱器。
2.輔助熱源
為住宅提供采暖用熱水的太陽能采暖系統(tǒng)，與為住宅提供生活熱水的太陽能熱水系統(tǒng)在供水特點上是不同的，生活熱水不需要連續(xù)供應(yīng)而采暖用熱水必須連續(xù)供應(yīng)，而且要穩(wěn)定可靠。太陽輻射受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機因素的影響，存在較大的間歇性和不穩(wěn)定性，因此在太陽能采暖系統(tǒng)中，必須設(shè)置輔助熱源。輔助熱源要根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源條件，常規(guī)能源的供應(yīng)狀況，建筑物熱負荷和周圍環(huán)境條件等因素，做綜合經(jīng)濟性分析，以確定適宜的輔助熱源及合理的太陽能供暖比例。太陽能采暖中可以選擇的輔助熱源主要有小型燃油（氣）鍋爐，城市熱網(wǎng)或區(qū)域鍋爐房、工業(yè)廢熱、電鍋爐、電熱管、地源熱泵及生物質(zhì)燃料等。在農(nóng)村建設(shè)的太陽能采暖項目，由于城市熱網(wǎng)及燃氣管線不易到達，油、電價格又較高，因此，輔助能源的應(yīng)用類型多為生物質(zhì)燃料。如北京平谷區(qū)掛甲峪村，輔助熱源用生物質(zhì)鍋爐提供，采用生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備，把當?shù)氐墓拘藜糁l粉碎后壓縮成燃料棒或燃料塊，作為生物質(zhì)鍋爐燃料，同時還用作炊事燃料，這種生物質(zhì)壓縮成型燃料比傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒密度高，燃燒效率高，儲藏也較容易，使用時勞動強度小，是一種較好的輔助熱源方式。
3.采暖末端
太陽能由于熱密度較低，集熱溫度很難達到較高水平。普通散熱器熱媒溫度要求較高（70℃以上），而太陽能系統(tǒng)不易達到該出水溫度要求。因此，在太陽能采暖系統(tǒng)中，通常采用地板輻射采暖的末端供熱方式。地板采暖所需要的低溫熱水在35-55℃之間，正好是太陽能集熱器所能提供的適合溫度。地板采暖系統(tǒng)以整個地面作為散熱面，熱量主要以輻射方式傳播，與以對流散熱為主的散熱器系統(tǒng)相比，舒適性更好，腳暖頭涼的熱感覺更符合人體的生理學調(diào)節(jié)特點，且可以在比末端采用散熱器的系統(tǒng)低2－3℃的情況下獲得同樣的舒適感，節(jié)省供熱能耗。夜間采暖負荷一般大于白天，但夜間卻無太陽輻射，具有蓄熱功能的地板采暖方式是非常適合的。因此，目前太陽能采暖系統(tǒng)普遍采用地板輻射散熱系統(tǒng)作為末端。
太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計中存在的一些問題
4.太陽能與建筑一體化
太陽能采暖系統(tǒng)是為建筑服務(wù)的，應(yīng)該作為一個子系統(tǒng)融入建筑之中，實現(xiàn)太陽能與建筑一體化。但以我國太陽能熱水器發(fā)展來看：長期以來，太陽能熱水器一直是房屋建成后才由用戶購買安裝的，這種做法帶來很多問題，主要是對建筑外觀和房屋相關(guān)使用功能的破壞，導(dǎo)致了一些城市出臺不允許安裝太陽能熱水器的規(guī)定，嚴重制約了太陽能熱水器的進一步發(fā)展。由于太陽能采暖工程集熱器的面積遠大于太陽能熱水系統(tǒng)，因此，太陽能采暖系統(tǒng)與建筑的有機結(jié)合尤為重要。各建筑設(shè)計院過去很少設(shè)計太陽能采暖系統(tǒng)，這就要求設(shè)計人員在實踐中不斷將太陽能采暖技術(shù)融于建筑設(shè)計中，積累設(shè)計經(jīng)驗以取得太陽能與建筑功能、建筑美學的協(xié)調(diào)。
2.冬夏熱量平衡問題
目前安裝的太陽能采暖系統(tǒng)，每6－8平米建筑面積約配置1平方米太陽能集熱器，此種配比條件下太陽能的冬季供暖保證率相對較低，但同時夏季太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的生活熱水遠大于實際消耗量，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得熱，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。
3.相關(guān)設(shè)計資料不完善
太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計主要由暖通工程師和建筑工程師來完成，由于過去很少進行此類設(shè)計，設(shè)計師希望有相關(guān)的標準、規(guī)范和設(shè)計手冊可供使用，目前已出版了國家標準GB50364《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》，但太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計資料還不夠完善，各廠家的產(chǎn)品性能參數(shù)還需經(jīng)權(quán)威檢測部門檢測后作為進行系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。
發(fā)展太陽能采暖系統(tǒng)的措施
1.加強建筑節(jié)能
建筑節(jié)能是實現(xiàn)太陽能采暖的先決條件，由于太陽能在單位面積上的能量密度較低，如果不通過加強圍護結(jié)構(gòu)保溫等措施來有效降低建筑物的采暖負荷的話，太陽能采暖系統(tǒng)的集熱面積將會很大，增加系統(tǒng)的初投資，使太陽能采暖系統(tǒng)完全不能發(fā)揮應(yīng)有的節(jié)能效益。我國已陸續(xù)頒布實施了針對不同建筑氣候區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計國家標準，這些標準的強制實施將大大降低建筑物的耗熱量指標，減輕太陽能采暖系統(tǒng)所承擔的負荷，形成太陽能供熱采暖工程應(yīng)用的有利條件。
2.提高太陽能集熱系統(tǒng)的效率
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)品還有較大的改進空間，如進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。房屋設(shè)計之初就同步進行太陽能采暖系統(tǒng)的設(shè)計，使設(shè)計更適合于太陽能設(shè)備或部件的應(yīng)用。在不影響建筑物的條件下，達到太陽能集熱性能的最佳。
3.提高太陽能利用率
太陽能采暖系統(tǒng)一定要提高太陽能利用率以縮短投資回收期。冬夏熱量不平衡的問題可由太陽能制冷技術(shù)、跨季節(jié)蓄熱技術(shù)和全年的綜合利用來解決。目前，跨季節(jié)蓄熱的理論和實驗研究還很少，研究的較多的是利用太陽能產(chǎn)生的熱水驅(qū)動吸收式制冷機的太陽能制冷，由于吸收式制冷機需要高溫水（85℃以上）做熱源，所以，應(yīng)積極開發(fā)適用于太陽能空調(diào)系統(tǒng)的中高溫太陽能集熱器。在目前國內(nèi)太陽能制冷技術(shù)和跨季節(jié)蓄熱技術(shù)還沒有市場化的條件下，可強調(diào)全年的綜合利用，考慮適當降低系統(tǒng)的太陽能保證率，合理匹配供暖和供熱水的建筑面積，如使系統(tǒng)供熱水的建筑面積大于供暖的建筑面積。
4.政府制定鼓勵支持政策
太陽能采暖系統(tǒng)具有較高社會效益，但存在投資相對較高，投資回收期較長的缺點，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，積極推廣試點工程經(jīng)驗，提高系統(tǒng)整體技術(shù)水平，促進太陽能采暖行業(yè)及市場的良性發(fā)展。
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