浅谈太阳能供暖采暖系统

浅谈太阳能供热采暖系统形式及发展摘要太阳能供热采暖是一项新的节能技术，但在实际应用中还处于不成熟的阶段，本文介绍了太阳能供热采暖系统的组成，着重分析了集热器、蓄热水箱、辅助热源设计方法及选型要点。关键字太阳能太阳能供热采暖系统集热器蓄热水箱辅助热源前言随着人类社会经济发展迅猛，煤、电、石油、天然气等能源日益短缺，能源危机、环境污染等问题日渐突显，已成为威胁人类生存的头等大事，对新能源的开发利用显得尤为重要，特别是对太阳能的开发利用。太阳能作为一种可再生的清洁能源具有其它能源无可比拟的优势。我国太阳能资源十分丰富，绝大部分地区年平均日辐射量在4KWH/D以上，全国2/3以上地区年辐照量大于502万KJ/,年日照时数在2000小时以上。太阳能取之不尽用之不竭，处处均可开发应用，无需开采和运输，不会污染环境和破坏生态平衡，符合国家倡导的“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，具有良好的节能减排效果。因此对太阳能的开发利用必将创造出良好的社会效益、环境效益和经济效益。一、太阳能供热采暖技术的发展现状太阳能供热采暖分为被动式太阳能供热采暖和主动式太阳能供热采暖。由于主动式太阳能采暖系统复杂、设备多，初期投资和维护费用都比被动式太阳能采暖高，被动式太阳能采暖将是我国今后几年重点发展项目。现在我国已形成了具有中国特色的包括理论、设计、施工、试验及评价方法在内的一整套被动式太阳能采暖技术，建成了几百万平方米的被动式采暖太阳房。由于受经济因素的制约，主动式太阳能供暖系统在我国一直发展比较缓慢。随着经济的快速发展，为适应建筑节能的形势要求，我国大力推广并已经建成了若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程，但是由于这种系统的推广障碍主要在于投资费用高和春、夏、秋季热水过剩，所以需要通过季节蓄能技术和全年的综合利用，与地源热泵、生物质能等其他可再生能源的互为补充来解决。二、太阳能采暖系统概述太阳能供热采暖系统是将太阳能转化成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统，系统主要部件有太阳能集热器、换热储热装置、生活热水系统、控制系统、辅助能源加热设备、泵、连接管道和末端散热系统等。三、安装太阳能采暖系统的一般要求虽然太阳能采暖系统是一种绿色、环保的供热方式，但是并不是适合任何环境。首先，要求建筑物屋面或建筑物旁能够摆放相应面积的太阳能集热器。安装太阳能采暖系统的建筑，主要朝向宜为南向。建筑的体形和空间组合避免安装太阳能集热器部位受建筑自身及周围设施和绿化树木的遮挡，并应满足太阳能集热器有不少于4H日照射数的要求。其次建筑的主体结构或结构构件，应能够承受太阳能热水系统的载荷，且建筑外墙要有保温，玻璃是节能玻璃。具备以上条件的建筑是比较适合安装太阳能采暖系统的，这样才能达到事半功倍的效果。四、太阳能采暖系统的工作原理及选型（一）太阳能集热器的型式与选择太阳能集热器的类型分为U型管集热器、平板集热器、全玻璃真空管、热管真空管；系统分为闭式系统或开式系统；系统的工作方式分为自然循环和强制循环；换热方式分为直接系统和间接系统。在我国，目前大量应用的太阳能集热器分为平板型集热器和真空管型集热器两类。对于大规模太阳能系统，一般采用强制循环方式，要求集热器具有较高的承压能力。因此，以选择平板型集热器，平板型集热器不但具有较高的承压能力，而且具有可靠性高、成本低和效率高等优点。平板型集热器的缺点是抗冻性较真空管型集热器差，但可以从系统的总体设计上加以考虑。（二）太阳能蓄能介绍由于太阳能与采暖负荷存在明显矛盾，因此我们需要考虑太阳能蓄能技术在太阳能不足的时候进行采暖。太阳能蓄能采暖分为当天蓄能采暖、周蓄能采暖、跨季蓄能采暖。1、当天蓄能采暖当天蓄能采暖指利用太阳能集热器将当天的热能手机到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。2、周蓄能采暖周蓄能采暖利用太阳能集热器将一周的热能收集到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。集热器的面积确定按照一周的太阳能辐照量计算，水箱的容量要稍大于当天蓄能采暖系统的水箱。适合不常居住的度假别墅。3、跨季蓄能采暖跨季蓄能采暖指利用太阳能集热器将春、夏、秋三个季节的热能收集到水箱内储存起来，满足建筑末端的供热需求。集热器的面积确定按照三个季节的太阳能辐照量计算，水箱的容量约大于10倍数当天蓄能采暖系统的水箱。适合无足够面积可供太阳能集热器摆放的别墅。承压水箱采暖带生活热水系统图（三）辅助能源由于太阳能受自然因素的影响较大，只有与辅助能源结合起来才能形成稳定的能源供应。辅助能源的种类有很多，包括燃油锅炉、燃气炉、生物质锅炉、燃煤锅炉、电加热、（水箱内置电加热或外置电加热器）、热泵。燃煤锅炉启停时间长，处理调整较困难，较难实现自控或无人职守，有环境污染问题；燃油、燃气锅炉控制方便，便于调节，可方便实现自控运行，但设备间需要满足消防要求；热泵使用费用低，控制方便，但设备初投资高，此外北方地区采用空气源热泵在冬季使用能效比很低；电加热设备易安装，控制方便，是太阳能热水系统最常用的辅助热源，但运行费用较高，有时因需电力增容大大提高系统投资。在选择辅助热源时，要充分考虑当地资源和其他的综合因素。辅助能源与储热系统常见结合形式（四）太阳能采暖系统的防冻问题太阳能采暖系统是四季运行的，系统需考虑到冬季的防冻问题，采取的方案有采用双循环系统；落水式排空防冻系统；夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻；敷设电热带防冻。对于集中供热的大系统，就目前的技术发展来看，最为经济、可靠的方式是采用双循环系统。所谓双循环系统，即太阳能集热器内循环流动的是具有抗冻特性的传热工质，传热工质通过换热器把热量传给储热水箱中的水，被加热的水供采暖用或直接作为卫生热水供应。这样可根据当地气候可能出现的最低气温，调配相应的传热工质，即可彻底解决系统的抗冻问题。（五）太阳能系统的储热水箱太阳能集热系统、热水系统和采暖系统对工作温度的要求是不同的太阳能集热系统的工作温度越低，热效率越高，因此系统设计中应尽量降低太阳能集热系统工作温度，太阳能采暖适宜采用低温地板采暖系统，供水温度在40左右；生活热水供水温度为5060。为实现不同的供水温度要求，太阳能采暖系统一般采用垂直分层水箱。垂直分层水箱的工作原理是利用水在不同温度下的密度差，实现同一水箱可以产生不同的温度区，即低温的水位于水箱底部，高温的水位于水箱上部时，并可以相互不掺混。分层水箱下部布置与太阳能集热器相连的换热器；中部水温适合采暖，与采暖系统相连；上部水温最高，布置生活热水的换热器。贮热水箱的温度分层可以通过两种方式来实现一是加热贮水箱上部，二是冷却贮水箱下部即从下部取热。以上加热和取热两种过程，可以采用两种方法实现，即直接方法和间接方法。所谓直接方法就是从贮水箱进口注入较高温度的热水；二间接方法是通过置于贮水箱内的换热器，对贮水箱进行加热或者从贮水箱中取走热量。WERNERWEISS研究发现，直接连接方式有利于加强温度的分层，相反，采用内部换热器则趋向于破坏这种温度分层（六）供热末端选用太阳能系统效率与集、散热器种类和工质的工作温度密切相关，太阳能供热采暖系统的散热部件按以下原则选用1太阳能供热采暖系统应优先选用低温辐射供暖系统。2水空气处理设备和散热器系统宜使用在6080工作温度下效率较高的太阳能集热器，如高效平板太阳能集热器或热管真空管太阳能集热器。该系统适合夏热冬冷或温和地区。3热风采暖系统适宜低层建筑或局部场所需要供暖的场合。常见的以热水为热媒的采暖末端散热器型式有低温地板盘管散热器辐射供暖；墙壁金属散热器供暖；顶棚风机盘管式供暖；墙壁盘管散热器辐射供暖。其中，墙壁盘管散热器辐射供暖是近几年采用的新技术，供热效果好，但是由于造价高于其他几种类型，因此使用广泛度不高。五、经济性分析无论是建筑节能，还是可再生能源在建筑中的应用，都需要一定的资金投入，或者说节能和可再生能源利用必须付出一定的代价；从经济学的角度分析，这种投入的代价越小，则应用技术的经济性越好，因此，针对太阳能利用系统，目前国际通用过的经济性能指标是太阳能热价。太阳能热价的定义是太阳能系统每节省（代替）1KWH终端用能所需要的总系统投资成本，显然，太阳能热价越低，系统的经济性越好。据可靠经济技术分