太阳能在建筑采暖中的应用.doc

太阳能在建筑采暖中的应用摘要：太阳能作为新能源，已经在人类生活中扮演越来越多的角色了。在建筑采暖中，太阳能作为一种用于替代常规能源的新能源已发挥出巨大的作用。这些左右主要体现在两个方面，一是，建筑的采暖系统，二是，建筑的热水系统。还有一些其他的应用也值得我们关注。关键字：太阳能，建筑采暖，热水系统Abstract: Solar as a new energy, has played in human life more and more of a role. Heating in the building, the solar energy as an alternative to conventional energy sources for new energy has played a huge role. These so mainly in two aspects, first, the building heating system, and second, building the water system. There are other applications also deserves our attention.Keywords: solar energy, building heating, hot water system据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。本文主要介绍太阳能在建筑供暖中的应用。目前，太阳能在住宅建筑中主要应用于1、采暖系统。 太阳能采暖系统一般由集热部件、贮热部件、散热器和辅助热源构成。结构上可分成机械和自然两大类，前者为主动式采暖，后者称为被动式采暖。太阳能采暖系统主要有主动式和被动式两种形式。主动式太阳能采暖系统是将太阳能作为低温热源，利用工质的强制或热力循环达到采暖的目的。被动式太阳能采暖系统利用建筑物内部空间和外部构造，收集，贮存和分配太阳能，并利用自然对流的方式将热量进行传递，低能耗的解决或部分解决建筑物采暖目的。2、热水系统 。早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。1采暖系统1.1主动采暖系统：具体来说所谓主动式太阳能采暖系统，即指在房屋上安装了太阳能集热器，室内放置贮槽（水为载热介质的系统，贮热介质是热水 ；空气为载热介质的系统，贮热介质为卵石）和常规的散热器，由管道将它们连成采暖系统，系统为强制循环，由水泵或风机输送载热介质。主动式是使用动力设备, 将热水或热空气从太阳能集热器输送到储热器或采暖房间, 系统中的各部分均可控制从而达到需要的室温。它的系统复杂, 初始投资高, 而且只有将其做为整个建筑的一部分时才能取得良好的设计效果。因此, 该系统适用于新建建筑。太阳能采暖系统由集热、蓄热、供热子系统和辅助热源组合而成。供热子系统就是常规的采暖系统, 集热子系统由太阳能集热器和循环系统所组成。在不能取得太阳热或蓄热量不能满足需要时, 则由辅助热源供给采暖负荷。太阳能采暖系统一般采用温度较低的平板型集热器( 通常以3050的水作为介质收集太阳热) 。蓄热材料以水和卵石床最为常见。辅助热源有燃料式和电气式两种, 供热系统可以是常用暖气片、风机盘管、顶棚辐射板、地面辐射板。冬季太阳能供暖系统的集热温度为40左右。顶棚辐射( 水温可在35左右) 和地面辐射板( 水温在2530也能运行) 对太阳能利用比较合适。1.2被动采暖系统被动式太阳采暖，是指靠冬季太阳高度角低的自然特征，以房屋结构本身来完成集热、贮热和释热功能的采暖系统。从本质上说它是强调利用太阳能的节能建筑，造价增加不多，结能效益显著，故已成为世界各国推广的太阳能采暖技术的主流。被动式太阳能供暖是太阳能供暖中最简单的一种形式, 是根据当地气象条件, 依靠建筑方位的合理布置和建筑物本身的构造, 通过向阳面的窗墙等构件。使房屋尽可能多的吸收和贮存热量, 以达到采暖的目的。它基本不需要添置附加设备, 也不耗费电力, 构造简单,增加的初投资少, 而且维护管理方便, 节能效果显著。我国目前兴建的太阳房主要集中在西北、华北和东北地区。其类型有直接受益、集热墙、附加温室或三者的组合, 但它在很大程度上依靠建筑结构的热工特性, 调节控制的可能性较小。美国和欧洲现代的被动太阳房均保留了美观的建筑造型, 通过采用新材料实现房屋的节能。如成型的墙体和屋面板的轻质隔热材料, 先进的窗户系统具有良好的密封性和隔热性( 双层中空玻璃或镀膜玻璃) 。并配有被动式室温控制系统, 如可控角度的百叶窗。此外,无窗户房间屋顶上的天窗得到了普遍采用, 它具有良好的采光节能效果。2太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：2.1、自然循环式:此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。2.2、强制循环式: 热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。 在国家鼓励可再生能源利用的政策指引下，太阳能、风能、生物能的利用比重逐年提高。而太阳能的利用主要在光热和光电两方面，光热方面以太阳能与建筑一体化最具发展潜力，而集热器在其中占据了极其重要的地位。目前的太阳能集热器普遍存在结构单一，安装不便，外观过于保守等问题。设计一款便于调节和安装， 外观新颖的集热器， 可以更好地突出建筑一体化理念。普通紧凑式太阳能热水器已不能满足市场需要，分体式家用太阳能热水系统应运而生。随着越来越多高档小区、别墅群的出现，人们的消费观念有所改变，在提升生活质量的同时对热水的需求量也越来越大。2.3 阳台壁挂式承压热水系统在高层上安装太阳能热水器，因楼顶面积小，单元住户多，无法满足每户的用水需求，可采用阳台壁挂的结构形式，将集热器安装在阳台上，与储水箱分开，通过工质的强制循环将集热器吸收太阳光而得到的热量传输到储水箱，从而得到热水。集热器安装在南阳台外墙上，储水箱置于室内，解决屋顶安装的单一形式，特别适用于多层、小高层用户的需求。储水箱采用承压顶水式运行方式，出水压力由自来水提供，出水压力稳定无需增加，无需手动上水，见图1 。根据集热器的水嘴情况分为以下几种安装方式：（1 ）水嘴在集热器一端出来。适合两片集热器对着安装，但需美化管路。（2 ）水嘴在侧面出来。适合单台集热器安装。（3 ）水嘴从后面出来。适合穿墙而入，管路隐藏在阳台内。（4 ）集热器还可以通过挂件安装在阳台的护栏上，把集热器做成能胆管拆卸，这样更便于维修。2.4 别墅用分体式承压热水系统系统安装布置有两种形式。（1 ）集热器放在屋顶钢结构上，储热水箱放在地下室，整个系统承压运行。集热循环管路和用水循环管路在室内贴墙暗敷布置，根据具体情况在不破坏结构的情况下穿墙布置。根据需要做防水处理。为了满足建筑的整体布局，镶嵌式、飘板式安装成了现代建筑一体化的优先选择。（2 ）集热器放在平屋顶上，做可调式集热器，角度可在3 0 5 0 任意调节，能够满足各种不同纬度地区的需求，完全可以保证整个集热器吸热面积最大化。集热器为全铝合金结构，外表面氧化处理，耐腐蚀更强。其铝合金边框具有的可调性，使集热器更好的和建筑实现一体化，通用性强，安装方便，节省了人力和物料。集热器为热管式结构，性能比普通集热器效率更高，并且更为稳定。3介绍几种利用太阳能采暖的形式：3.1太阳能集热器太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用2030年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持4050年且很少进行维修。 板式太阳能集热器工作原理(l) 反光板上的条状反光板将反射的光线聚焦到焦点区域, 即光线在焦点区域叠加，光强增大，板式太阳能集热器在设计上保证聚光区域位于反光板上各条状反光板反射光线共同投射的区域, 此区域也称焦点区域(参见图2) 。保证焦点区域有足够的光强度, 焦点区域不能太大, 考虑系统跟踪偏差及集热器安装偏差等因素, (2) 集热器依据使用目的不同可以采用电热转换器， 热交换器等各种热能收集器。 结构特点(l) 板式太阳能集热器的反光板在设计上采用整体成型结构整体成型制造应保证尺寸精度。 位置精度和表面粗糙度要求, 除去毛刺，表面美化外, 无需二次机械加工, 结构轻巧。 刚度好。不变形, 便于大批量生产, 性价比高。(2) 板式太阳能集热器的反光板长度可拼接, 可根据使用要求确定拼接长度。(3) 板式太阳能能集热器采用多面板反射光聚焦点光线叠加的方法提高光线密度, 进而达到提高焦点区域温度的目的。(4 )为了保证聚焦范围较小(光线高密度)又使光反射板结构合理, 反射板采用沿轴向 平行于焦点线条状布置。(5) 为了便于集热器布置及结构安排, 聚焦点安排成线性条状布置, 称之为焦点线。(6) 反光板的反光面采用反光材贴附处理, 具有成本低。 效率高的特点, 适合批量生产。(7) 反光板的反光面为平面, 方便反光薄膜贴附, 操作工艺性好, 不起皱， 私合牢靠，质量好。(8) 反光板采用高反光材料。(9 )设计上保证反射光聚焦在一条平行线条状区域内, 便于集热器的设置和热能收集。3.2真空管式集热器相对于板式集热管，这种热水器的集热面积和集热效率有所提高,真空管组合式热水器的最初形式是非承压式内胆, 冷水上水管与热水取水管是同一根管路依靠自来水静压力向水箱充水, 取热水时以热水器水箱静压力为动力在这之后的推广使用中各生产厂家又不断改进工艺提高技术含量, 根据非承压式热水器存在的真空管有炸管的危险以及操作不方便等情况, 技术人员研制生产出了热管真空管太阳能热水器, 它采用搪瓷内胆成本低、容水性好, 将热管安装在真空玻璃管内, 为了防止集热器在冬季夜间结冰而损坏或为了避免硬水在集热器流道中结垢使集热效率降低, 在集热器和水箱之间接入一个换热器, 构成双回路系统, 而在集热器回路中使用防冻防腐的介质故不会出现冻裂管、炸管等现象, 同时冷水上水管与热水取水管分开设置, 为防止集热管承压过高, 热水取水管需装设安全阀此种热水器在个别地区可以四季使用另外, 市场上还存在一种可以春、夏、秋三季使用的集热板组合式太阳能热水器, 它一般采用钢铝复合吸热板芯、防锈铝吸热板芯以及刚投放市场的全铜吸热板芯采用透明隔热材料做盖层以减少热损失从而在很大程度上提高了集热效果4太阳能热水器外墙玻璃法国国家实用技术研究所最近发明的一种建筑外墙玻璃可以同时起到太阳能热水器的作用，这一研究成果非常适合目前法国提倡的建筑节能要求。这家研究所提供的相关材料介绍说，这是一种双层中空玻璃，其40%的面积是透明的，余下部分被盘旋状的可以通水的铜管以及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用外墙玻璃就能把热水问题解决，每年可以节省大量的电力或煤气。此外，新型玻璃在保持屋内温度、防止过多阳光进入屋内等方面与普通建筑外墙玻璃无区别，因此有很强的市场竞争力。研究人员指出，由于这种玻璃并非是完全透明的，因此它不是用来取代窗户玻璃的，而是用来替代除窗户外的其他各种建筑外墙玻璃。近年来，法国政府大力发展节能型建筑，通过改善房屋结构和利用自然能源，达到节省电能和保护环境的目的。利用太阳能将水加热是法国政府重点支持的建筑节能技术之一。参考文献：1陕西建筑 2005年4月总第118期2雷玉成，陈希章，王忠海，杨继昌 集中供热热管太阳能集热器系统的研究 甘肃工业大学报 2002年3月 28卷 第一期3 陈希章, 雷玉成, 杨继昌 热管太阳能集热器系统的研究4庄骏,张红 热管技术及其工程应用 北京: 化学工业出版社, 2000.5许新中. 热管技术与太阳能利用. 太阳能, 1991( 3) , 19-