太阳能供热采暖系统存在问题及改进措施

2012-08-15祁菁

水利规划与设计 2012年6期

祁菁

（陕西省水利电力勘测设计研究院西安 710001）

1 前言

太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在 3300～8300MJ/（m2.a）。全国2/3以上面积地区的年太阳辐照量超过5000MJ/（m2.a），年日照小时数大于 2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4万亿t标准煤，具有太阳能利用的良好条件。开发和利用丰富、广阔的太阳能，既是近期急需的能源补充，又是未来能源的基础。利用太阳热能为建筑物供热采暖可以获得非常良好的节能和环境效益。因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。

2 太阳能供热采暖系统国内外现状

太阳能采暖系统是指以太阳能作为采暖系统的热源，利用太阳能集热器将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统。太阳能采暖可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能采暖通过建筑的朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热设备集合构成，相比于被动式太阳能采暖，其供热工况更加稳定，但同时，投资费用也增大，系统更加复杂。随着经济和社会的发展，主动式太阳能采暖开始大规模应用。

2.1 国外研究现状

国外对太阳能采暖的研究较早，早在1950年美国麻省理工学院就举行了利用太阳能采暖的学术讨论会，发表了不少关于太阳能采暖的论文。对太阳能采暖领域起促进发展作用是在1945年发明了平板式集热器和在1975年发明了全玻璃真空管集热器。之后利用集热技术给建筑供暖开始从实验阶段走向应用阶段。

国外太阳能界将太阳能采暖系统和太阳能热水系统建成同一套系统，并将这种系统称为Solarcombi system。早在20世纪80年代中期，法国就着手研究太阳能组合系统，并推出一种称为“直接太阳能地板”的系统。到20世纪90年代，奥地利、丹麦、芬兰、德国、瑞典、瑞士、荷兰等国家相继设计出各种型式的太阳能组合系统。

1974年日本通产省制定了“阳光计划”，并按此计划建造了数幢太阳能采暖、空调建筑。而且多年来，在日本的许多大型建筑物上都已经应用了太阳能采暖、空调系统。最引人注目的是上智大学中央图书馆，采用集热器屋顶一体化设计，太阳能集热器集取的热量用于多种用途，冬季用于供给地板采暖，夏季用于驱动制冷机制冷，一年四季用于洗浴用水的供给。

在1980～1990年间，国际能源署（lEA）启动了第6项任务，“带跨季节储热器的集中式太阳能供热设施”项目。

1998年，国际能源署(IEA)在太阳能供热与供冷计划(solar heating&cooling rogramme)中推出专题26：太阳能复合系统(Task 26：solarcombisystem)。其主要任务包括：太阳能供热采暖系统的调查及推广、性能试验方法及数值模拟方法研究、系统的最优化设计等，建立起了太阳能复合系统的分类、设计、评估及测试等一整套完备的体系。

从2000年开始，德国BMBF(联邦教育科技部)和BMWi(联邦经济技术部)实施了太阳能区域供热政府项目，“Solarthermie－2000－Part3 Solar assisted district heming”，至2003年已建成12个太阳能区域供热示范工程，8座季节蓄热小区热力站和4座短期蓄热小区热力站。

欧洲利用大型太阳能热力站为20～30住户以上的住区提供集中生活热水和供暖。截至2003年，欧洲已建成65座集热器安装面积500m2以上的大规模太阳能热力站。其中57座直接为居住区或住宅小区服务。采用短期蓄热方式的热力站平均集热面积为1775m2，采用跨季节蓄热方式的热力站平均集热面积为2009m2，无蓄热直接与市政网并网的平均集热面积为1280m2，且主要是用于既有建筑的供热节能改造。

欧洲到2005年共安装1536万m2太阳能集热器，采暖系统使用集热器约占总量的20%，每年新建太阳能采暖系统约12万个，可节约常规能源20%～60%。

近年来，世界很多国家积极开展了太阳能与建筑一体化的研究工作。欧洲建了许多示范工程，瑞士西部一公寓建筑南向屋顶全部安装了太阳热水集热器，代替了屋顶传统建筑材料，建筑的供暖和热水能耗大部分由屋顶集热器提供，建筑既美观又提高了工程的经济效益。

2.2 国内研究现状

我国太阳能在建筑中的应用研究开始于20世纪70年代末，太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛，产业化发展最迅速的领域。1975年在河南安阳召开了“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，之后太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物质支持。

我国的太阳能供热采暖工程应用仍处于起步阶段，目前已建成若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程。如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。

近几年，国内的一些专家和学者对太阳能采暖进行了大量的研究，比较有代表性的有，广州大学建筑学院的裴清清对西北边疆某哨所楼进行了建筑热工分析和计算，计算出围护结构的得热量和耗热量；对平板型空气集热器、卵石床蓄热器及其它系统设备进行了设计与计算，简述了太阳能供暖系统集热、蓄热、供暖的运行控制方法。中房集团新技术中心有限公司的齐政新和中国建筑标准设计研究所的李岩研究了辅助太阳能的地板采暖的系统形式，对不同的系统形式作了分析，探讨了设计中需注意的问题。他们在论文中描述了间歇运行系统和强制循环的连续运行系统两种系统，并分析了太阳能用于采暖的条件和限制。上海理工大学的于国清等人，以一个100 m2的房间为研究对象，采用 10～15年内逐日气象数据对太阳能采暖系统进行模拟。根据模拟的结果，分析其初投资、寿命周期内的总能耗、总运行费用、综合热价等指标，然后将其与燃气锅炉、燃煤锅炉、电锅炉采暖进行比较，对比其初投资、运行费用、总能耗等指标。然后分析了不同的气象条件、每日太阳能负责的采暖小时数、集热器价格等因索对系统经济性的影响。

兰州理工大学王磊磊、李金平设计出了太阳能和生物质能互补的散热器采暖别墅。通过对系统经济性和能量利用率分析，得出该新型太阳能和生物质能互补的散热器采暖系统经济性、环保性好，能量利用率高。顾晓燕等开展了太阳能制冷及供暖综合系统研究。程建国、许志浩进行了西藏太阳能与水源热泵联合供暖应用研究。

国内部分太阳能企业和建筑业也构建了一些太阳能与建筑结合的示范工程。目前，在山东、江苏、浙江、安徽、北京等地已有太阳能热水器生产厂商主动联合当地的建筑设计院进行太阳能热水器与小区住宅一体化设计的试点和示范，取得了较好的效果。

3 太阳能供热采暖存在的问题

通过上面对国内外研究现状的分析，可以发现，利用太阳能来供热采暖一直是世界上比较重视的研究课题，也做了一些工程实例，但仍然存在一些问题：

（1）太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下差异：1）采暖负荷在不同月份变化很大，热水负荷四季差别较小；2）系统供回水温差差异较大；3）太阳能与采暖负荷存在明显矛盾。太阳能辐照强度高的月份(3～10月)不需要采暖，太阳能辐照强度高的白天采暖负荷较夜晚低。因此，在采暖系统设计中不能简单把热水系统放大，必须考虑以下几个方面：①辅助能源；②太阳能保证率；③系统的防冻问题；④系统的过热问题；⑤换热水箱的设计。

（2）太阳能供热采暖系统的设计大多仍然停留在简单估算的水平上，没有成熟、成套的设计方法或软件。在单位面积供暖负荷、当地太阳辐照度、水箱体积的确定等设计参数的选择上，都没有一个精确的计算方法，不同设计人员给出的设计参数相差很大。

（3）目前太阳能供热采暖系统的设计思路是依据相关规定，首先粗略估计房间的热负荷，然后设计系统，最后再对整个采暖系统进行节能性、经济性分析。显然，这样的设计思路无法在满足热用户舒适度要求的基础上实现建筑节能最大化。国内外工程实例中，很少注重室内环境舒适度要求，也很少对室内热环境进行实地测试，未对采暖效果做出评估。

（4）很多安装太阳能供热采暖系统的建筑为非节能建筑，造成系统运行效率不高，经济性很差，增加系统的初投资，使太阳能供热采暖系统不能完全发挥应有的节能效益。

（5）冬夏热量平衡问题。太阳能供热采暖系统中夏季产生的热水远大于实际消耗量，这使得太阳能集热系统不得不采取闷晒、遮挡等方法来减少太阳的热，造成非采暖季太阳能利用率过低和因系统过热而产生安全隐患等问题。因此，解决冬夏热量平衡问题成为太阳能采暖系统发展的重要技术问题。

（6）阳能与建筑一体化问题。国内外工程实例中，太阳能供热采暖系统的设计很少重视与建筑的结合，这种分离的状态不但影响了建筑的美观还影响到建筑结构承重等。

总之太阳能供热采暖系统的最大技术“瓶颈”在于其经济性和稳定性的问题。因此，如果能解决这两个问题，太阳能供热采暖系统将会成为新能源利用的典型。

4 发展太阳能供热采暖系统的措施

4.1 加强建筑节能

太阳能供热采暖技术是一项新的节能技术，它应用的前提是节能建筑。由于太阳能在单位面积的能量密度低，如果维护结构保温性能不好，势必增加建筑物的采暖耗热量，集热器面积将会很大，系统初投资提高，太阳能供热采暖系统不能发挥应用的节能效益。

4.2 规范太阳能供热采暖工程的设计、施工和验收

近十余年来，欧洲、北美发达国家的太阳能供热采暖规模化利用快速发展，建成了大批利用太阳能的区域供热采暖系统，并编写出版了相应的技术指南和设计手册。我国的太阳能供热采暖技术近几年来也成为可再生能源建筑应用的热点，各地陆续建成了一批试点示范工程，国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》也于2009年3月发布。

4.3 提高太阳能集热系统效率

目前建设的太阳能采暖工程中，集热器、水箱等关键产品还有较大的改进空间。如进一步提高平板集热器的密封性以增加集热效率等。企业应加强研发力量，提高产品质量和工艺水平，开发安全可靠、高效稳定的新产品以不断提高太阳能集热系统的效率。

4.4 提高太阳能利用率

太阳能全年综合利用可大大提高其利用率，同时也可以解决冬夏热量不平衡问题。可采用的措施有：适当降低系统的太阳能保证率；合理匹配供暖和供热水的建筑面积(同一系统供热水的建筑面积应大于供暖的建筑面积)；夏季利用太阳能制冷以及跨季节蓄热等。

4.5 太阳能与建筑一体化

太阳能与建筑的关系经历了被动接受(被动式太阳房)，简单叠加(太阳能热水器)，与建筑一体化则是未来的发展趋势。所谓与建筑一体化就是要做到与工程建设项目同步设计、同步施工、同步验收、同时投入使用。这样就可以避免影响建筑美观、破坏建筑结构，并使各专业协调进行，减少安全隐患。

4.6 政府制定鼓励支持政策

太阳能采暖系统具有较高的社会效益，但存在投资相对较高，投资回收期较长的缺点。对房地产开发商而言，如果开发成本的增加不能带动房屋销售的话，则开发商的积极性不高。因此，政府应积极建设试点工程，针对生产厂商、房地产开发商、终端用户制定更完善、合理的鼓励和支持政策，积极推广试点工程经验，提高系统整体技术水平，促进太阳能采暖行业及市场的良性发展。