太陽能供熱采暖系統(tǒng)存在問題及改進措施

祁 菁

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001）

1 前言

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)的年太陽輻照量超過5000MJ/（m2.a），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t標準煤，具有太陽能利用的良好條件。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，既是近期急需的能源補充，又是未來能源的基礎(chǔ)。利用太陽熱能為建筑物供熱采暖可以獲得非常良好的節(jié)能和環(huán)境效益。因此，太陽能采暖技術(shù)越來越受到人們的重視。

2 太陽能供熱采暖系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀

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。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對太陽能采暖的研究較早，早在1950年美國麻省理工學院就舉行了利用太陽能采暖的學術(shù)討論會，發(fā)表了不少關(guān)于太陽能采暖的論文。對太陽能采暖領(lǐng)域起促進發(fā)展作用是在1945年發(fā)明了平板式集熱器和在1975年發(fā)明了全玻璃真空管集熱器。之后利用集熱技術(shù)給建筑供暖開始從實驗階段走向應(yīng)用階段。

國外太陽能界將太陽能采暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)建成同一套系統(tǒng)，并將這種系統(tǒng)稱為Solarcombi system。早在20世紀80年代中期，法國就著手研究太陽能組合系統(tǒng)，并推出一種稱為“直接太陽能地板”的系統(tǒng)。到20世紀90年代，奧地利、丹麥、芬蘭、德國、瑞典、瑞士、荷蘭等國家相繼設(shè)計出各種型式的太陽能組合系統(tǒng)。

1974年日本通產(chǎn)省制定了“陽光計劃”，并按此計劃建造了數(shù)幢太陽能采暖、空調(diào)建筑。而且多年來，在日本的許多大型建筑物上都已經(jīng)應(yīng)用了太陽能采暖、空調(diào)系統(tǒng)。最引人注目的是上智大學中央圖書館，采用集熱器屋頂一體化設(shè)計，太陽能集熱器集取的熱量用于多種用途，冬季用于供給地板采暖，夏季用于驅(qū)動制冷機制冷，一年四季用于洗浴用水的供給。

在1980～1990年間，國際能源署（lEA）啟動了第6項任務(wù)，“帶跨季節(jié)儲熱器的集中式太陽能供熱設(shè)施”項目。

1998年，國際能源署(IEA)在太陽能供熱與供冷計劃(solar heating&cooling rogramme)中推出專題26：太陽能復(fù)合系統(tǒng)(Task 26：solarcombisystem)。其主要任務(wù)包括：太陽能供熱采暖系統(tǒng)的調(diào)查及推廣、性能試驗方法及數(shù)值模擬方法研究、系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計等，建立起了太陽能復(fù)合系統(tǒng)的分類、設(shè)計、評估及測試等一整套完備的體系。

從2000年開始，德國BMBF(聯(lián)邦教育科技部)和BMWi(聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部)實施了太陽能區(qū)域供熱政府項目，“Solarthermie－2000－Part3 Solar assisted district heming”，至2003年已建成12個太陽能區(qū)域供熱示范工程，8座季節(jié)蓄熱小區(qū)熱力站和4座短期蓄熱小區(qū)熱力站。

歐洲利用大型太陽能熱力站為20～30住戶以上的住區(qū)提供集中生活熱水和供暖。截至2003年，歐洲已建成65座集熱器安裝面積500m2以上的大規(guī)模太陽能熱力站。其中57座直接為居住區(qū)或住宅小區(qū)服務(wù)。采用短期蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為1775m2，采用跨季節(jié)蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為2009m2，無蓄熱直接與市政網(wǎng)并網(wǎng)的平均集熱面積為1280m2，且主要是用于既有建筑的供熱節(jié)能改造。

歐洲到2005年共安裝1536萬m2太陽能集熱器，采暖系統(tǒng)使用集熱器約占總量的20%，每年新建太陽能采暖系統(tǒng)約12萬個，可節(jié)約常規(guī)能源20%～60%。

近年來，世界很多國家積極開展了太陽能與建筑一體化的研究工作。歐洲建了許多示范工程，瑞士西部一公寓建筑南向屋頂全部安裝了太陽熱水集熱器，代替了屋頂傳統(tǒng)建筑材料，建筑的供暖和熱水能耗大部分由屋頂集熱器提供，建筑既美觀又提高了工程的經(jīng)濟效益。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國太陽能在建筑中的應(yīng)用研究開始于20世紀70年代末，太陽能熱水器是我國太陽能利用中應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的領(lǐng)域。1975年在河南安陽召開了“全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗交流大會”，之后太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經(jīng)費和物質(zhì)支持。

我國的太陽能供熱采暖工程應(yīng)用仍處于起步階段，目前已建成若干單體建筑太陽能供熱采暖試點工程。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。

近幾年，國內(nèi)的一些專家和學者對太陽能采暖進行了大量的研究，比較有代表性的有，廣州大學建筑學院的裴清清對西北邊疆某哨所樓進行了建筑熱工分析和計算，計算出圍護結(jié)構(gòu)的得熱量和耗熱量；對平板型空氣集熱器、卵石床蓄熱器及其它系統(tǒng)設(shè)備進行了設(shè)計與計算，簡述了太陽能供暖系統(tǒng)集熱、蓄熱、供暖的運行控制方法。中房集團新技術(shù)中心有限公司的齊政新和中國建筑標準設(shè)計研究所的李巖研究了輔助太陽能的地板采暖的系統(tǒng)形式，對不同的系統(tǒng)形式作了分析，探討了設(shè)計中需注意的問題。他們在論文中描述了間歇運行系統(tǒng)和強制循環(huán)的連續(xù)運行系統(tǒng)兩種系統(tǒng)，并分析了太陽能用于采暖的條件和限制。上海理工大學的于國清等人，以一個100 m2的房間為研究對象，采用 10～15年內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)對太陽能采暖系統(tǒng)進行模擬。根據(jù)模擬的結(jié)果，分析其初投資、壽命周期內(nèi)的總能耗、總運行費用、綜合熱價等指標，然后將其與燃氣鍋爐、燃煤鍋爐、電鍋爐采暖進行比較，對比其初投資、運行費用、總能耗等指標。然后分析了不同的氣象條件、每日太陽能負責的采暖小時數(shù)、集熱器價格等因索對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。

蘭州理工大學王磊磊、李金平設(shè)計出了太陽能和生物質(zhì)能互補的散熱器采暖別墅。通過對系統(tǒng)經(jīng)濟性和能量利用率分析，得出該新型太陽能和生物質(zhì)能互補的散熱器采暖系統(tǒng)經(jīng)濟性、環(huán)保性好，能量利用率高。顧曉燕等開展了太陽能制冷及供暖綜合系統(tǒng)研究。程建國、許志浩進行了西藏太陽能與水源熱泵聯(lián)合供暖應(yīng)用研究。

國內(nèi)部分太陽能企業(yè)和建筑業(yè)也構(gòu)建了一些太陽能與建筑結(jié)合的示范工程。目前，在山東、江蘇、浙江、安徽、北京等地已有太陽能熱水器生產(chǎn)廠商主動聯(lián)合當?shù)氐慕ㄖO(shè)計院進行太陽能熱水器與小區(qū)住宅一體化設(shè)計的試點和示范，取得了較好的效果。

3 太陽能供熱采暖存在的問題

通過上面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用太陽能來供熱采暖一直是世界上比較重視的研究課題，也做了一些工程實例，但仍然存在一些問題：

（1）太陽能采暖系統(tǒng)與太陽能熱水器相比存在以下差異：1）采暖負荷在不同月份變化很大，熱水負荷四季差別較??；2）系統(tǒng)供回水溫差差異較大；3）太陽能與采暖負荷存在明顯矛盾。太陽能輻照強度高的月份(3～10月)不需要采暖，太陽能輻照強度高的白天采暖負荷較夜晚低。因此，在采暖系統(tǒng)設(shè)計中不能簡單把熱水系統(tǒng)放大，必須考慮以下幾個方面：①輔助能源；②太陽能保證率；③系統(tǒng)的防凍問題；④系統(tǒng)的過熱問題；⑤換熱水箱的設(shè)計。

（2）太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計大多仍然停留在簡單估算的水平上，沒有成熟、成套的設(shè)計方法或軟件。在單位面積供暖負荷、當?shù)靥栞椪斩取⑺潴w積的確定等設(shè)計參數(shù)的選擇上，都沒有一個精確的計算方法，不同設(shè)計人員給出的設(shè)計參數(shù)相差很大。

（3）目前太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計思路是依據(jù)相關(guān)規(guī)定，首先粗略估計房間的熱負荷，然后設(shè)計系統(tǒng)，最后再對整個采暖系統(tǒng)進行節(jié)能性、經(jīng)濟性分析。顯然，這樣的設(shè)計思路無法在滿足熱用戶舒適度要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)建筑節(jié)能最大化。國內(nèi)外工程實例中，很少注重室內(nèi)環(huán)境舒適度要求，也很少對室內(nèi)熱環(huán)境進行實地測試，未對采暖效果做出評估。

（4）很多安裝太陽能供熱采暖系統(tǒng)的建筑為非節(jié)能建筑，造成系統(tǒng)運行效率不高，經(jīng)濟性很差，增加系統(tǒng)的初投資，使太陽能供熱采暖系統(tǒng)不能完全發(fā)揮應(yīng)有的節(jié)能效益。

（5）冬夏熱量平衡問題。太陽能供熱采暖系統(tǒng)中夏季產(chǎn)生的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的熱，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。

（6）陽能與建筑一體化問題。國內(nèi)外工程實例中，太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計很少重視與建筑的結(jié)合，這種分離的狀態(tài)不但影響了建筑的美觀還影響到建筑結(jié)構(gòu)承重等。

總之太陽能供熱采暖系統(tǒng)的最大技術(shù)“瓶頸”在于其經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的問題。因此，如果能解決這兩個問題，太陽能供熱采暖系統(tǒng)將會成為新能源利用的典型。

4 發(fā)展太陽能供熱采暖系統(tǒng)的措施

4.1 加強建筑節(jié)能

太陽能供熱采暖技術(shù)是一項新的節(jié)能技術(shù)，它應(yīng)用的前提是節(jié)能建筑。由于太陽能在單位面積的能量密度低，如果維護結(jié)構(gòu)保溫性能不好，勢必增加建筑物的采暖耗熱量，集熱器面積將會很大，系統(tǒng)初投資提高，太陽能供熱采暖系統(tǒng)不能發(fā)揮應(yīng)用的節(jié)能效益。

4.2 規(guī)范太陽能供熱采暖工程的設(shè)計、施工和驗收

近十余年來，歐洲、北美發(fā)達國家的太陽能供熱采暖規(guī)?；每焖侔l(fā)展，建成了大批利用太陽能的區(qū)域供熱采暖系統(tǒng)，并編寫出版了相應(yīng)的技術(shù)指南和設(shè)計手冊。我國的太陽能供熱采暖技術(shù)近幾年來也成為可再生能源建筑應(yīng)用的熱點，各地陸續(xù)建成了一批試點示范工程，國家標準《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》也于2009年3月發(fā)布。

4.3 提高太陽能集熱系統(tǒng)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。

4.4 提高太陽能利用率

太陽能全年綜合利用可大大提高其利用率，同時也可以解決冬夏熱量不平衡問題?？刹捎玫拇胧┯校哼m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(同一系統(tǒng)供熱水的建筑面積應(yīng)大于供暖的建筑面積)；夏季利用太陽能制冷以及跨季節(jié)蓄熱等。

4.5 太陽能與建筑一體化

太陽能與建筑的關(guān)系經(jīng)歷了被動接受(被動式太陽房)，簡單疊加(太陽能熱水器)，與建筑一體化則是未來的發(fā)展趨勢。所謂與建筑一體化就是要做到與工程建設(shè)項目同步設(shè)計、同步施工、同步驗收、同時投入使用。這樣就可以避免影響建筑美觀、破壞建筑結(jié)構(gòu)，并使各專業(yè)協(xié)調(diào)進行，減少安全隱患。

4.6 政府制定鼓勵支持政策

太陽能采暖系統(tǒng)具有較高的社會效益，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。

5 結(jié)語

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，太陽能供熱采暖雖然存在著一些問題，但太陽能供熱采暖是最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲軣崂眉夹g(shù)。隨著國家大力推進可再生能源應(yīng)用力度，以及出臺相應(yīng)的優(yōu)惠政策，太陽能供熱采暖技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 張廣宇，于國清，何建清.較大規(guī)模集中式住區(qū)級跨季節(jié)蓄熱型太陽能供熱系統(tǒng)參數(shù)研究【J】.暖通空調(diào)，2007，37(8)：113－116.

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7 周理民.讓太陽能的光輝照耀中國房地產(chǎn)──再談太陽能與建筑完美結(jié)合【J】.現(xiàn)代家電，2003，51－53.