太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

朱學(xué)榮

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快以及生活水平的不斷提高，人們對(duì)所居住、生活的環(huán)境要求也越來(lái)越高.但要?jiǎng)?chuàng)造舒適的環(huán)境，就要消耗能源.社會(huì)在發(fā)展的同時(shí)，造成了不可再生資源的枯竭和生態(tài)環(huán)境的污染.資源短缺、環(huán)境污染是當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)所面臨的重要問(wèn)題，他們之間的矛盾變得越來(lái)越尖銳.在這種背景下，建筑業(yè)以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展為理念的新能源革命正在全球興起.

太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的新型清潔能源，它的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到世界范圍的廣泛關(guān)注，而利用太陽(yáng)能采暖，使太陽(yáng)能與環(huán)境的結(jié)合，也為太陽(yáng)能的利用迎來(lái)了一個(gè)新的發(fā)展階段.1999年召開(kāi)的世界太陽(yáng)能大會(huì)明確提出，當(dāng)代太陽(yáng)能科技發(fā)展的兩大基本趨勢(shì)，一是光與電結(jié)合，二是太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合.在我國(guó)制定的《中國(guó)21世紀(jì)議程》中，進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目[1].國(guó)家經(jīng)貿(mào)委在頒布的《新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十五”規(guī)劃》中也明確提出在建筑中推薦使用太陽(yáng)能系統(tǒng).此外，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)建筑物內(nèi)部的熱環(huán)境提出了越來(lái)越高的要求.為了提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，建筑不得不逐漸成為“能耗大戶”并造成越來(lái)越嚴(yán)重的供暖污染.

近年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，盡管我國(guó)民用建筑的整體舒適度低于世界各發(fā)達(dá)國(guó)家，但我國(guó)的建筑能耗已經(jīng)占當(dāng)年全社會(huì)終端能源消耗的27.8%,接近發(fā)達(dá)國(guó)家的水平,而采暖和空調(diào)為主的建筑能耗己占10%以上,占國(guó)家全部能源消耗的40%-50%的建筑能耗問(wèn)題開(kāi)始受到人們的普遍關(guān)注，因此，建筑節(jié)能勢(shì)在必行.

1 建筑能源消耗現(xiàn)狀

目前，我國(guó)正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，工業(yè)的增長(zhǎng)、居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，尤其是城鎮(zhèn)化進(jìn)程中建筑業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求將更加迫切.近幾年來(lái)，能源問(wèn)題在我國(guó)越來(lái)越突出，拉閘限電、加油站鬧油荒等情況不斷出現(xiàn).目前，我國(guó)二氧化硫的排放量居世界第一，二氧化碳的排放量居世界第二，能耗量居世界第二，但人均商品能源消費(fèi)為世界平均值的二分之一，美國(guó)的十分之一，人均用電約為美國(guó)的2%，每一萬(wàn)元的產(chǎn)值所消耗的能源，是美國(guó)的3倍，日本的7.2倍，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巴西、印度等國(guó)家.同時(shí)，中國(guó)人口眾多位居世界第一，不久的將來(lái)，我國(guó)的能耗量也將躍居世界第一.這些沉甸甸的數(shù)字像我們發(fā)出一個(gè)非常危險(xiǎn)的信號(hào)：我們的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，在相當(dāng)大的程度上是靠拼資源換來(lái)的，資源的高消耗，已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的一大瓶頸.目前，我國(guó)是世界上最大的建筑工地，每年建成的房屋面積高達(dá)20億平方米，超過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家年建成建筑面積的總和，其中80%以上為高耗能建筑.單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3 倍以上.2005年7月1號(hào)國(guó)家頒布了公共建筑節(jié)能管理規(guī)定，2006年1月1號(hào)，民用建筑的節(jié)能管理規(guī)定也即將頒布，2006年7月份開(kāi)始，我國(guó)建筑節(jié)能的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也將陸續(xù)出臺(tái).要求到2010年，全國(guó)新建建筑爭(zhēng)取1/3以上能達(dá)到綠色建筑和節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)，全國(guó)建筑節(jié)能50%；到2020年建筑節(jié)能65%.由于建筑能耗占整個(gè)社會(huì)能耗的40%～50%，因此解決好建筑的能耗問(wèn)題將是至關(guān)重要的.

建筑節(jié)能與百姓的切身利益關(guān)系密切，是中國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，其潛力巨大，供暖和生活熱水是建筑物中能耗的主要部分，在北方建筑采暖的能耗占整個(gè)建筑能耗的75%.而充分利用太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)是降低采暖能耗的有效手段之一.住宅離不開(kāi)熱量供應(yīng)，而所有常見(jiàn)加熱方式中，利用太陽(yáng)能無(wú)疑是成本最低廉、最潔凈、最安全、環(huán)保效果最好的途徑，尤其在熱水、采暖這些低品位熱量就可以滿足的建筑物耗能中，太陽(yáng)能更具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì).目前，在北方地區(qū)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能熱水器輔助以燃?xì)獗趻鞝t的聯(lián)合供熱系統(tǒng)，即經(jīng)濟(jì)有環(huán)保，同時(shí)節(jié)約常規(guī)能源，減少CO及其它有害氣體的排放量，最終達(dá)到降低建筑能耗的目標(biāo).

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)可以非常經(jīng)濟(jì)地為人們提供采暖和生活熱水，但太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱具有不均勻性，其影響因素表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是隨著季節(jié)的變化，太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度在發(fā)生變化，即冬季輻射強(qiáng)度小，夏季輻射強(qiáng)度大；二是同一季節(jié)，隨著天氣的晴朗程度不同，太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度在發(fā)生變化；三是在一天里，白天有太陽(yáng)的輻射，晚上沒(méi)有太陽(yáng)的輻射.由于太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱的不均勻性，使太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱水供應(yīng)具有不穩(wěn)定性，即夏季供水溫度高，冬季供水溫度低；晴天供水溫度高，陰天供水溫度低；白天供水溫度高，晚上供水溫度低.因此，全年運(yùn)行的集中式太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)需要補(bǔ)充熱源，目前，補(bǔ)充熱源主要是燃油爐或燃?xì)鉅t，也有用電進(jìn)行的，由于燃?xì)鉅t(統(tǒng)指燃?xì)鉄崴?、燃?xì)獗趻鞝t、燃?xì)忮仩t)能夠非常迅速方便地為人們提供熱水,或在提供熱水的同時(shí)提供采暖，因此以太陽(yáng)能供熱為主、家用燃?xì)獗趻鞝t為輔的供熱聯(lián)合系統(tǒng)在北方較為實(shí)用.太陽(yáng)能聯(lián)合供熱系統(tǒng)分為兩種情況:一是熱水供應(yīng)系統(tǒng)，二是熱水供應(yīng)系統(tǒng)+采暖系統(tǒng).太陽(yáng)能在非采暖季提供基本全部生活熱水，連續(xù)陰雨天時(shí)以輔助熱源燃?xì)獗趻鞝t作為補(bǔ)充；在采暖季與燃?xì)獗趻鞝t聯(lián)合供應(yīng)生活熱水和采暖所需熱量.生活熱水基本由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)供應(yīng)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)生活熱水負(fù)荷和采暖負(fù)荷的結(jié)合可以使系統(tǒng)效率大為提高，避免因?yàn)殚L(zhǎng)期不用熱水帶來(lái)的浪費(fèi).由于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)約了大量不可再生能源，同時(shí)降低了CO、等有害氣體的排放量.

2.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

太陽(yáng)能熱利用的基本方式是采用太陽(yáng)能集熱裝置接收太陽(yáng)能或者聚集太陽(yáng)能使之轉(zhuǎn)化為熱能并加以利用；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、貯熱水箱、泵、管道和相關(guān)附件、控制部件和輔助熱源組成，是太陽(yáng)能熱利用的熱源部分，它利用太陽(yáng)能將水或者傳熱工質(zhì)加熱并貯存起來(lái)，然后輸送到供熱、制冷的各個(gè)末端設(shè)備，向建筑物提供生活熱水，滿足建筑物的生活熱水供應(yīng)及采暖需求.太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)根據(jù)集熱系統(tǒng)的工質(zhì)循環(huán)方式分為自然循環(huán)系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)是否承壓，分為承壓系統(tǒng)和非承壓系統(tǒng).一般與建筑結(jié)合的系統(tǒng)多采用承壓式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng).目前我國(guó)市場(chǎng)上用于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器和真空管型太陽(yáng)能集熱器，大部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但也有部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)或不能滿足與建筑結(jié)合工程使用的性能要求.因此，對(duì)用于建筑工程的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)品，必須通過(guò)國(guó)家認(rèn)可質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的性能質(zhì)量檢測(cè)；必須依據(jù)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)報(bào)告中提供的性能參數(shù)、當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源和氣象條件進(jìn)行優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才能保證太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，獲得理想的節(jié)能效益.

2.2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用原理

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要用于提供生活熱水和部分采暖負(fù)荷，即采用壁掛爐為輔助熱源的雙效太陽(yáng)能熱水系統(tǒng).太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)原理圖如圖所示：

壁掛爐為輔助熱源的雙效太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

集熱系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)承壓式間接系統(tǒng)，采暖系統(tǒng)采用地板輻射采暖系統(tǒng).由于地板輻射采暖系統(tǒng)供水溫度一般可在40℃左右，因此集熱系統(tǒng)的工作溫度可以相應(yīng)較低.每棟樓的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集中設(shè)置在屋頂，集熱系統(tǒng)按不同樓分別設(shè)置.樓內(nèi)每戶設(shè)一臺(tái)燃?xì)獗趻鞝t、一個(gè)貯熱水箱和一臺(tái)集熱系統(tǒng)循環(huán)泵，生活熱水上水通過(guò)自來(lái)水水壓頂水，采暖系統(tǒng)熱水循環(huán)由壁掛爐所帶的循環(huán)泵提供動(dòng)力.太陽(yáng)能熱水由樓頂集熱系統(tǒng)統(tǒng)一制備，由公共的立管通過(guò)管井與各戶戶內(nèi)系統(tǒng)同程連接.戶內(nèi)的集熱系統(tǒng)循環(huán)泵采用溫差控制，當(dāng)集熱器陣列出口溫度與戶內(nèi)貯熱水箱底部溫度之差高于設(shè)定值時(shí)戶內(nèi)的集熱系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng)將樓頂產(chǎn)生的熱量換入貯熱水箱中.在使用生活熱水時(shí)，當(dāng)貯熱水箱出水已達(dá)到壁掛爐生活熱水設(shè)定溫度時(shí)，由太陽(yáng)能直接提供生活熱水，否則啟動(dòng)壁掛爐將水箱出水加熱到設(shè)定溫度后供給用水點(diǎn).在供暖時(shí)，地板輻射采暖系統(tǒng)回水先通過(guò)貯熱水箱內(nèi)的換熱器換熱，如果供暖系統(tǒng)出水箱后的循環(huán)水溫度已達(dá)到壁掛爐設(shè)定的供水溫度，則壁掛爐不啟動(dòng)，直接依靠太陽(yáng)能系統(tǒng)供暖，否則啟動(dòng)壁掛爐將水箱出水加熱到設(shè)定溫度后供給地板輻射采暖系統(tǒng).考慮到北方地區(qū)的冬天漫長(zhǎng)而寒冷，集熱系統(tǒng)采用間接系統(tǒng)，熱媒采用防凍液，以解決防凍問(wèn)題.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由于每戶平均集熱面積較大，在非采暖季需要采取措施防止集熱系統(tǒng)中水溫過(guò)高給系統(tǒng)帶來(lái)傷害并防止?fàn)C傷.因此，當(dāng)戶內(nèi)水箱頂部溫度高于設(shè)定值時(shí)，集熱系統(tǒng)循環(huán)泵將停止工作，系統(tǒng)處于悶曬狀態(tài)，集熱系統(tǒng)元器件必須以悶曬溫度為工作溫度選取，以免發(fā)生高溫下系統(tǒng)元器件的失效.由于每棟樓采用了集中的集熱系統(tǒng)，集熱系統(tǒng)制備的熱水進(jìn)入每戶應(yīng)通過(guò)熱水表計(jì)量收費(fèi)，即采用集中供水分戶計(jì)量的供水方式.

3 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

3.1 節(jié)能預(yù)測(cè)分析

采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)來(lái)替代常規(guī)的電力或燃?xì)庀蛐^(qū)供應(yīng)生活熱水，陰雨天時(shí)偶爾需要利用燃?xì)獗趻鞝t作為輔助熱源，生活熱水系統(tǒng)常規(guī)能源的需求被降低到了最小；采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)還可以解決部分采暖能耗，具有巨大的節(jié)能效應(yīng).

3.2 環(huán)境影響分析

通過(guò)減少常規(guī)能源的消耗，可再生能源系統(tǒng)可以有效減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響.太陽(yáng)能系統(tǒng)在工作過(guò)程中不會(huì)向周?chē)h(huán)境產(chǎn)生任何排放物.

3.3 市場(chǎng)需求分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)能源消耗總量已達(dá)到24億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而其中建筑能耗占了20%.隨著人民生活的提高，建筑能耗的數(shù)量和所占比例還將進(jìn)一步攀升.據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，中國(guó)建筑市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)還將持續(xù)10年左右，住宅建筑在其中占大部分.住宅建筑的主要能耗為采暖和生活熱水，因此降低采暖和生活熱水能耗對(duì)降低住宅建筑的能耗具有重要意義，市場(chǎng)迫切需要一種全新的低能耗的經(jīng)濟(jì)的生活熱水供應(yīng)和供暖方式，利用太陽(yáng)能進(jìn)行生活熱水供應(yīng)和供暖正好可以滿足以上要求，符合市場(chǎng)的需求.按照建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略要求，通過(guò)各部門(mén)的協(xié)調(diào)配合，探索出一條在滿足社會(huì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高的前提下，大幅度降低建筑能耗的道路，將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn).

〔1〕傅忠誠(chéng).燃?xì)馊紵卵b置[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993.

〔2〕李錦堂.太陽(yáng)能利用 100 年[J].太陽(yáng)能，1999(4)：2～4.

〔3〕聶平.民用太陽(yáng)能技術(shù)[M].內(nèi)蒙古：人民出版社，1984.

〔4〕[美]J.理查德·威廉斯.太陽(yáng)能采暖和熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝[M].北京：新時(shí)代出版社，1990.