山西太陽能供熱領域應用分析

王 虎 俠

(恒大地產(chǎn)集團太原有限公司，山西 太原 030002)

山西太陽能供熱領域應用分析

王 虎 俠

(恒大地產(chǎn)集團太原有限公司，山西 太原 030002)

介紹了山西省太陽能利用的地域優(yōu)勢及政策環(huán)境,探討了太陽能采暖系統(tǒng)被動和主動方式實施方法，并著重對被動陽光暖房和較為典型的主動式太陽能采暖系統(tǒng)進行了研究,為太陽能光熱系統(tǒng)的開發(fā)利用奠定了基礎。

光熱轉換，太陽能，采暖系統(tǒng)，被動式，主動式

太陽能是由太陽內部氫原子發(fā)生聚變釋放出巨大核能而產(chǎn)生的能，是來自太陽的輻射能量。太陽能的利用有利用光熱轉換和光電轉換兩種方式。太陽能的光熱轉換是太陽能采暖系統(tǒng)的核心技術，隨著太陽能熱水器在山西省的大量使用及相關政府機構出臺的太陽能利用的相關政策及太陽能光熱轉換設備的成熟，太陽能采暖系統(tǒng)在山西省的發(fā)展具有了非常好的平臺，一定會有長足的發(fā)展。建筑用能是指建筑使用過程中的能耗，而采暖空調能耗在建筑能耗所占比例高達65%。另有數(shù)據(jù)顯示，小城鎮(zhèn)和農(nóng)村的建筑在全社會建筑中所占比重超過70%。全年供熱水和冬季采暖占整年能源消耗的70%左右。太陽能作為一種取之不竭的清潔可再生能源，已逐步被人類社會重視和開發(fā)。太陽能光熱系統(tǒng)的開發(fā)和利用對滿足清潔能源需要、優(yōu)化環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

1 地域優(yōu)勢

按照太陽能資源區(qū)劃分，山西省91%的地區(qū)為資源很豐富區(qū)，其中大部分地區(qū)全年日照數(shù)在2 600 h以上，有約1/3的地區(qū)在2 800 h以上。全省年總輻射量介于5 020 MJ/m2～6 110 MJ/m2之間，平均在5 440 MJ/m2以上。對太陽能利用有著非常好的地理條件。

2 政策環(huán)境

1)2008年9月25日山西省第十一屆人民代表大會常務委員會第六次會議通過《山西省民用建筑節(jié)能條例》明確扶持太陽能等可再生能源在民用建筑中的應用并規(guī)定新建民用建筑的建設單位，應當根據(jù)建筑項目所在地的實際情況，優(yōu)先選擇太陽能、淺層地能和再生水源等可再生能源，用于采暖、制冷、照明和熱水供應等。

2)2011年4月25日《山西省住房和城鄉(xiāng)建設廳 關于加快推進太陽能光熱建筑應用的通知》要求自2011年6月1日起，在全省城鎮(zhèn)范圍內的新設計要強制推廣應用太陽能光熱系統(tǒng)，舊的建筑也在大力改造，強制推廣的光熱轉換內容主要是太陽能熱水系統(tǒng)，推廣的范圍非常大，不僅包括公共建筑的供熱水系統(tǒng)，也包括居住建筑的熱水需求。

3)2013年8月23日《山西省開展綠色建筑行動實施意見》指出要大力推廣太陽能熱利用：太陽能熱水系統(tǒng)依然是強制推廣的內容。提出要積極推進被動式太陽能采暖的要求。要求因地制宜，不僅在主動太陽能采暖系統(tǒng)上做文章，更要在前期建筑結構設計綜合考慮，這將在城市集中供熱尚未覆蓋的區(qū)域和新農(nóng)村建設中發(fā)揮重大作用。意見內容還提出了實施太陽能屋頂計劃，其主要目的還是要提高建筑的日照面的使用率，發(fā)揮其在節(jié)能方面的作用。

從山西各節(jié)能政策相關文件中我們可以看到，在技術成熟的太陽能熱水系統(tǒng)已強制推行的節(jié)能大環(huán)境中，太陽能采暖也成為積極推進的內容。

3 太陽能應用分析

太陽能暖房的總體設計考慮一方面是要增大從太陽輻射取得的熱量，另一方面減少圍護結構的熱損失，以便達到更好的采暖效果。

1)要從建筑和結構方面考慮，即所謂被動式太陽房。被動式太陽房主要根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，從建筑結構設計方面來實現(xiàn)對太陽能直接利用，是一種完全依靠自然動力實現(xiàn)的采暖方式。它不需要安裝復雜的太陽能設備，也無需循環(huán)動力設備，完全依靠建筑結構造成的吸熱、隔熱、保溫、通風等特性，來達到室內舒適溫度的目的。由于被動式太陽房不另設采暖通風系統(tǒng)，所以它是非常經(jīng)濟的且有效地利用太陽能采暖的建筑，是太陽能熱利用的一個非常重要的方面。因為缺少了可及時調節(jié)的控制系統(tǒng)，主動調節(jié)性差是此方式的最大弊端。雖然在建筑結構方面采用了各種措施，被動式太陽房內部空間的溫度仍然從根本上受制于室外溫度。當太陽能輻射不能滿足建筑的使用功能時，還是要采用一些輔助能源的補充；在外界出現(xiàn)極端天氣情況下，無法人為構造溫度適宜的環(huán)境；即使在正常情況下，早、中、晚室內氣溫差別也很大。與現(xiàn)代人回歸自然的理念相吻合大環(huán)境下，對于崇尚自然的用戶，以及山西廣大無采暖條件的農(nóng)村地區(qū)，由于它簡易可行、綠色環(huán)保，造價不高，推廣前景是非常樂觀的。

從利用太陽能的方式來劃分，被動式太陽房的類型大致有如下幾種：

第一，直接受益式：讓太陽光通過建筑圍護結構中的透光材料直接進入室內，對室內物品和空間進行加熱。對山西地區(qū)來講，建筑的屋面、南立面及其上門窗是獲取太陽輻射的通道。這就要考慮兩方面的問題，一是輻射通道的面積，二是輻射通道的透光率。這就要權衡屋面和南立面圍護結構材料選擇，既要有良好的隔熱保溫性能，又要有良好的透光性，讓熱量進的來，出不去。也可以考慮再加裝活動屋面和南立面，有日照的時間開啟，無日照的時間關閉。

第二，集熱墻式：集熱墻是利用陽光照射到外面有玻璃罩的深色蓄熱墻體上，加熱透明蓋板和厚墻外表面之間的夾層空氣，通過熱壓作用使空氣流入室內向室內供熱，同時墻體本身直接通過熱傳導向室內放熱并儲存部分能量，夜間墻體儲存的能量釋放到室內；另一方面，集熱墻通過玻璃蓋層等將熱量以傳導、對流及輻射的方式損失到室外。集熱墻式太陽房非常適用于山西太陽能資源豐富、晝夜溫差比較大的地區(qū)，它將大大改善該地居民的居住環(huán)境，減少這些地區(qū)的采暖能耗。

第三，附加陽光間式，附加陽光間是由直接受益式和集熱墻式組合而成的組合式系統(tǒng)。其基本結構是在生活建筑建設進程中，在其南側加設獨立的陽光間。生活房間和陽光間由隔墻隔開，通過隔墻上的門窗洞口進行熱量傳遞。附加陽光間承擔對太陽能的收集和蓄熱作用，同時又可以作為一個緩沖區(qū)，減少房間的熱損失，使生活建筑物獲得一個溫和的環(huán)境。陽光間通過直接受益系統(tǒng)的作用直接得到太陽的照射和加熱，當陽光間內空氣溫度大于生活房間溫度時，隔墻上的門窗洞口開啟，將陽光間的熱量通過對流傳入生活的房間，當室外無陽光時，隔墻上的門窗洞口關閉，陽光間將生活房間與外界分隔開，陽光間很大程度上減少生活房間的熱損耗?！渡轿魇￠_展綠色建筑行動實施意見》中還涉及一些為發(fā)展太陽能利用而制定的優(yōu)惠條件，是對太陽能利用技術在建筑領域的大力支持，也說明這種節(jié)能方式在山西有相當?shù)恼J可度。

其他形式還有水墻式和屋頂水池式，相對上述三種形式實現(xiàn)起來較為復雜，可以作為一種參考方案進行討論和研究，暫不具備大面積實施的條件。

2)在被動式太陽房基礎上增設或者獨立安裝太陽能供熱系統(tǒng)即所謂的主動式太陽房。主動式太陽能供熱系統(tǒng)是采用高效太陽能集熱器以及電動力循環(huán)系統(tǒng)來完成采暖過程，系統(tǒng)運轉中需要消耗一定電能，但采暖熱量來自太陽輻射。

主動式太陽能供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的采暖區(qū)別根本上是熱源的不同。

利用太陽能光熱轉換設備和蓄熱設備的典型方式,這種方式對于強制推廣太陽能熱水系統(tǒng)的山西省來講，是很值得關注的一種思路，在生活熱水系統(tǒng)中加入采暖系統(tǒng)，同時滿足室內的采暖要求，并在蓄熱水箱加裝輔助熱源系統(tǒng)以保證采暖的穩(wěn)定性。太陽能熱板進行光熱轉換的單位熱值相對固定，可以加大太陽能集熱器的面積獲取更多的熱量，作為熱水系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)共用熱源；輔助熱源可采取的方式較多，熱泵、電加熱、燃氣等均可考慮。

太陽能采暖系統(tǒng)運行原理見圖1。

采暖所用的熱媒水在太陽能集熱器和采暖水箱之間進行循環(huán)加熱階段。在采暖周期內，太陽能集熱器所獲取的熱量通過蓄熱水箱用于房間的采暖和生活熱水補水的加熱。蓄熱水箱的作用可以理解為具備可蓄積大量熱量的熱交換器。蓄熱水箱蓄熱量越大，則采暖系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)對輔助熱源的依賴程度越小。較理想的情況為有晴朗日照周期內。

有日照太陽能設備收集熱量-有日照采暖系統(tǒng)損耗熱量-有日照熱水系統(tǒng)損耗熱量=水箱有日照蓄熱量。

無日照周期內：有日照水箱周期蓄熱總量=無日照時間周期采暖系統(tǒng)損耗熱量-無日照時間周期熱水系統(tǒng)損耗熱量。

在這種理想平衡狀態(tài)下，熱源全部來自太陽能，且太陽能集熱設備的利用率是最高的即太陽能設備收集的熱能全部被使用。

輻射到地面的太陽能常受氣象條件和季節(jié)的影響?？紤]到太陽能的這種不穩(wěn)定性和經(jīng)濟因素，一般的太陽能供熱量僅占房屋總熱負荷的一部分。因此，無論是采用被動式太陽能采暖系統(tǒng)的建筑物，還是采用主動式的太陽能采暖系統(tǒng)的建筑物，在沒有配置足夠的蓄熱體時，室溫波動較大。白天有陽光時，通過各種集熱方式，室內溫度迅速升高；夜晚室內溫度要低得多，連續(xù)陰雨天將無法供暖。對于相對采暖要求較高的建筑利用太陽能采暖時，必須配備其他的輔助采暖設施。

選擇輔助熱源是要綜合考慮各項因素：輔助熱源有燃油鍋爐、燃氣爐、生物質鍋爐、燃煤鍋爐、電加熱、熱泵等。 其中熱泵技術作為太陽能輔助熱源使用費用低，控制方便，但設備初投資高，此外山西地區(qū)采用空氣源熱泵在冬季使用能效比很低；而電加熱設備易安裝，控制方便，是太陽能熱水系統(tǒng)最常用的輔助熱源，但運行費用較高，有時因需電力增容大大提高系統(tǒng)投資。

4 結語

太陽能采暖的使用應考慮其適用性、功能性、節(jié)能最大化及環(huán)保和初投資的各種因素，因地制宜的設計保證使用要求的太陽能供熱系統(tǒng)。太陽能供熱的推廣將有助于綠色和節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。太陽能采暖大規(guī)模使用，這主要是因為現(xiàn)有的太陽能采暖系統(tǒng)的不穩(wěn)定和太陽能采暖系統(tǒng)及輔助熱源投資較高且較復雜。

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Application analysis on Shanxi solar energy heating field

WANG Hu-xia

(Hengda Real Estate Group Taiyuan Limited Company, Taiyuan 030002, China)

This paper introduced the geographical advantage and policy environment of solar energy utilization in Shanxi, discussed the passive and active implementation method of solar energy heating system, and emphatically researched the passive solar greenhouse and typical active solar heating system, laid foundation for the development and utilization of solar energy photo-thermal system.

photo-thermal conversion, solar energy, heating system, passive, active

1009-6825(2014)18-0230-02

2014-04-09

王虎俠(1974- )，男，工程師

TU201.5

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