壁掛式太陽能供熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀分析

郭藝丹

【摘 要】針對近幾年高層建筑紛紛安裝壁掛式太陽能供熱但利用率低，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益有限的情況下，客觀詳細(xì)的分析了壁掛式太陽能優(yōu)缺點(diǎn)、太陽能和其他能源組合作為熱源的研究現(xiàn)狀，為提高太陽能熱利用提供參考。

【關(guān)鍵詞】太陽能；多能源組合；熱水供應(yīng)；清潔能源

【Abstract】In recent years，high-rise buildings have been installed wall-mounted heating，but the utilization rate is low，resulting in limited economic circumstances，the objective and detailed analysis of the advantages and disadvantages of wall-mounted solar energy，solar and other energy sources as a heat source research status，Heat utilization provides a reference.

【Key words】Solar energy；Multiple energy mix；Hot water supply；Clean energy

0 引言

太陽能熱水器具有節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到用戶和太陽能廠商的青睞。近幾年，隨著新建樓層越來越高，傳統(tǒng)的屋頂太陽能熱水系統(tǒng)難以滿足居民生活需求，平板陽臺壁掛式太陽能（以下簡稱壁掛式太陽能）應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)檎畬μ柲軣崴?xiàng)目的鼓勵(lì)和強(qiáng)制規(guī)定，有不少新建地產(chǎn)項(xiàng)目紛紛給高層住戶裝上了壁掛式太陽能。

但也出現(xiàn)有不少住戶將嶄新的太陽能儲水罐拆除掉，安裝燃?xì)鉄崴鞯默F(xiàn)象。政府大力扶持、開發(fā)商花錢裝太陽能而住戶不領(lǐng)情的尷尬局面，對高層安裝壁掛式太陽進(jìn)行客觀的分析是必要的，文章對壁掛式太陽能的優(yōu)缺點(diǎn)及多能源組合做了詳細(xì)的分析，為提高壁掛式太陽能的熱利用提供參考。

1 正文

現(xiàn)在市場上占主導(dǎo)地位的太陽能熱水器主要有平板型和真空管型兩種，真空管式太陽能，其熱效率高、保溫性好，但管內(nèi)存水、抗凍性差，且玻璃管內(nèi)壁易結(jié)垢，不易清除，全玻璃真空管式如果一支管破碎后，整個(gè)系統(tǒng)將不能使用；熱管真空管式太陽能受熱管工質(zhì)的循環(huán)次數(shù)有限，從而影響其使用壽命[1]。壁掛式太陽能屬于分離式太陽能熱水系統(tǒng)，水箱放置在陽臺內(nèi)，集熱器安裝位置不局限于屋頂，也可以放置建筑南里面陽臺上，深受高層建筑用戶歡迎。

1.1 壁掛式太陽能優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）安裝不受樓層限制，多用于高層建筑。

2）承壓運(yùn)行，出水壓力足（冷水壓力必須足），可多點(diǎn)供水。

3）相比屋頂太陽能，進(jìn)水管道距離短，放少量的冷水就可出熱水。

4）利用太陽能提供熱源，不需要燃?xì)夂碗娏?，?jié)省能源，同時(shí)既安全又環(huán)保。

缺點(diǎn)：

1）容積小，基本維持在80--100升（屋頂太陽能最小的也得160升，16只管）

2）溫度低，最高溫度不會超過75℃，冬季不用輔助電加熱基本維持在30℃--40℃

3）因?yàn)槭浅袎哼\(yùn)行就需要涼水頂熱水才可以使用，一旦涼水壓力低，就不能使用熱水。

4）太陽能受地域、天氣等影響較大，不能很好地滿足用能需求。

太陽能無處不在，隨處即可開發(fā)利用且無需運(yùn)輸，能量巨大，綠色、無污染，取之不盡、用之不竭，我國已經(jīng)把大力推動、發(fā)展新能源、可再生能源作為國家的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略任務(wù)[2]。湖北省武漢市規(guī)定，自2013年7月1日起，武漢市內(nèi)新建、改建、擴(kuò)建18層及以下建筑，太陽能熱水系統(tǒng)須達(dá)到100%；18層以上建筑，太陽能熱水系統(tǒng)須達(dá)到30%。政府這樣簡單的硬性規(guī)定，開發(fā)商粗放的大資金投入壁掛式太陽能，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也非常有限。

一方面，太陽能受季節(jié)、氣候特點(diǎn)的影響，如果只采用太陽能供熱，無法滿足住戶的熱水需求，冬季太陽能集熱箱出水溫度低，末端負(fù)荷基本靠電輔助加熱；另一方面，在日照強(qiáng)的天氣里，由于壁掛式太陽能是涼水頂熱水才能使用熱水，洗浴時(shí)熱水的使用，大量的涼水注入太陽能儲水罐，罐內(nèi)熱水溫度下降很快，滿足不了多人洗浴，而且洗浴時(shí)熱水溫度變化要不斷調(diào)節(jié)水龍頭冷熱水方向，影響洗浴舒適度。況且趕上南方的梅雨季節(jié)，太陽能的輻射幾乎為0，太陽能熱水供應(yīng)根本滿足不了需求。

另外對于成片的高層住宅群，由于樓宇間的遮擋，住在低層的住戶所安裝的集熱器不能接受到充分的日照，因此低層用戶更難達(dá)到理想的使用效果，導(dǎo)致其運(yùn)行效率低下，必須采用輔助加熱措施。

目前壁掛式太陽能輔助加熱裝置一般為電加熱，而電多是由煤燃燒發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)化來的，代價(jià)較高。這種方式效率低且不符合節(jié)能減排理念，一般不建議采用電作為輔助能源。

因此，要更好地滿足用戶24小時(shí)用熱需求，太陽能與其他能源互補(bǔ)使用已成為一種必然趨勢。多能源集成熱水系統(tǒng)既可以單獨(dú)工作，也可根據(jù)用戶需求自由組合，能夠彌補(bǔ)不同能源間的缺陷，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能減排的目標(biāo)。

1.2 多能源輔助太陽能供熱組合方式

建筑能耗中熱水系統(tǒng)占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位，同時(shí)熱水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)結(jié)合使用相對更為常見，這主要是因?yàn)椴膳到y(tǒng)主要是利用太陽能產(chǎn)生的熱水進(jìn)行供暖，因此采暖系統(tǒng)常與熱水系統(tǒng)一起使用。太陽能熱水系統(tǒng)與其他能源進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)用的組合方式主要有：電輔助太陽能熱水系統(tǒng)；燃?xì)廨o助太陽能熱水系統(tǒng)；地源熱泵-太陽能組合式供暖；空氣源熱泵輔助太陽能聯(lián)合供熱；太陽能與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)。

1.2.1 電輔助太陽能熱水系統(tǒng)

目前在高層建筑上安裝的平板壁掛式太陽能均采用電輔助太陽能熱水系統(tǒng)。因?yàn)樘柲艿拈g歇性，通過電加熱輔助太陽能供應(yīng)熱水，解決了傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)不能24h運(yùn)行的缺點(diǎn)。但這種熱水系統(tǒng)仍然需要消耗大量的電能，能源浪費(fèi)問題依然存在[3]。

1.2.2 燃?xì)廨o助太陽能熱水系統(tǒng)

燃?xì)鉄崴魇禽^早投入使用的熱水器，其燃?xì)饪刹捎锰烊粴夂鸵夯瘹?。燃?xì)鉄崴骶哂屑撮_即用，出水快，洗浴方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但耗能較大[4]，而且燃?xì)鉄崴髟谑褂眠^程中，產(chǎn)生一氧化碳和硫化氣體等廢氣，易造成有害氣體聚積和氧氣缺乏，從而引發(fā)人體中毒?；诠?jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的考慮，燃?xì)廨o助太陽能熱水器的應(yīng)用受到一定的限制。

1.2.3 地源熱泵-太陽能組合式供熱

地源熱泵-太陽能采暖系統(tǒng)由地源熱泵和太陽能作為熱源，通過地源熱泵、太陽能集熱器、水箱、連接管道、控制系統(tǒng)和發(fā)熱末端等構(gòu)成。將太陽能所采集的熱源和地源熱泵采集的熱源通過管道將熱源儲存在水箱內(nèi)，然后通過熱水輸送到發(fā)熱末端，提供建筑供熱的需求[5]。但地源熱泵需要地下埋管，初期投入大，適合別墅群住戶，一般高層住戶無法安裝。

1.2.4 空氣源熱泵輔助太陽能聯(lián)合供熱

空氣源熱泵是以空氣作為熱源進(jìn)行供熱的裝置，能夠以較低的能量消耗，實(shí)現(xiàn)把低溫位熱能輸送至高溫位，利用自然資源中的熱量，很好地滿足了用戶熱負(fù)荷的要求[6]。太陽能和空氣能都屬于清潔能源，如果將空氣源熱泵與太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合供熱，以最優(yōu)的模式運(yùn)行，不僅最大程度利用了太陽能，且有效地減少了對電能的消耗，對更好地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境有著重大意義[7]?？諝庠礋岜迷?℃以下，易出現(xiàn)結(jié)霜問題，因此空氣源熱泵輔助供熱太陽能供熱水系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)效益均較顯著， 是適宜在南方推廣的供熱供暖系統(tǒng)。

1.2.5 太陽能與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)

隨著能源短缺及供暖需求的增大，已有熱網(wǎng)無法滿足小區(qū)供暖需求，可以將太陽能與熱網(wǎng)互補(bǔ)聯(lián)合供暖，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)組成。為了確保末端熱用戶的供暖需求，從能耗和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面分析，設(shè)計(jì)熱網(wǎng)承擔(dān)大部分熱負(fù)荷，太陽能作為輔助補(bǔ)熱系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，當(dāng)室外太陽輻照度足夠時(shí)，出水平均溫度提高了，平均COP值由 3.167 增加到 4.65，熱網(wǎng)的供暖時(shí)間得以增加[8]。

多能源輔助太陽能供熱組合方式能夠更加有效的利用太陽能源，缺點(diǎn)是前期投入較大，但后期使用成本低，加上政府有力的扶持，值得推廣應(yīng)用。

1.3 壁掛式太陽能主要研究參數(shù)

太陽能熱水器冬季出水溫度低，一般天氣只有20℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到55℃的要求。因此冬季使用太陽能供熱、供暖必須結(jié)合其他熱源輔助加熱，而太陽能和何種熱源結(jié)合，要考慮輔助熱源的安裝成本、運(yùn)行成本，項(xiàng)目實(shí)施地的太陽能輻射量，太陽能集熱器的熱轉(zhuǎn)換效率、水箱的保溫性能和日照遮擋問題等，這些是影響太陽能熱水器使用效率的關(guān)鍵要素，這也是今后太陽能供熱、供暖研究的主要參數(shù)。

此外，怎樣將太陽能的能量進(jìn)行儲存已經(jīng)成為國際性課題，跨季節(jié)太陽能蓄熱系統(tǒng)已經(jīng)在歐洲一些國家實(shí)施并開展。

2 結(jié)論

綜上研究，壁掛式太陽能作為一種新型能源，已經(jīng)受到我國政府的高度關(guān)注，而壁掛式太陽能的缺點(diǎn)限制了它的使用時(shí)間和范圍，多能源輔助太陽能供熱方式能夠很好的解決這種問題，將壁掛式太陽能和其他熱源結(jié)合起來為用戶提供綠色、清潔、高可靠性、高性價(jià)比的供熱、供暖系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，該類研究對于降低建筑物的能源消耗，增大社會效益具有重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李善可.太陽能——水源熱泵輔助供暖系統(tǒng)的研究[D].沈陽建筑大學(xué)，2011：7-10.

[2]陳文婷.北京地區(qū)太陽能供暖集熱——蓄熱系統(tǒng)研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012，1-10；

[3]鐵燕，羅會龍.空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].制冷與空調(diào)，2009（8）：33-35.

[4]葉遠(yuǎn)璋，唐曉峨.太陽能輔助加熱的燃?xì)鉄崴鳎褐袊?01289201[P].2009-08-12.

[5]張麗娟.太陽能和地源熱泵采暖系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2012（3）：144-145；

[6]王新如，潘嵩，許傳奇.低溫太陽能熱水輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能研究[J].制冷與空調(diào)，2015，v.15（10）：22-25.

[7]楊俊.空氣源熱泵與太陽能熱水系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)探究[J].科技視界，2015（22）：263.

[8]郝紅，付曉晨，馮國會.太陽能——地源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的仿真性能研究[J].流體機(jī)械，2014：80-84.

[責(zé)任編輯：田吉捷]