太陽能熱水系統(tǒng)的探討

許斌甲

【摘要】隨著社會的發(fā)展，能源危機(jī)的日益加重以及地球氣候變暖，全國各地基本都在制定相應(yīng)的法律法規(guī)來推廣使用免費(fèi)的、無污染的綠色能源——太陽能，以緩解能源、環(huán)境危機(jī)。在光熱利用的設(shè)計過程中，我們應(yīng)根據(jù)自身的使用需求和現(xiàn)場情況，選擇最合適的太陽能熱水系統(tǒng)。而且，在設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮太陽能與建筑一體化，使太陽能與建筑完美的融合在一起，成為建筑的一部分。

【關(guān)鍵詞】太陽能;真空管集熱器;平板集熱器;太陽能建筑一體化

1、前言

我國人口眾多，資源相對不足，環(huán)境污染嚴(yán)重，能源問題已成為經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要制約因素。大力開發(fā)利用新能源和可再生能源，對于改善以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)、緩解能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

我國具有非常豐富的太陽能資源。太陽能年輻照總量每平方米超過5000兆焦耳、年日照時數(shù)超過2200小時以上的地區(qū)約占我國國土面積的三分之二以上;若將全國太陽能年輻照總量的百分之一轉(zhuǎn)化為可利用能源，就能滿足我國全部的能源需求;豐富的太陽能資源為太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的資源保障。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能量約為5.0×1018kJ，全國各地太陽年輻射總量達(dá)335～837kJ/cm2·a。從全國各地太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量較大，而其他地區(qū)則較小。

因此，我們有大力推廣太陽能光熱運(yùn)用的先天條件，以緩解日益加重的能源危機(jī)，以及減少溫室氣體的排放量。

2、集熱面積計算

太陽集熱器的總面積是太陽能熱水系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，它與系統(tǒng)的節(jié)能特性和經(jīng)濟(jì)性緊密相關(guān)。一般來說，全年使用的太陽能熱水系統(tǒng)在計算時采用全年平均氣象參數(shù)，側(cè)重于春、夏、秋季使用的太陽能熱水系統(tǒng)，在計算時采用春分或秋分所在月的月平均氣象參數(shù)，側(cè)重于冬季使用的太陽能熱水系統(tǒng)在計算時采用12月的月平均氣象參數(shù)。而且，在計算集熱面積時還應(yīng)先確定系統(tǒng)的形式，是直接系統(tǒng)還是間接系統(tǒng)。

2.1直接系統(tǒng)

直接系統(tǒng)（又稱一次循環(huán)系統(tǒng)），見圖2-1。其集熱面積計算公式如下：

2.2 間接系統(tǒng)

間接系統(tǒng)（又稱二次循環(huán)系統(tǒng)），見圖2-2。其集熱面積計算公式如下：

2.3 兩種系統(tǒng)相互比較

2.3.1直接式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：

由于是一次循環(huán)，熱轉(zhuǎn)移因子FR高，一般可取0.9左右，而間接式系統(tǒng)中間需要進(jìn)行換熱，熱量損失較大，且由于二次系統(tǒng)要提高集熱板的溫度，故降低了集熱板的效率，一般FR可取0.8左右。故間接系統(tǒng)的集熱面積需要補(bǔ)償。其次，一般間接系統(tǒng)傳熱工質(zhì)使用防凍液，如乙二醇等，其黏度μ較水大，熱工性能比水差，故會增加循環(huán)泵的揚(yáng)程，降低集熱器的熱性能等。但是，直接系統(tǒng)也存在不足的地方。首先，在會出現(xiàn)冰凍的區(qū)域，需要采取防凍措施，如排空管道內(nèi)的水等，如此則當(dāng)環(huán)境溫度小于0度時，整個系統(tǒng)停止工作。其次，在水質(zhì)較硬的地方使用，水箱及管道內(nèi)容易結(jié)水垢。

2.3.2 間接系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

間接系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)不和水箱內(nèi)的水直接接觸，這樣，不會影響水箱內(nèi)的水質(zhì)。其次，間接系統(tǒng)可以不受當(dāng)?shù)厮|(zhì)的影響，集熱器內(nèi)不易結(jié)水垢。在冰凍區(qū)域可以直接使用，而不采取其他措施。

間接系統(tǒng)存在如下不足之處。首先，會增加初投資成本，其次，會降低系統(tǒng)的熱效率。

3、太陽能與建筑一體化設(shè)計

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合是一個系統(tǒng)工程。從規(guī)劃和建筑設(shè)計一開始就應(yīng)該將太陽能熱水系統(tǒng)所包含的所有內(nèi)容作為建筑不可缺少的元素加以考慮，從內(nèi)部管線到外觀形象整合，使之成為建筑組成的一部分，而不是對于的附加構(gòu)件，做到統(tǒng)一規(guī)劃、同步設(shè)計、同步施工、與建筑同時投入使用。一般認(rèn)為一體化設(shè)計應(yīng)達(dá)到：

3.1在外觀上，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與建筑完美結(jié)合;設(shè)計應(yīng)把集熱器作為建筑組成部分，融入整個設(shè)計中，并應(yīng)綜合考慮日照、建筑造型、風(fēng)格。平屋面對建筑形象影響較小，布置方面更傾向于技術(shù)要求。現(xiàn)在設(shè)計中經(jīng)常會設(shè)計屋頂構(gòu)架，可以結(jié)合構(gòu)架設(shè)計布置。坡尾面時集熱器—般與斜屋面結(jié)合，盡量采用嵌入式安裝方式，減少太陽能集熱器對建筑立面效果的影響。另外在高層居住建筑設(shè)計中，由于屋面空間小，熱水需求量大，集熱器也可選擇分戶設(shè)置于陽臺欄板（或欄桿）處、外墻，但需考慮設(shè)備裝的安全、可靠性。

3.2在結(jié)構(gòu)上，妥善解決太陽能熱水系統(tǒng)安裝，確保建筑物的承重、防水等不受影響，太陽能集熱器應(yīng)具有抗強(qiáng)風(fēng)、暴雪、冰雹等能力。

3.3管路布置做到合理化;集中式太陽能熱水系統(tǒng)干管一般設(shè)于公共空間的管道井，入戶支管敷設(shè)于建筑地面找平層或穿梁敷設(shè)于吊頂內(nèi)。

3.4系統(tǒng)運(yùn)行，要求可靠、穩(wěn)定、安全、便于安裝、維修，集中供熱水系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和自動控制。

3.5在能源利用上，太陽能需要同其它多種能源相互結(jié)合，綜合利用。如采用太陽能+空氣源熱泵組合、太陽能+燃?xì)忮仩t組合等。

4、太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

我國人口眾多，人均能源資源占有量低于世界人均值，據(jù)相關(guān)資料顯示，中國能源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)剩余可采儲量的資源保證程度僅為129.7年，其中：原煤114.5年，石油：20.1年，天然氣49.3年。因此，必須尋求新的替代能源。太陽能是永不枯竭的清潔可再生能源，使用過程中是完全免費(fèi)的，無污染的，是理想的替代能源。下面以100m2集熱面積太陽能熱水系統(tǒng)為例，介紹下太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)保效益。

從公式4-1、4-2可以計算出100m2集熱面積太陽能熱水系統(tǒng)在使用壽命期限內(nèi)，CO2減排量QCO2為307T，為地球的環(huán)保減排貢獻(xiàn)了一份力量同時又在治理環(huán)境方面減少了經(jīng)濟(jì)投入。

結(jié)論：

（1）在設(shè)計集中太陽能熱水系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇合適的熱水系統(tǒng)及集熱器，使熱水系統(tǒng)的性價比最佳。

（2）如果在中國南方，沒有冰凍隱患的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用直接系統(tǒng);在需要防凍的區(qū)域宜采用間接系統(tǒng)，以防系統(tǒng)被凍壞。

（3）太陽能熱水系統(tǒng)在建筑設(shè)計時就予以考慮，與建筑設(shè)計、施工、使用同步化，減少后加時對建筑的破壞。

（4）太陽能熱水系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益，在新建、改建、擴(kuò)建的居住建筑及公共建筑在條件允許的情況下均應(yīng)設(shè)計太陽能熱水系統(tǒng)。

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