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        太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

        2013-08-06 07:08:58朱學(xué)榮
        關(guān)鍵詞:壁掛爐集熱熱水

        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)

        隨著中國城市化進程的加快以及生活水平的不斷提高,人們對所居住、生活的環(huán)境要求也越來越高.但要創(chuàng)造舒適的環(huán)境,就要消耗能源.社會在發(fā)展的同時,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)今人類社會所面臨的重要問題,他們之間的矛盾變得越來越尖銳.在這種背景下,建筑業(yè)以節(jié)約能源、保護環(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.

        太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的新型清潔能源,它的開發(fā)利用越來越受到世界范圍的廣泛關(guān)注,而利用太陽能采暖,使太陽能與環(huán)境的結(jié)合,也為太陽能的利用迎來了一個新的發(fā)展階段.1999年召開的世界太陽能大會明確提出,當(dāng)代太陽能科技發(fā)展的兩大基本趨勢,一是光與電結(jié)合,二是太陽能與建筑的結(jié)合.在我國制定的《中國21世紀議程》中,進一步明確了太陽能為重點發(fā)展項目[1].國家經(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能系統(tǒng).此外,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對建筑物內(nèi)部的熱環(huán)境提出了越來越高的要求.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”并造成越來越嚴重的供暖污染.

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

        1 建筑能源消耗現(xiàn)狀

        目前,我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段,工業(yè)的增長、居民消費結(jié)構(gòu)的升級,尤其是城鎮(zhèn)化進程中建筑業(yè)的快速發(fā)展,對能源的需求將更加迫切.近幾年來,能源問題在我國越來越突出,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為世界平均值的二分之一,美國的十分之一,人均用電約為美國的2%,每一萬元的產(chǎn)值所消耗的能源,是美國的3倍,日本的7.2倍,并遠遠高于巴西、印度等國家.同時,中國人口眾多位居世界第一,不久的將來,我國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)出一個非常危險的信號:我們的經(jīng)濟增長,在相當(dāng)大的程度上是靠拼資源換來的,資源的高消耗,已成為制約我國經(jīng)濟快速增長的一大瓶頸.目前,我國是世界上最大的建筑工地,每年建成的房屋面積高達20億平方米,超過了發(fā)達國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)達國家的2~3 倍以上.2005年7月1號國家頒布了公共建筑節(jié)能管理規(guī)定,2006年1月1號,民用建筑的節(jié)能管理規(guī)定也即將頒布,2006年7月份開始,我國建筑節(jié)能的驗收標(biāo)準(zhǔn)也將陸續(xù)出臺.要求到2010年,全國新建建筑爭取1/3以上能達到綠色建筑和節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn),全國建筑節(jié)能50%;到2020年建筑節(jié)能65%.由于建筑能耗占整個社會能耗的40%~50%,因此解決好建筑的能耗問題將是至關(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建筑能耗的75%.而充分利用太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)是降低采暖能耗的有效手段之一.住宅離不開熱量供應(yīng),而所有常見加熱方式中,利用太陽能無疑是成本最低廉、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,太陽能更具有無與倫比的優(yōu)勢.目前,在北方地區(qū),已經(jīng)實現(xiàn)利用太陽能熱水器輔助以燃氣壁掛爐的聯(lián)合供熱系統(tǒng),即經(jīng)濟有環(huán)保,同時節(jié)約常規(guī)能源,減少CO及其它有害氣體的排放量,最終達到降低建筑能耗的目標(biāo).

        2 太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

        太陽能加熱系統(tǒng)可以非常經(jīng)濟地為人們提供采暖和生活熱水,但太陽能系統(tǒng)集熱具有不均勻性,其影響因素表現(xiàn)在三個方面:一是隨著季節(jié)的變化,太陽的輻射強度在發(fā)生變化,即冬季輻射強度小,夏季輻射強度大;二是同一季節(jié),隨著天氣的晴朗程度不同,太陽的輻射強度在發(fā)生變化;三是在一天里,白天有太陽的輻射,晚上沒有太陽的輻射.由于太陽能系統(tǒng)集熱的不均勻性,使太陽能系統(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,全年運行的集中式太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)需要補充熱源,目前,補充熱源主要是燃油爐或燃氣爐,也有用電進行的,由于燃氣爐(統(tǒng)指燃氣熱水器、燃氣壁掛爐、燃氣鍋爐)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提供采暖,因此以太陽能供熱為主、家用燃氣壁掛爐為輔的供熱聯(lián)合系統(tǒng)在北方較為實用.太陽能聯(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).太陽能在非采暖季提供基本全部生活熱水,連續(xù)陰雨天時以輔助熱源燃氣壁掛爐作為補充;在采暖季與燃氣壁掛爐聯(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能熱水系統(tǒng)供應(yīng),太陽能熱水系統(tǒng)生活熱水負荷和采暖負荷的結(jié)合可以使系統(tǒng)效率大為提高,避免因為長期不用熱水帶來的浪費.由于太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用,節(jié)約了大量不可再生能源,同時降低了CO、等有害氣體的排放量.

        2.1 太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)特點

        太陽能熱利用的基本方式是采用太陽能集熱裝置接收太陽能或者聚集太陽能使之轉(zhuǎn)化為熱能并加以利用;太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能集熱器、貯熱水箱、泵、管道和相關(guān)附件、控制部件和輔助熱源組成,是太陽能熱利用的熱源部分,它利用太陽能將水或者傳熱工質(zhì)加熱并貯存起來,然后輸送到供熱、制冷的各個末端設(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)多采用承壓式強制循環(huán)系統(tǒng).目前我國市場上用于太陽能集熱系統(tǒng)的太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器,大部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)均達到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求,但也有部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)或不能滿足與建筑結(jié)合工程使用的性能要求.因此,對用于建筑工程的太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)品,必須通過國家認可質(zhì)量監(jiān)督檢驗機構(gòu)的性能質(zhì)量檢測;必須依據(jù)質(zhì)檢機構(gòu)出具的檢測報告中提供的性能參數(shù)、當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源和氣象條件進行優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,才能保證太陽能集熱系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行,獲得理想的節(jié)能效益.

        2.2 太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用原理

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

        壁掛爐為輔助熱源的雙效太陽能熱水系統(tǒng)

        集熱系統(tǒng)為強制循環(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)一臺燃氣壁掛爐、一個貯熱水箱和一臺集熱系統(tǒng)循環(huán)泵,生活熱水上水通過自來水水壓頂水,采暖系統(tǒng)熱水循環(huán)由壁掛爐所帶的循環(huán)泵提供動力.太陽能熱水由樓頂集熱系統(tǒng)統(tǒng)一制備,由公共的立管通過管井與各戶戶內(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)定值時戶內(nèi)的集熱系統(tǒng)循環(huán)泵啟動將樓頂產(chǎn)生的熱量換入貯熱水箱中.在使用生活熱水時,當(dāng)貯熱水箱出水已達到壁掛爐生活熱水設(shè)定溫度時,由太陽能直接提供生活熱水,否則啟動壁掛爐將水箱出水加熱到設(shè)定溫度后供給用水點.在供暖時,地板輻射采暖系統(tǒng)回水先通過貯熱水箱內(nèi)的換熱器換熱,如果供暖系統(tǒng)出水箱后的循環(huán)水溫度已達到壁掛爐設(shè)定的供水溫度,則壁掛爐不啟動,直接依靠太陽能系統(tǒng)供暖,否則啟動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,以解決防凍問題.太陽能熱水系統(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)中水溫過高給系統(tǒng)帶來傷害并防止?fàn)C傷.因此,當(dāng)戶內(nèi)水箱頂部溫度高于設(shè)定值時,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)制備的熱水進入每戶應(yīng)通過熱水表計量收費,即采用集中供水分戶計量的供水方式.

        3 經(jīng)濟與社會效益

        3.1 節(jié)能預(yù)測分析

        采用太陽能熱水系統(tǒng)來替代常規(guī)的電力或燃氣向小區(qū)供應(yīng)生活熱水,陰雨天時偶爾需要利用燃氣壁掛爐作為輔助熱源,生活熱水系統(tǒng)常規(guī)能源的需求被降低到了最?。徊捎锰柲軣崴到y(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)可以有效減輕對環(huán)境的負面影響.太陽能系統(tǒng)在工作過程中不會向周圍環(huán)境產(chǎn)生任何排放物.

        3.3 市場需求分析

        據(jù)統(tǒng)計,2006年我國能源消耗總量已達到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一步攀升.據(jù)專家預(yù)測,中國建筑市場快速增長的趨勢還將持續(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降低住宅建筑的能耗具有重要意義,市場迫切需要一種全新的低能耗的經(jīng)濟的生活熱水供應(yīng)和供暖方式,利用太陽能進行生活熱水供應(yīng)和供暖正好可以滿足以上要求,符合市場的需求.按照建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的戰(zhàn)略要求,通過各部門的協(xié)調(diào)配合,探索出一條在滿足社會發(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,將為我國經(jīng)濟與社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展做出重大貢獻.

        〔1〕傅忠誠.燃氣燃燒新裝置[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

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

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

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

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