太阳能采暖在建筑节能中的应用

【关键词】建筑能耗；太阳能采暖；被动式太阳能采暖；主动式太阳能采暖；蓄能 

　　能源是人类社会生存和发展的物质基础。煤炭、石油、天然气等化石燃料的大规模开采和使用，已经使资源日益枯竭、环境不断恶化。我国的矿物能源储量能够用比较丰富，但人均能源只有世界人均能源的1/2左右。从能源消费结构来看，我国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭消费约占总能耗的67%，这是导致环境严重污染、生态逐年恶化的根本原因之一。因此，大力拓展新能源与可再生能源的实际应用成为我国解决能源紧张和保护生态环境的重要战略任务[1]。 

　　建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。按建筑热工设计分区，我国2/3以上的国土面积属严寒和寒冷地区，为保证生存的基本条件，一年中近1/3的时间属采暖季。在“三北”地区的城镇，目前约3/4的面积仍以火炉采暖为主，热效率只有15%～25%；在大中城市，分散锅炉房供暖的比例极大，约占84%。这充分说明，我国目前的采暖效率低，烧煤多，给广大城镇造成极大的环境污染。而正是这些地区，太阳能资源又十分丰富，因此大力推广应用太阳能采暖系统，对于节约常规能源不仅具有巨大的经济效益，而且具有明显的社会效益和环境效益。因此，太阳能供热采暖是继太阳能热水之后，最具发展潜力的太阳能热利用技术，是今后应大力推广的技术。 

　　1、国内外应用现状 

　　欧洲、北美对太阳能供热系统的工程应用已有几十年历史， 过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用。至2003年已建成12个太阳能区域供热示范工程——8座季节蓄热小区热力站，4座短期蓄热小区热力站。 

　　我国的太阳能供热采暖工程应用仍处于起步阶段。目前已建成若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程如， 北京清华阳光能源开发有限公司和北京桑普公司的办公楼， 北京平谷新农村建设项目的将军关、玻璃台村农民住宅， 拉萨火车站等。但太阳能区域供热采暖小区热力站工程还没有应用实践。 

　　2、太阳能采暖系统原理及分类 

　　2.1 太阳能采暖原理 

　　太阳能采暖系统是将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统，主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、热水系统、自动控制系统和其它能源辅助加热/换热设备集合构成。太阳能采暖系统与常规能源系统的主要区别，在于它是以太阳能集热器作为热源，替代或部分替代以煤、石油、天然气、电力等作为能源的锅炉。太阳能集热器获取太阳辐射能而转换的热量，通过散热系统送至室内进行采暖；过剩热量储存在出热水箱内；当太阳能集热器收集的热量小采暖负荷时，由储存的热量来补充；若储存的热量不足时，由备用的辅助热源提供。 

　　2.2 太阳能采暖分类 

　　太阳能采暖系统分主动式太阳能采暖系统和被动式太阳能采暖系统两种。 

　　（1）主动式太阳能采暖系统 

　　主动式太阳能采暖系统，即以能控制的方式，通过太阳能集热器、储热器、管道、风机和循环泵等设备来收集、储存和输配太阳能转换而得到的热量，系统中的各部分均可控制其达到建筑物本身所需的室温。太阳能集热器相当于常规采暖系统的热源，当集热器产生的热量不足时（如连续阴雨天），需由辅助热源补充；当集热器产生的热量超过用户所需的热负荷时，多余的热量则储存在蓄热器中，目前蓄热技术还未发展成熟。 

　　主动式太阳能采暖系统按传热介质的种类分液体太阳能采暖系统和空气太阳能采暖系统；按太阳能利用的方式分直接太阳能采暖系统和间接太阳能采暖系统（太阳能热泵采暖系统）；按使用散热部件的类型，可分为地面辐射板采暖系统、顶棚辐射板采暖系统、风机盘管采暖系统和散热器采暖系统等；按与其他系统综合利用的种类，可分为太阳能采暖/空调综合系统、太阳能采暖/热水组合系统等 [2]。 

　　（2）被动式太阳能采暖系统 

　　被动式太阳能采暖的特点是不用机械动力，即不需太阳能集热器，也不需水泵或风机等设备。通过改善建筑物本身的构造及材料的热工性能，以自然热交换（传导、对流和辐射）的方式，达到采暖目的。通常被动式太阳能采暖系统得集热器和建筑物结为一体，作为维护结构的一部分。目前国内的太阳能采暖系统大多为被动式。 

　　3、太阳能采暖系统的特点 

　　太阳能采暖系统与常规能源采暖系统相比，有如下几个特点[3]： 

　　（1）系统运行温度低。由于太阳能集热器的效率随运行温度升高而降低，因此应尽可能降低集热器的运行温度，即尽可能降低采暖系统的热水温度。若采用地板辐射采暖或顶棚辐射板采暖系统，则集热器的运行温度在30℃～38℃之间就可以了，所以可使用平板集热器；而若采用普通散热器采暖系统，则集热器的运行温度必须达到60℃～70℃或以上，所以应使用真空管集热器。 

　　（2）有储存热量的设备。照射到地面的太阳辐射能受气候和时间的支配，不仅有季节之差，一天之内也有变化，因此太阳能不是连续、稳定的能源。要满足连续采暖的需求，系统中必须有储热设备。对于液体太阳能采暖系统，储热设备可用储热水箱；对于空气太阳能采暖系统，储热设备可用岩石堆积床。 

　　（3）与辅助热源配套使用。太阳能能流密度低且日照存在不稳定性和间断性，不仅有昼夜之分，在冬季也会出现连续的阴雪天气，为保证稳定、适度的采暖，将太阳能用作热源时必须添加电能、天然气等辅助热源。 

　　（4）适合在节能建筑中应用。由于地面上单位面积能够接收的太阳辐射能有限，因此要满足建筑物采暖的需求且达到一定的太阳能保证率，就必须安装足够多的太阳能集热器。如果建筑围护结构的保温水平低，门窗的气密性又差，那么在有限的建筑围护结构面积上不足以安装所需的太阳能集热器面积。 

　　4、存在问题及相应对策 

　　目前，国内太阳能热水器的技术已经相当成熟，但在与建筑结合的太阳能供暖和工程应用领域，我国与发达国家相比仍有较大差距。主要体现在： 

　　（1）在太阳能和建筑结合的技术方面，缺乏相应的设计规范和验收评价标准。设计工作者在进行太阳能建筑设计时，往往采用常规的设计标准，忽略了太阳能和建筑一体化后带来的新问题； 

　　（2）太阳能采暖效率太低且存在间断性和不稳定性。由于受昼夜、气候及地理位置等自然条件的限制及晴雨等天气的影响，太阳能辐射既间断又缺乏稳定性。因此，蓄能问题是太阳能采暖技术的关键。尽管目前相关人员在蓄能方面已做了大量工作，但是蓄能问题仍是太阳能利用中的薄弱环节； 

　　（3）目前已有的太阳能建筑大部分为被动式，冬季室内采暖温度偏低（低于15摄氏度），夏季制冷效果不明显。 

　　尽管太阳能采暖在建筑节能应用领域面临许多问题，但是我国的太阳能建筑存在巨大的市场前景。为了更好的利用太阳能采暖，本文建议： 

　　（1）提高太阳能供暖系统的热效率，主要是研制出适于采暖的太阳能集热器，采用新型的透明材料和隔热材料，提高集热效率，减少热损失； 

　　（2）压制出新型的蓄热材料，将富裕的太阳能储存起来，以供夜间和阴雨天使用； 

　　（3）发展主动式太阳能建筑，使太阳能供暖系统在现有建筑中得以更好的发展和利用。 

　　参考文献： 

　　[1]罗运俊，陶桢.太阳热水器及系统[M].北京：化学工业出版社，2006.. 

　　[2]中国建筑科学研究院.GB 50495-2009 太阳能供热采暖工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009. 

　　[3]何梓年.太阳能热利用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.