王 虎 俠

(恒大地產(chǎn)集團(tuán)太原有限公司，山西 太原 030002)

山西太陽(yáng)能供熱領(lǐng)域應(yīng)用分析

王 虎 俠

(恒大地產(chǎn)集團(tuán)太原有限公司，山西 太原 030002)

介紹了山西省太陽(yáng)能利用的地域優(yōu)勢(shì)及政策環(huán)境,探討了太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)被動(dòng)和主動(dòng)方式實(shí)施方法，并著重對(duì)被動(dòng)陽(yáng)光暖房和較為典型的主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)進(jìn)行了研究,為太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。

光熱轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能，采暖系統(tǒng)，被動(dòng)式，主動(dòng)式

太陽(yáng)能是由太陽(yáng)內(nèi)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(yáng)的輻射能量。太陽(yáng)能的利用有利用光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換是太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的核心技術(shù)，隨著太陽(yáng)能熱水器在山西省的大量使用及相關(guān)政府機(jī)構(gòu)出臺(tái)的太陽(yáng)能利用的相關(guān)政策及太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備的成熟，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在山西省的發(fā)展具有了非常好的平臺(tái)，一定會(huì)有長(zhǎng)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(diào)能耗在建筑能耗所占比例高達(dá)65%。另有數(shù)據(jù)顯示，小城鎮(zhèn)和農(nóng)村的建筑在全社會(huì)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(yáng)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(huì)重視和開發(fā)。太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的開發(fā)和利用對(duì)滿足清潔能源需要、優(yōu)化環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

1 地域優(yōu)勢(shì)

按照太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能利用有著非常好的地理?xiàng)l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(huì)常務(wù)委員會(huì)第六次會(huì)議通過《山西省民用建筑節(jié)能條例》明確扶持太陽(yáng)能等可再生能源在民用建筑中的應(yīng)用并規(guī)定新建民用建筑的建設(shè)單位，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑項(xiàng)目所在地的實(shí)際情況，優(yōu)先選擇太陽(yáng)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(yīng)等。

2)2011年4月25日《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳 關(guān)于加快推進(jìn)太陽(yáng)能光熱建筑應(yīng)用的通知》要求自2011年6月1日起，在全省城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的新設(shè)計(jì)要強(qiáng)制推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)，舊的建筑也在大力改造，強(qiáng)制推廣的光熱轉(zhuǎn)換內(nèi)容主要是太陽(yáng)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(dòng)實(shí)施意見》指出要大力推廣太陽(yáng)能熱利用：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)依然是強(qiáng)制推廣的內(nèi)容。提出要積極推進(jìn)被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖的要求。要求因地制宜，不僅在主動(dòng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)上做文章，更要在前期建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)中發(fā)揮重大作用。意見內(nèi)容還提出了實(shí)施太陽(yáng)能屋頂計(jì)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(guān)文件中我們可以看到，在技術(shù)成熟的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已強(qiáng)制推行的節(jié)能大環(huán)境中，太陽(yáng)能采暖也成為積極推進(jìn)的內(nèi)容。

3 太陽(yáng)能應(yīng)用分析

太陽(yáng)能暖房的總體設(shè)計(jì)考慮一方面是要增大從太陽(yáng)輻射取得的熱量，另一方面減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失，以便達(dá)到更好的采暖效果。

1)要從建筑和結(jié)構(gòu)方面考慮，即所謂被動(dòng)式太陽(yáng)房。被動(dòng)式太陽(yáng)房主要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能直接利用，是一種完全依靠自然動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的采暖方式。它不需要安裝復(fù)雜的太陽(yáng)能設(shè)備，也無需循環(huán)動(dòng)力設(shè)備，完全依靠建筑結(jié)構(gòu)造成的吸熱、隔熱、保溫、通風(fēng)等特性，來達(dá)到室內(nèi)舒適溫度的目的。由于被動(dòng)式太陽(yáng)房不另設(shè)采暖通風(fēng)系統(tǒng)，所以它是非常經(jīng)濟(jì)的且有效地利用太陽(yáng)能采暖的建筑，是太陽(yáng)能熱利用的一個(gè)非常重要的方面。因?yàn)槿鄙倭丝杉皶r(shí)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，主動(dòng)調(diào)節(jié)性差是此方式的最大弊端。雖然在建筑結(jié)構(gòu)方面采用了各種措施，被動(dòng)式太陽(yáng)房?jī)?nèi)部空間的溫度仍然從根本上受制于室外溫度。當(dāng)太陽(yáng)能輻射不能滿足建筑的使用功能時(shí)，還是要采用一些輔助能源的補(bǔ)充；在外界出現(xiàn)極端天氣情況下，無法人為構(gòu)造溫度適宜的環(huán)境；即使在正常情況下，早、中、晚室內(nèi)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(duì)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(jiǎn)易可行、綠色環(huán)保，造價(jià)不高，推廣前景是非常樂觀的。

從利用太陽(yáng)能的方式來劃分，被動(dòng)式太陽(yáng)房的類型大致有如下幾種：

第一，直接受益式：讓太陽(yáng)光通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的透光材料直接進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)物品和空間進(jìn)行加熱。對(duì)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(yáng)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(quán)衡屋面和南立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)的來，出不去。也可以考慮再加裝活動(dòng)屋面和南立面，有日照的時(shí)間開啟，無日照的時(shí)間關(guān)閉。

第二，集熱墻式：集熱墻是利用陽(yáng)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(nèi)向室內(nèi)供熱，同時(shí)墻體本身直接通過熱傳導(dǎo)向室內(nèi)放熱并儲(chǔ)存部分能量，夜間墻體儲(chǔ)存的能量釋放到室內(nèi)；另一方面，集熱墻通過玻璃蓋層等將熱量以傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射的方式損失到室外。集熱墻式太陽(yáng)房非常適用于山西太陽(yáng)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(yáng)光間式，附加陽(yáng)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(jié)構(gòu)是在生活建筑建設(shè)進(jìn)程中，在其南側(cè)加設(shè)獨(dú)立的陽(yáng)光間。生活房間和陽(yáng)光間由隔墻隔開，通過隔墻上的門窗洞口進(jìn)行熱量傳遞。附加陽(yáng)光間承擔(dān)對(duì)太陽(yáng)能的收集和蓄熱作用，同時(shí)又可以作為一個(gè)緩沖區(qū)，減少房間的熱損失，使生活建筑物獲得一個(gè)溫和的環(huán)境。陽(yáng)光間通過直接受益系統(tǒng)的作用直接得到太陽(yáng)的照射和加熱，當(dāng)陽(yáng)光間內(nèi)空氣溫度大于生活房間溫度時(shí)，隔墻上的門窗洞口開啟，將陽(yáng)光間的熱量通過對(duì)流傳入生活的房間，當(dāng)室外無陽(yáng)光時(shí)，隔墻上的門窗洞口關(guān)閉，陽(yáng)光間將生活房間與外界分隔開，陽(yáng)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(dòng)實(shí)施意見》中還涉及一些為發(fā)展太陽(yáng)能利用而制定的優(yōu)惠條件，是對(duì)太陽(yáng)能利用技術(shù)在建筑領(lǐng)域的大力支持，也說明這種節(jié)能方式在山西有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)可度。

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

2)在被動(dòng)式太陽(yáng)房基礎(chǔ)上增設(shè)或者獨(dú)立安裝太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)即所謂的主動(dòng)式太陽(yáng)房。主動(dòng)式太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)是采用高效太陽(yáng)能集熱器以及電動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)來完成采暖過程，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中需要消耗一定電能，但采暖熱量來自太陽(yáng)輻射。

主動(dòng)式太陽(yáng)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(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備和蓄熱設(shè)備的典型方式,這種方式對(duì)于強(qiáng)制推廣太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的山西省來講，是很值得關(guān)注的一種思路，在生活熱水系統(tǒng)中加入采暖系統(tǒng)，同時(shí)滿足室內(nèi)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(yáng)能熱板進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換的單位熱值相對(duì)固定，可以加大太陽(yáng)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?xì)獾染煽紤]。

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)運(yùn)行原理見圖1。

采暖所用的熱媒水在太陽(yáng)能集熱器和采暖水箱之間進(jìn)行循環(huán)加熱階段。在采暖周期內(nèi)，太陽(yáng)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(bǔ)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(duì)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(nèi)。

有日照太陽(yáng)能設(shè)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(nèi)：有日照水箱周期蓄熱總量=無日照時(shí)間周期采暖系統(tǒng)損耗熱量-無日照時(shí)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(yáng)能，且太陽(yáng)能集熱設(shè)備的利用率是最高的即太陽(yáng)能設(shè)備收集的熱能全部被使用。

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

選擇輔助熱源是要綜合考慮各項(xiàng)因素：輔助熱源有燃油鍋爐、燃?xì)鉅t、生物質(zhì)鍋爐、燃煤鍋爐、電加熱、熱泵等。 其中熱泵技術(shù)作為太陽(yáng)能輔助熱源使用費(fèi)用低，控制方便，但設(shè)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(shè)備易安裝，控制方便，是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)最常用的輔助熱源，但運(yùn)行費(fèi)用較高，有時(shí)因需電力增容大大提高系統(tǒng)投資。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能采暖的使用應(yīng)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(shè)計(jì)保證使用要求的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)。太陽(yáng)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(yáng)能采暖大規(guī)模使用，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的不穩(wěn)定和太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)及輔助熱源投資較高且較復(fù)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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