太陽能供熱采暖系統存在問題及改進措施

祁 菁

（陜西省水利電力勘測設計研究院 西安 710001）

1 前言

太陽能作為可再生能源的一種，取之不盡，用之不竭，同時又不會增加環境負荷，將成為未來能源結構中的重要組成部分。我國屬太陽能資源豐富的國家之一，年輻射總量大約在 3300～8300MJ/（m2.a）。全國2/3以上面積地區的年太陽輻照量超過5000MJ/（m2.a），年日照小時數大于 2000h，每年陸地接收的太陽輻射能相當于2.4萬億t標準煤，具有太陽能利用的良好條件。開發和利用豐富、廣闊的太陽能，既是近期急需的能源補充，又是未來能源的基礎。利用太陽熱能為建筑物供熱采暖可以獲得非常良好的節能和環境效益。因此，太陽能采暖技術越來越受到人們的重視。

2 太陽能供熱采暖系統國內外現狀

太陽能采暖系統是指以太陽能作為采暖系統的熱源，利用太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能，供給建筑物冬季采暖和全年其他用熱的系統。太陽能采暖可分為主動式和被動式兩種方式。被動式太陽能采暖通過建筑的朝向和周圍環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結構構造的恰當選擇，使建筑物在冬季能充分收集、存儲和分配太陽輻射熱。主動式太陽能采暖系統主要由太陽能集熱系統、蓄熱系統、末端供熱采暖系統、自動控制系統和其他能源輔助加熱、換熱設備集合構成，相比于被動式太陽能采暖，其供熱工況更加穩定，但同時，投資費用也增大，系統更加復雜。隨著經濟和社會的發展，主動式太陽能采暖開始大規模應用。

2.1 國外研究現狀

國外對太陽能采暖的研究較早，早在1950年美國麻省理工學院就舉行了利用太陽能采暖的學術討論會，發表了不少關于太陽能采暖的論文。對太陽能采暖領域起促進發展作用是在1945年發明了平板式集熱器和在1975年發明了全玻璃真空管集熱器。之后利用集熱技術給建筑供暖開始從實驗階段走向應用階段。

國外太陽能界將太陽能采暖系統和太陽能熱水系統建成同一套系統，并將這種系統稱為Solarcombi system。早在20世紀80年代中期，法國就著手研究太陽能組合系統，并推出一種稱為“直接太陽能地板”的系統。到20世紀90年代，奧地利、丹麥、芬蘭、德國、瑞典、瑞士、荷蘭等國家相繼設計出各種型式的太陽能組合系統。

1974年日本通產省制定了“陽光計劃”，并按此計劃建造了數幢太陽能采暖、空調建筑。而且多年來，在日本的許多大型建筑物上都已經應用了太陽能采暖、空調系統。最引人注目的是上智大學中央圖書館，采用集熱器屋頂一體化設計，太陽能集熱器集取的熱量用于多種用途，冬季用于供給地板采暖，夏季用于驅動制冷機制冷，一年四季用于洗浴用水的供給。

在1980～1990年間，國際能源署（lEA）啟動了第6項任務，“帶跨季節儲熱器的集中式太陽能供熱設施”項目。

1998年，國際能源署(IEA)在太陽能供熱與供冷計劃(solar heating&cooling rogramme)中推出專題26：太陽能復合系統(Task 26：solarcombisystem)。其主要任務包括：太陽能供熱采暖系統的調查及推廣、性能試驗方法及數值模擬方法研究、系統的最優化設計等，建立起了太陽能復合系統的分類、設計、評估及測試等一整套完備的體系。

從2000年開始，德國BMBF(聯邦教育科技部)和BMWi(聯邦經濟技術部)實施了太陽能區域供熱政府項目，“Solarthermie－2000－Part3 Solar assisted district heming”，至2003年已建成12個太陽能區域供熱示范工程，8座季節蓄熱小區熱力站和4座短期蓄熱小區熱力站。

歐洲利用大型太陽能熱力站為20～30住戶以上的住區提供集中生活熱水和供暖。截至2003年，歐洲已建成65座集熱器安裝面積500m2以上的大規模太陽能熱力站。其中57座直接為居住區或住宅小區服務。采用短期蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為1775m2，采用跨季節蓄熱方式的熱力站平均集熱面積為2009m2，無蓄熱直接與市政網并網的平均集熱面積為1280m2，且主要是用于既有建筑的供熱節能改造。

歐洲到2005年共安裝1536萬m2太陽能集熱器，采暖系統使用集熱器約占總量的20%，每年新建太陽能采暖系統約12萬個，可節約常規能源20%～60%。

近年來，世界很多國家積極開展了太陽能與建筑一體化的研究工作。歐洲建了許多示范工程，瑞士西部一公寓建筑南向屋頂全部安裝了太陽熱水集熱器，代替了屋頂傳統建筑材料，建筑的供暖和熱水能耗大部分由屋頂集熱器提供，建筑既美觀又提高了工程的經濟效益。

2.2 國內研究現狀

我國太陽能在建筑中的應用研究開始于20世紀70年代末，太陽能熱水器是我國太陽能利用中應用最廣泛，產業化發展最迅速的領域。1975年在河南安陽召開了“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會”，之后太陽能研究和推廣工作納入了我國政府計劃，獲得了專項經費和物質支持。

我國的太陽能供熱采暖工程應用仍處于起步階段，目前已建成若干單體建筑太陽能供熱采暖試點工程。如北京清華陽光公司辦公樓、天普新能源示范大樓等，太陽能區域供熱采暖工程則還沒有應用實踐。

近幾年，國內的一些專家和學者對太陽能采暖進行了大量的研究，比較有代表性的有，廣州大學建筑學院的裴清清對西北邊疆某哨所樓進行了建筑熱工分析和計算，計算出圍護結構的得熱量和耗熱量；對平板型空氣集熱器、卵石床蓄熱器及其它系統設備進行了設計與計算，簡述了太陽能供暖系統集熱、蓄熱、供暖的運行控制方法。中房集團新技術中心有限公司的齊政新和中國建筑標準設計研究所的李巖研究了輔助太陽能的地板采暖的系統形式，對不同的系統形式作了分析，探討了設計中需注意的問題。他們在論文中描述了間歇運行系統和強制循環的連續運行系統兩種系統，并分析了太陽能用于采暖的條件和限制。上海理工大學的于國清等人，以一個100 m2的房間為研究對象，采用 10～15年內逐日氣象數據對太陽能采暖系統進行模擬。根據模擬的結果，分析其初投資、壽命周期內的總能耗、總運行費用、綜合熱價等指標，然后將其與燃氣鍋爐、燃煤鍋爐、電鍋爐采暖進行比較，對比其初投資、運行費用、總能耗等指標。然后分析了不同的氣象條件、每日太陽能負責的采暖小時數、集熱器價格等因索對系統經濟性的影響。

蘭州理工大學王磊磊、李金平設計出了太陽能和生物質能互補的散熱器采暖別墅。通過對系統經濟性和能量利用率分析，得出該新型太陽能和生物質能互補的散熱器采暖系統經濟性、環保性好，能量利用率高。顧曉燕等開展了太陽能制冷及供暖綜合系統研究。程建國、許志浩進行了西藏太陽能與水源熱泵聯合供暖應用研究。

國內部分太陽能企業和建筑業也構建了一些太陽能與建筑結合的示范工程。目前，在山東、江蘇、浙江、安徽、北京等地已有太陽能熱水器生產廠商主動聯合當地的建筑設計院進行太陽能熱水器與小區住宅一體化設計的試點和示范，取得了較好的效果。

3 太陽能供熱采暖存在的問題

通過上面對國內外研究現狀的分析，可以發現，利用太陽能來供熱采暖一直是世界上比較重視的研究課題，也做了一些工程實例，但仍然存在一些問題：

（1）太陽能采暖系統與太陽能熱水器相比存在以下差異：1）采暖負荷在不同月份變化很大，熱水負荷四季差別較??；2）系統供回水溫差差異較大；3）太陽能與采暖負荷存在明顯矛盾。太陽能輻照強度高的月份(3～10月)不需要采暖，太陽能輻照強度高的白天采暖負荷較夜晚低。因此，在采暖系統設計中不能簡單把熱水系統放大，必須考慮以下幾個方面：①輔助能源；②太陽能保證率；③系統的防凍問題；④系統的過熱問題；⑤換熱水箱的設計。

（2）太陽能供熱采暖系統的設計大多仍然停留在簡單估算的水平上，沒有成熟、成套的設計方法或軟件。在單位面積供暖負荷、當地太陽輻照度、水箱體積的確定等設計參數的選擇上，都沒有一個精確的計算方法，不同設計人員給出的設計參數相差很大。

（3）目前太陽能供熱采暖系統的設計思路是依據相關規定，首先粗略估計房間的熱負荷，然后設計系統，最后再對整個采暖系統進行節能性、經濟性分析。顯然，這樣的設計思路無法在滿足熱用戶舒適度要求的基礎上實現建筑節能最大化。國內外工程實例中，很少注重室內環境舒適度要求，也很少對室內熱環境進行實地測試，未對采暖效果做出評估。

（4）很多安裝太陽能供熱采暖系統的建筑為非節能建筑，造成系統運行效率不高，經濟性很差，增加系統的初投資，使太陽能供熱采暖系統不能完全發揮應有的節能效益。

（5）冬夏熱量平衡問題。太陽能供熱采暖系統中夏季產生的熱水遠大于實際消耗量，這使得太陽能集熱系統不得不采取悶曬、遮擋等方法來減少太陽的熱，造成非采暖季太陽能利用率過低和因系統過熱而產生安全隱患等問題。因此，解決冬夏熱量平衡問題成為太陽能采暖系統發展的重要技術問題。

（6）陽能與建筑一體化問題。國內外工程實例中，太陽能供熱采暖系統的設計很少重視與建筑的結合，這種分離的狀態不但影響了建筑的美觀還影響到建筑結構承重等。

總之太陽能供熱采暖系統的最大技術“瓶頸”在于其經濟性和穩定性的問題。因此，如果能解決這兩個問題，太陽能供熱采暖系統將會成為新能源利用的典型。

4 發展太陽能供熱采暖系統的措施

4.1 加強建筑節能

太陽能供熱采暖技術是一項新的節能技術，它應用的前提是節能建筑。由于太陽能在單位面積的能量密度低，如果維護結構保溫性能不好，勢必增加建筑物的采暖耗熱量，集熱器面積將會很大，系統初投資提高，太陽能供熱采暖系統不能發揮應用的節能效益。

4.2 規范太陽能供熱采暖工程的設計、施工和驗收

近十余年來，歐洲、北美發達國家的太陽能供熱采暖規?；每焖侔l展，建成了大批利用太陽能的區域供熱采暖系統，并編寫出版了相應的技術指南和設計手冊。我國的太陽能供熱采暖技術近幾年來也成為可再生能源建筑應用的熱點，各地陸續建成了一批試點示范工程，國家標準《太陽能供熱采暖工程技術規范》也于2009年3月發布。

4.3 提高太陽能集熱系統效率

目前建設的太陽能采暖工程中，集熱器、水箱等關鍵產品還有較大的改進空間。如進一步提高平板集熱器的密封性以增加集熱效率等。企業應加強研發力量，提高產品質量和工藝水平，開發安全可靠、高效穩定的新產品以不斷提高太陽能集熱系統的效率。

4.4 提高太陽能利用率

太陽能全年綜合利用可大大提高其利用率，同時也可以解決冬夏熱量不平衡問題?？刹捎玫拇胧┯校哼m當降低系統的太陽能保證率；合理匹配供暖和供熱水的建筑面積(同一系統供熱水的建筑面積應大于供暖的建筑面積)；夏季利用太陽能制冷以及跨季節蓄熱等。

4.5 太陽能與建筑一體化

太陽能與建筑的關系經歷了被動接受(被動式太陽房)，簡單疊加(太陽能熱水器)，與建筑一體化則是未來的發展趨勢。所謂與建筑一體化就是要做到與工程建設項目同步設計、同步施工、同步驗收、同時投入使用。這樣就可以避免影響建筑美觀、破壞建筑結構，并使各專業協調進行，減少安全隱患。

4.6 政府制定鼓勵支持政策

太陽能采暖系統具有較高的社會效益，但存在投資相對較高，投資回收期較長的缺點。對房地產開發商而言，如果開發成本的增加不能帶動房屋銷售的話，則開發商的積極性不高。因此，政府應積極建設試點工程，針對生產廠商、房地產開發商、終端用戶制定更完善、合理的鼓勵和支持政策，積極推廣試點工程經驗，提高系統整體技術水平，促進太陽能采暖行業及市場的良性發展。

5 結語

縱觀國內外研究現狀，太陽能供熱采暖雖然存在著一些問題，但太陽能供熱采暖是最具發展潛力的太陽能熱利用技術。隨著國家大力推進可再生能源應用力度，以及出臺相應的優惠政策，太陽能供熱采暖技術有著廣泛的應用前景。

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2 王曦，李春梅，范軍.太陽能地板采暖系統.農業工程學報，2006，(增刊)：184－185.

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4 卜亞明.太陽能采暖系統在小城鎮住宅建筑中應用技術的研究【D】.上海：同濟大學，2006.

5 王磊磊.太陽能與生物質能互補的散熱器采暖系統中室內熱環境研究【D】.蘭州：蘭州理工大學，2007.

6 顧曉燕.太陽能制冷及供暖綜合系統研究【D】.南京：南京理工大學，2005.

7 周理民.讓太陽能的光輝照耀中國房地產──再談太陽能與建筑完美結合【J】.現代家電，2003，51－53.