新建民用建筑中太陽能利用淺析

聶磊

[摘要]近年來，我國北方地區(qū)深受霧霾困擾，嚴(yán)重威脅到國民的身體健康。研究表明，燃煤采暖是造成大氣污染的重要原因之一，節(jié)能減排得到人們的重視。建筑能源消耗已經(jīng)占全國能源消耗總量的約1/3，建筑節(jié)能也成為節(jié)能減排的主要途徑之一。各地紛紛出臺新建民用建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以期降低能源消耗水平，針對這一問題，太陽能技術(shù)得到大家的重視。本文將簡述新建民用建筑中太陽能利用的方式及特點，并重點分析了太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的主要問題，提出了可能的解決思路，探討了新建民用建筑中太陽能利用技術(shù)的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]新建建筑;太陽能;節(jié)能減排;蓄熱

文章編號：2095-4085（2019）06-0027-02

1引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑的耗能有較大的增長，我國的建筑能源消耗已經(jīng)占全國能源消耗總量的約1/3，加上消耗的間接能源，這一比例預(yù)計將超過45%[1]。各地紛紛出臺新建民用建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以期降低能源消耗水平。山西省要求新建民用建筑要全面執(zhí)行民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)節(jié)能50%的目標(biāo)，有條件的地方可率先實施節(jié)能65%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。全省民用建筑建造和使用的能源資源消耗水平要接近或達(dá)到現(xiàn)階段中等發(fā)達(dá)國家的水平[2]。針對此現(xiàn)狀，太陽能作為取之不盡，用之不竭的清潔能源，分布廣泛，就地可取，在新建建筑采暖，制冷等多方面均有很好的應(yīng)用空間口[3]。但是，太陽輻射熱量有季節(jié)，晝夜的變化，同時還受到陰晴云雨等隨機(jī)因素的影響，嚴(yán)重限制了太陽能的使用范圍，特別是太陽能在冬季采暖的有效利用方面，現(xiàn)階段有效地解決方法是設(shè)置跨季節(jié)蓄熱裝置，將夏季充足但不連續(xù)，波動的太陽能資源蓄存起來，而后在太陽能相對匱乏的冬季將其作為一種穩(wěn)定的熱源加以利用，從而提高太陽能利用率，體現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)理念[3]。

2太陽能蓄熱系統(tǒng)

太陽能蓄熱系統(tǒng)按熱存儲方式的不同可分為顯熱蓄熱，潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱，顯熱蓄熱主要是利用載能物質(zhì)的溫度升高來存儲熱量，潛熱蓄熱和化學(xué)蓄熱則主要是指通過材料吸收太陽輻射熱能后發(fā)生相變或化學(xué)反應(yīng)，從而將能量蓄存，到需要利用能量的時候，再通過逆過程將能量放出。圖1為典型太陽能顯熱蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中根據(jù)“蓄熱裝置”的不同，可分為冬季蓄熱和跨季節(jié)蓄熱[4]。

圖1所示典型太陽能顯熱蓄熱系統(tǒng)，左半部為蓄熱系統(tǒng)，溫度控制器主要控制水泵的開啟，當(dāng)兩個測溫探頭探測到的集熱器進(jìn)出口溫差低于1-3℃時，控制器將泵關(guān)閉;當(dāng)兩個測溫探頭探測到的集熱器進(jìn)出口溫差高于9℃時，控制器將泵開啟，加熱蓄熱裝置內(nèi)存水。蓄熱系統(tǒng)右半部為熱水供應(yīng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)向用戶提供恒定溫度（例如45℃）熱水，當(dāng)供給用戶的熱水溫度小于45℃時，系統(tǒng)開啟輔助加熱器加熱供水到45℃;當(dāng)供給用戶的熱水溫度大于45℃時，系統(tǒng)開啟三通閥使其與自來水混合，調(diào)溫到45℃，再供給用戶。

3太陽能蓄熱與地源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

根據(jù)上述熱源形式的不同，太陽能蓄熱一地源熱泵系統(tǒng)的聯(lián)合主要有太陽能蓄熱一水源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)與太陽能蓄熱一土壤源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)。系統(tǒng)夏季通過水源/土壤源熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)供冷，太陽能蓄熱一地源熱泵系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行主要體現(xiàn)在冬季供暖上[5]。聯(lián)合系統(tǒng)冬季供暖工作原理如圖2所示。

上述聯(lián)合系統(tǒng)中根據(jù)熱源形式的不同區(qū)分為使用介質(zhì)水作為熱源的太陽能蓄熱一水源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)與使用土壤作為熱源的太陽能蓄熱一土壤源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)。除去熱源形式影響，兩系統(tǒng)工作原理相同，描述如下。

（1）當(dāng)太陽能充足，蓄熱水箱中熱量完全滿足供暖需要時，完全由蓄熱水箱供暖，不需啟動水源熱泵輔助供暖。

（2）當(dāng)太陽能不足，蓄熱水箱中熱量不能滿足供暖需求時，啟動水源熱泵，將蓄熱水箱中的低溫水作為熱源，采用太陽能熱泵方式供暖。

（3）當(dāng)太陽能不足，且蓄熱水箱中水溫低于地下水溫時，轉(zhuǎn)換到使用地下水作為熱源的水源熱泵供暖模式。

4太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

上述的系統(tǒng)中，太陽能蓄熱系統(tǒng)部分蓄存的只是冬季的太陽能資源，冬季太陽輻射能量相對于夏季較弱，蓄存太陽光熱量的能力有限，因此冬季尚需輔助熱源和水源熱泵輔助制熱，增加了電能的消耗。而太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)，將兩種利用可再生能源技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)合起來。利用既有水源熱泵系統(tǒng)的抽水，回灌井及介質(zhì)水循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，節(jié)省太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)打井，運(yùn)行等初投資，同時實現(xiàn)太陽能跨季節(jié)蓄存，提升聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

4.1經(jīng)濟(jì)性分析

太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源熱泵系統(tǒng)的聯(lián)合具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。首先，兩種系統(tǒng)可以共用一套抽水，回水管道及管道井，可以節(jié)省管道費用，打井費用。其次，對于運(yùn)行費用而言，兩種系統(tǒng)共用一臺水泵，即一臺運(yùn)行的水泵帶動兩個系統(tǒng)，減少了運(yùn)行費用。再次，太陽能蓄熱系統(tǒng)與水源熱泵系統(tǒng)本身就是兩個節(jié)能的系統(tǒng)，合理設(shè)計的聯(lián)合系統(tǒng)節(jié)能性更加顯著，夏季，地下水先經(jīng)過水源熱泵換熱，溫度上升，相當(dāng)于給太陽能集熱器的進(jìn)水經(jīng)行預(yù)熱，使太陽能集熱器的出水溫度提高，從而提升了整體的集熱效率。過度季及冬季極端天氣條件下，當(dāng)需要水源熱泵制熱時，地下水層蓄存的溫度較高的水能夠為水源熱泵提供高溫?zé)嵩?，從而提高熱泵效率。因此在系統(tǒng)安裝完成后，只需投入少量的運(yùn)行費后便可產(chǎn)生很大的回報，聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)回收效果顯著。

4.2地下水層選擇分析

在新建建筑中運(yùn)用該系統(tǒng)時，需要選擇合適的地下水層。首先，需要考慮地下水層總體的物理特性，比如水層周邊地質(zhì)條件是否符合要求，利用時存不存在塌陷等安全隱患。水層形狀，水層埋深是否便于布置設(shè)備，管道，水層水質(zhì)是否符合要求等。其次，在上述要求滿足的前提下，地下水層容積必須足夠大，能夠滿足冬季熱量需求，同時還要考慮夏季水源熱泵的制冷需求，儲備一定量的低溫水作為熱泵冷源?？傊叵滤畬舆x取前需要進(jìn)行周密勘察工作，保證系統(tǒng)的總體運(yùn)行效率。

4.3系統(tǒng)保溫、水質(zhì)與回灌問題分析

系統(tǒng)保溫主要是指新建建筑地下水層壁面的保溫，管道，設(shè)備的保溫。對于地下水層來說，壁面保溫主要是減少冬季水層內(nèi)高溫水與土壤間的換熱損失，需要在地下水層與土壤之間填充熱惰性大的材料（或者空氣層），減少熱損失。對于管道和設(shè)備的保溫來說，需要在管道和設(shè)備外部加設(shè)一定厚度的保溫層，防止管道凍裂，設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，減少管道輸送熱損失。

水質(zhì)問題方面。由于地下水層中水的礦物質(zhì)含量較高，高溫時容易結(jié)垢，造成管道與設(shè)備的堵塞，因此應(yīng)當(dāng)盡量選用偏堿性水層，以減少地下水對設(shè)備和管道的腐蝕。其次，由于系統(tǒng)常年運(yùn)行，因此聯(lián)合系統(tǒng)中需要在地下水層，采暖系統(tǒng)，補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測點，對不符合要求水質(zhì)的進(jìn)行水質(zhì)凈化。

對于水源熱泵來說，回灌問題是系統(tǒng)設(shè)計中需要重點考慮的部分，不回灌使得地下水位下降，容易致使地面塌陷。因此可以考慮使用半開式系統(tǒng)，地下水層消耗掉的水由外界符合回灌要求的水體補(bǔ)充。

4.4熱能梯級利用分析

由于地下水層存在溫度分層現(xiàn)象，因此新建建筑需要考慮不同溫度水層熱能的梯級利用問題。高中溫水用來實現(xiàn)冬季不同室外氣象條件下的地板采暖;地板采暖回水及部分高溫水作為冬季生活熱水來源。中低溫水作為水源熱泵系統(tǒng)過渡季制熱工況熱源。低溫水作為水源熱泵系統(tǒng)夏季及過渡季制冷工況冷源。

對于夏季來說，水源熱泵系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶的用冷需求，太陽能蓄熱系統(tǒng)實施蓄熱工作。其次，對于采暖季冬季來說，根據(jù)室外氣象條件的不同，分別從地下水層抽取高，中溫水，其中一部分經(jīng)過太陽能集熱器進(jìn)一步加熱，然后與另外一部分高，中溫水混合，使得水溫達(dá)到恒定的52℃（抽取高溫水）或恒定的42℃（抽取中溫水），然后供入地板采暖系統(tǒng)。地板采暖溫度恒定的42℃回水（高溫水回水）或恒定的32℃回水（中溫水回水）以及抽取的部分高溫水作為洗澡或洗漱用水供人生活熱水系統(tǒng)。再次，對于過渡季春季和秋季來說，地下水層的中低溫水作為水源熱泵制熱的熱源，以提高水源熱泵系統(tǒng)的工作效率。最后，由補(bǔ)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)整個地下水層水量與水溫到達(dá)夏季蓄熱初始狀態(tài)。

5結(jié)語

本文簡要分析新建建筑中太陽能利用的不同方式及特點，并重點介紹了太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源聯(lián)合系統(tǒng)主要考慮的問題，探討了新建民用建筑中太陽能利用技術(shù)的發(fā)展前景。太陽能跨季節(jié)蓄熱與水源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)在一定程度上降低了系統(tǒng)的初投資，同時提升了系統(tǒng)性能，理念可行，能夠取得較好的制冷，制熱效果，是一種節(jié)能環(huán)保的能源利用方式，具有推廣實施的價值。

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