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1、太阳能采暖技术在地热及生活热水系统设计的应用摘要:太阳能采暖系统是一种满足住户采暖和热水供热需求的新型太阳能热水系统,是太阳能热利用技术的延伸。文中介绍了太阳能采暖系统的构成和设计方法,对太阳能采暖系统的成本和经济性进行了分析,并介绍一种新型太阳能采暖系统。关键词:太阳能采暖经济性SolarEnergyHeatingSystemsandItsDesignZhuDunzhi,LuChaoandLiuJun(BeijingSolarEnergyInstituteCo.,Ltd)Abstract:Solarenergyheatingsystem,whichisanew
2、waytoprovideheatinganddomestichotwaterforresidents,isatechnicalextensioninsolarthermalapplications.Thesystemconfigurationanddesignofsolarenergyheatingsystemaredescribedinthispaper.Thecostandeconomyareanalyzed,andanadvancedsolarenergyheatingsystemispresentedinthispaper.Keywords:solare
3、nergy,heating,economy0引言20世纪90年代,温室气体排放造成的全球变暖问题引起了国际社会的高度重视和广泛关注,利用可再生能源替代常规能源是改变目前的能源结构最有效的途径。采暖在国内建筑用能中占据较大份额,北方地区采暖占家庭能耗的一半以上,同时利用原煤作为采暖能源是造成冬季大气污染的主要根源。因此,减少和替代采暖用煤最有效的途径是推广使用太阳能采暖等可再生能源技术。太阳能采暖在欧洲等发达国家已大规模推广,已成为太阳能热利用新的应用领域。欧洲到2005年共安装1536万m2太阳能集热器[1],采暖系统使用集热器约占集热器总量的20%,每年新建太
4、阳能采暖系统约12万个,每个系统可节约常规能源20%～60%。1太阳能采暖系统的设计太阳能采暖系统是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖和热水的供热需求的系统,因此常称为太阳能联合系统(SolarCombisystem)。如图1,太阳能采暖系统主要由三部分构成:①热能提供部分,即太阳能集热器和辅助能源;②储热和换热设备;③热能利用部分,提供生活热水和采暖。太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下差异:①采暖负荷在不同月份变化很大,热水负荷四季差别较小;②热水系统进水温度较低,供水温度较高,而采暖系统供回水温差较小;③太阳能与采暖负荷存在明显矛盾:太阳
5、能辐照强度高的月份(3～10月)不需要采暖,太阳辐照强度高的白天采暖负荷较夜低。由于太阳能采暖系统和热水系统存在以上差异,因此在采暖系统设计中不能简单把热水系统放大,必须考虑以下几个方面:①辅助能源;②太阳能保证率;③系统的防冻问题;④系统的过热问题;⑤换热系统的设计。在系统设计中,尤其需注意系统的过热问题和换热水箱的设计。1.1辅助能源太阳能辐照强度随着时间、季节和天气是显著变化的,大部分的太阳能采暖系统需配备辅助能源系统,当阴天、夜晚等太阳能满足不了采暖需求时,由辅助能源系统提供全部或部分热能。辅助能源系统有:①燃煤锅炉;②燃油或气锅炉;③电锅炉;④生物质锅
6、炉等。以上辅助能源按出力调控方式不同分两类:一类是可及时控制的能源,如燃油或燃气锅炉、电锅炉和带燃烧器的生物质锅炉另一类是非及时控制的能源,如燃煤锅炉和烧劈柴锅炉等。在采暖系统设计中,对于非及时控制的辅助能源,可以利用容量较大水箱进行储热缓冲,保证采暖系统进水温度波动较小,提高采暖的舒适度和便于对水泵和控制阀等部件的控制。1.2太阳能保证率太阳能保证率是指太阳能提供的能源占系统热水和采暖所需总热量的比例。对于太阳能采暖系统,其保证率一般在20%～60%,国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率,甚至实现热水和采暖所需的热量全部由太阳能提供,但从系
7、统投资回报来说,太阳能保证率在30%～50%比较好。对于太阳能保证率较高的系统,必须考虑储热问题,但季节性储热会大大增加初投资,不推荐使用。1.3系统的防冻问题太阳采暖系统是一个四季运行的系统,系统须考虑冬季的防冻问题,采取的方案有:①集热器回路传热工质采用防冻液;②落水式排空防冻系统;③夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻;④敷设电热带防冻。系统图和控制方式参见文献[2]。1.4系统的过热问题采暖系统集热器面积较大,非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需要热量,因此会出现过热问题。如果设计不当,会造成系统温度高于系统部件工作允许温度,导致部件寿命缩短和
8、连接件漏水,甚至会产生安
