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太阳能集热供热系统在西北地区新农村的综合应用

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 152次

                                   

(酒泉职业技术学院  甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室;酒泉新能源研究院,甘肃  酒泉    735000 、)                                                               

摘要:西北农村地区冬季寒冷,取暖条件差,室内温度较低。为了改善西北地区农村取暖条件,提高当地居民的整体生活水平,合理的利用西北地区较强的太阳能资源。文章综合论述了太阳能供热系统的原理,技术特点以及现阶段面临的问题。

关键词:  太阳能采暖系统      集热     辅助热源

一、前言
  
  我国西部地区气候夏天炎热,冬季严寒。提高秋冬季节房间内的温度,改善居住环境,是当地人们谋生和发展的重要方面。我国政府自始至终都没有把我国农村居民的供暖问题纳入政府公共支出范围,致使我国平困地区居民冬季取暖得不到保证。数据显示甘肃省酒泉市金塔县某村落的平均温度为7一11摄氏度之间不等,均比国家规定的最低室温14摄氏度的标准低,与16摄氏度的小康水平更是相差甚远。反映出了当地居民的取暖保证率较低.改革开放以来我国经济较快速发展,农村居民的粮食得到了比较好的满足,但是能源短缺问题依然严重,尤其农村居民的取暖问题得不到较好的解决。

一方面西北地区取暖季节长,消耗能源数量较大。这里以农业生产为主,所以煤炭,作物秸秆,薪柴,畜粪等生物质能成为主要的取暖能源,而且这些能源热值较低,而且使用不方便。西北地区的太阳能资源极为丰富,并且在取暖季节日照率高。所以西北地区利用太阳能供暖的应用前景极为广阔。

二、太阳能采暖系统概况

1.太阳能采暖系统原理
  太阳能采暖系统的热源是太阳能,它是利用太阳能集热器把太阳能转换为热能,供给全年其他用热和建筑物冬季采暖的系统。主动式和被动式是太阳能采暖的两种方式。被动式太阳能采暖一般是通过建筑物周围环境的合理布置和朝向,外部形体和内部空间经过巧妙处理,以及恰当的选择建筑材料和结构构造,把太阳辐射能充分收集、分配、存储起来。主动式太阳能采暖系统主要由、蓄热系统、太阳能集热系统、自动控制系统、末端供热采暖系统、以及换热设备、其他辅助加热构成。主动式与被动式系统相比,有更加稳定的供热工况,但是系统更加复杂,投资费用也增大。随着社会经济的发展,主动式太阳能采暖被大规模应用。
    2.国内应用现状
  太阳能产业在我国发展很快,直到2006年,我国每年生产的太阳能热水器达到1500万平方米,总集热面积达1亿平方米,使用量和生产量均居世界第一。尽管我国的太阳能热水器使用已经非常广泛,但是太阳能采暖工程的应用却处于起步阶段,现已建成的都是单体示范性建筑。
   由于农村住宅相对分散,不宜采用投资较大,维护水平要求高的集中供暖模式,然而传统的火炉燃煤取暖方式效率低、费用较高、污染环境、使用起来不方便。因此,新农村建设客观要求在农村推广即安全又环保、运行费用又低的太阳能采暖系统。太阳能采暖系统所需的集热面积远远大于太阳能热水系统,而且集热器安装位置要求较高,对于城市高层建筑或居住密度较大的小区安装条件不足,有很大的局限性,限制了应用。然而农村住宅建筑相对疏散,容积率低,没有明显遮挡,具备了建设太阳能采暖系统的良好条件。
三、太阳能采暖技术的特点
  1.系统结构

太阳能采暖系统的主要设备有集热器,辅助热源,采暖末端。平板型和真空管型是两种常见的太阳能集热器,其中,真空管型又可分为全热管真空管型,U型管真空管玻璃真空管型集热器。目前平板太阳能热水器在我国太阳能热水器市场约占10%左右的份额,其他全是真空管太阳能热水器,然而国外平板型太阳能热水器则占90%以上的份额。由于安装要求太阳能采暖系统与建筑紧密结合,所以对集热产品的故障率、使用寿命等特性要求较高。平板集热器结构简单,抗外力冲击,抗压,适合承压运行,从结构强度、整体外观、安装运行等方面都比较适合与建筑物相结合。在热性能方面,虽然真空管集热器的保温性能比平板集热器的好,但由于平板集热器的有效采光面比真空管集热器大,因此其热效率远高于真空管集热器。早期平板集热器不能防冻过冬的缺点随着技术进步早已得到解决。太阳能采暖工程中,平板集热器能有效的解决非采暖季节能源过剩,真空管集热器真空度降低,易发生爆管等问题。因此,目前太阳能采暖工程中,大多数工程项目均采用了平板型集热器。
  
  2辅助热源
  
  太阳能采暖系统与太阳能供水系统有所不同,采暖需要的热水必须连续供应,并且要稳定可靠。然而太阳辐射自然条件的限制和阴雨天气等因素的影响,存在非常大的不稳定性。经测试,地板供暖的进回水温度为45℃/35℃时,室内温度可保证在18度左右,已有良好的舒适度,在阴天太阳光照不足的时就需要启动辅助热源。所以在太阳能采暖系统中需要设置辅助热源。辅助热源的设置需要考虑当地的太阳能资源条件,以及常规能源的供应状况等因素,做综合经济性分析,以确定适宜的辅助热源。西北农村的太阳能采暖项目由于油电价格较高,城市热网及燃气管道不宜到达。而且农作物废弃的秸秆,薪柴,畜粪等生物质能比较丰富。因此,辅助能源多选用生物质燃料。如北京新农村建设示范区平谷区挂甲峪村,选用的辅助热源为生物质锅炉提供。一般可以采用生物质压块成型的设备,把当地的果木修剪枝条,以及玉米、小麦秸秆粉碎后压缩成块状燃料,作为生物质锅炉燃料。这种压缩成型的生物质燃料比其传统生物质燃烧效率高,燃烧密度高,使用储藏也比较方便容易,是一种比较好的辅助热源方式。在此基础上使用电辅热配合使用,以便在生物质燃料不足或者不方便添加时保证供暖。
  3采暖末端
  
  由于太阳能的热密度较低,集热温度有限,就很难达到普通散热器的热媒温度。因此,
太阳能系统采用的末端供热方式为地板辐射。地板采暖所需要的低温热水在35-55℃之间,太阳能集热器所提供的40℃-60℃的温度正好是地板采暖所需要的温度。地板采暖系统的热量主要以辐射方式传播,把整个地面作为散热面,舒适度比对流散热的散热器系统好得多。,脚暖头凉的热感觉更符合人体的生理学调节特点,且可以在比末端采用散热器的系统低2-3℃的情况下获得同样的舒适感,节省供热能耗。夜间无太阳辐射,但是采暖负荷一般大于白天,地板辐射具有蓄热功能,所以地板采暖是太阳能供暖系统中最合适的采暖方式。

 四、太阳能采暖系统设计中存在的一些问题
  
  1太阳能与建筑一体化
  太阳能采暖系统为建筑供暖服务与建筑的,应该融入到建筑之中,建筑与太阳能系统一体化。由于太阳能供暖集热器的面积比太阳能热水系统大,因此,建筑与太阳能供暖系统有机的结合更为重要。但是各建筑设计院以前很少设计太阳能采暖系统,这就要求设计人员在设计实践过程中不断在建筑设计里融入太阳能供暖系统,积累设计经验,取得太阳能取暖与建筑功能,建筑美学完美的协调。
  2冬夏热量平衡问题
  
  目前标准的太阳能采暖系统是1㎡太阳能集热器的供暖面积是6-8平方米建筑面积。这种配比条件下的太阳能系统冬季供暖保证率不高,但是夏季太阳能集热器产生的生活热水又大于实际消耗量,这种情况使得太阳能集热器只得采取闷晒,遮挡的方法来减少太阳得热,从而造成非采暖季节太阳能利用率较低和因集热系统过热而产生的安全隐患问题。因此,提高太阳能系统冬季供暖保证率,解决冬夏热量平衡问题是目前太阳能集热系统发展的重要技术问题。
  五、推广太阳能采暖系统面临的问题
  
  首先加强建筑节能。由于单位面积上太阳能的能量密度低,如果不加装保温等措施来有效的降低建筑的采暖负荷,所需要的太阳能集热面积将会很大,将会导致增加系统的初投资,这就完全与太阳能采暖系统的节能目的相违背。 其次要提高太阳能集热系统的效率。目前正在建设的太阳能采暖工程中,水箱,集热器等关键产品的改进空间还是比较大,企业应加强研发力量,比如提高集热器的密封性以增加集热效率等来提高产品的工艺水平和质量,不断开发高效稳定的新产品来提高太阳能集热效率。再次要提高太阳能利用率来缩短投资回收期。但是太阳能热量最大的特点就是冬夏热量不平衡。采暖季节太阳能强度不足,非采暖季节太阳能浪费。这个问题虽然可以由跨季节蓄热技术和太阳能制冷技术综合利用来解决。但是目前跨季节蓄热理论研究和实验很少,研究较多的是太阳能集热水驱动制冷机的太阳能制冷技术。一方面这种制冷机需要高温水做热源,还需要开发中高温太阳能集热器。另一方面西北农村地区由于建筑密度小,通风好,夏季平房室内凉爽,温度适宜,大部分建筑不需要空调制冷。除此之外还需要政府制定鼓励支持政策。太阳能采暖系统虽然社会效益较高,但投资高,回收期长。因此,需要政府积极在农村建设试点工程,针对生产厂商,用户制定比较完善、合理的鼓励支持政策,不断借鉴试点工程经验技术,提高整体技术水平,促进太阳能采暖在西北农村地区的综合应用。


    在西北地区新农村建设中,积极推广太阳能采暖系统和生物质能利用具有深远的意义。太阳能与生物质能作为可再生能源和新能源中的的一种,是取之不尽、用之不竭的清洁能源。推广利用可再生能源可减少常规能源使用过程中产生的温室气体和污染物的排放,实现农业废弃物的循环利用。利用太阳能及生物质能等可再生能源,改变农村用能结构,改善农民生活条件和农村卫生环境,有利于建设生活富裕,生产发展、生态良好的社会主义新农村。









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