新型太阳能光热技术在住宅建筑中的应用研究

2022-09-11

引言:

太阳能作为一种清洁能源, 尤其是供热系统的一大动力, 低成本、高效益的特点已得到各国的重视。为了鼓励住宅建筑内太阳能光热系统的使用, 到2013年我国多个省、市、自治区已出台了《强制性太阳能光热系统安装应用规定》, 太阳能供热水技术在我国得到了极大的推广和使用。为达到世界一流水平, 从供热水技术到集热器设备都有需要提升改进之处。

1、太阳能光热技术的发展

(1) 太阳能的能源利用优势。煤炭、石油和天然气等化石能源是自工业革命以来的主要消耗能源, 从国际能源机构对能源总量估计来看, 无论是煤炭、石油或是天然气其总量基本是恒定的, 远不能满足人们日益增长的能源需求量。不仅如此, 化石能源的消耗已经为人类的生存带来了空气污染、温室效应等恶劣的负面效应。因此, 我们把目光更多的投向非化石能源中来, 目前主要有太阳能、风能、地热能等。本文主要以太阳能的能源利用为主要研究对象, 这是由于太阳能作为清洁能源的一种, 在全球的覆盖面积广阔、可利用总量最大, 并且无需另加成本开采、使用寿命也更为持久。

(2) 太阳能光热利用原理。综合以上太阳能的能源利用优势, 具体到太阳能的开发技术中主要有太阳能热水、供暖、光伏发电等多个方面, 目前以光热技术为主的热水系统是太阳能能源利用最核心的技术。太阳能热水系统的原理简单来说, 就是将太阳辐射经能量转换装置转换为人们所需要的热能, 主要包括用来储存热量的集热器、连接集热器的供水水泵以及通过电源或者天然气的辅助加热系统。其中集热器作为热源部分是热水系统的核心技术。太阳能光热利用技术按照其工作的方式又可分为被动式集热技术、主动式集热技术与辅助式集热技术三种。

2、太阳能光热系统在城市建筑物中的使用率问题

虽然到2013年底时, 我国多个地区均已出台了《强制性太阳能光热系统安装应用规定》等规范性政策文件, 但是太阳能光热系统在城市建筑物中的使用率与国外相比, 并不算高。这主要是由于两方面的原因, 一是国内太阳能光热技术起步晚、集热器质量参差不齐最终导致的使用效果较差, 这属于产品技术与质量落后的问题;二是集热器不能与我国现有各形式的建筑物配置不合理, 影响了施工进度以及开发商对太阳能光热系统的重视。

3、太阳能集中-分散供热水系统在高层建筑的应用

目前十二层以下的建筑物中, 是太阳能光热系统应用最广泛的区域, 主要采用了分户式太阳能供热水系统。但目前, 我国大中型城市的建筑空间愈发狭小, 因此较多开发商所设计的建筑物以高层居多, 因此十二层以上的高层建筑太阳能光热系统的应用成了一个难题。考虑到高层建筑的外观、楼间距以及高层设备的稳固性, 本文建议采用太阳能集中-分散供热水系统。

(1) 系统构成及运行。集中—分散式热水系统是由多用户共用的集中太阳能集热循环泵安装在屋顶上, 以及分散到每一住户的换热水箱构成的, 并通过内置电源来辅助加热。该系统集合了集中式太阳能热水系统与分散式太阳能热水系统的优点。

其中集热循环系统由集热器、循环泵、缓冲水箱以及循环管道所构成, 集热器安装在高层建筑物的坡面楼顶。该系统的运行遵循温差循环原理, 随季节调解控制器上的运行参数, 促进低温度的空气循环往复流通, 以便在冬天保护集热器不受寒潮损害, 以及防止夏天太阳照射温度过高。

供热循环系统由每个用户卫生间内的换热水箱、楼顶的用户侧热水循环泵以及其他管道等构成。并且, 每个用户卫生间内同样要安装上内置电加热的电加热器, 以备在太阳能热度不足时通过电能转化成所需的一部分热能。

(2) 关键部件的节能效果。热管式真空管集热器。一般分为平板式集热器和真空管集热器。平板式虽然构造简单, 经济实用, 一旦太阳光射穿顶部的透明盖板便可由底下的吸热板汲取太阳热能, 但是热能的转化率不能满足冬天热水温度的需求, 因此在高层建筑物中, 笔者较建议采用多个热管式真空管组合排列而成的集热器, 由于其内外部之间已抽为真空, 减少了热能转化和传递过程中热能的流失, 其热能所转化的水温最高可以达到一百二十摄氏度。除此之外, 热管式真空管集热器还具有启动速度快、冬天耐冻夏天耐高温的特点。

桶式内胆换热水箱。在供热水系统中用户换水箱建议采用桶式内胆换热水箱。其桶式外形比较普遍, 并不是特色, 主要是外部的多个翅片可以带动换热水器的运行, 金属的材质也可以更好的将热能传送到每个用户的水箱内。其次最具特色的是以搪瓷打造的换热水器内胆, 能够拒腐防变以及提高承重能力。

(3) 可行性分析。集中-分散式太阳能热水系统虽是以高层建筑的太阳能光热技术利用为出发点, 但并不等于该模式不适合中低层用户的使用, 反而通过投入项目后的测试情况来看, 无论冬季或夏季, 都能够保证底层、中层、高层各用户水箱的温度保持均衡。其集中式的集热器安装在建筑物的设备层, 且辅助加热器的调解由用户自己操控, 经济又方便了用户长时间外出, 并由物业人员对设备进行统一维护和检修, 减轻了用户的经济成本并优化了用户体验。