太阳能采暖系统应用现状与发展

随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在 3300-8300MJ/(m2.a)，全国 2 / 3 以上面积地区年日照小时数大于 2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于 2.4 万亿吨标准煤，具有太阳能利用的良好条件。在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。
太阳能采暖系统概况
1. 太阳能采暖系统原理
太阳能采暖系统是指以太阳能作为采暖系统的热源，利用太阳能集热器将太阳能转换成热能，供给建筑物冬季采暖和全年其他用热的系统。太阳能采暖可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能采暖通过建筑的朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热设备集合构成，相比于被动式太阳能采暖，其供热工况更加稳定，但同时，投资费用也增大，系统更加复杂。随着经济和社会的发展，主动式太阳能采暖开始大规模应用。
2. 国外应用现状
欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的 20-50%；以色列 80%住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度 27 米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。丹麦 Marstal 太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积 1.83 万 m2，与社区热力网连接，1996 年建成运行，年热负荷 28GWh/ 年，同时使用 2100m3 水箱、4000m3 水容量砂砾层及 10000m3 地下水池蓄热。
3. 国内应用现状
我国太阳能产业发展很快，截至 2006 年，我国太阳能热水器年生产能力达到 1500 万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达 1 亿平方米，生产量和使用量居世界第一。虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。
近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大，维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。
太阳能采暖系统设备
1. 集热器
常见的太阳能集热器有平板型和真空管型两种，其中，真空管型又可分为全玻璃真空管型、U 型管真空管和热管真空管集热器。目前在我国太阳能热水器市场，平板太阳能热水器约占 10%左右的市场份额，其余均为真空管太阳能热水器，而国外平板太阳能热水器则占 90%以上的市场份额，中国与世界太阳能市场主流存在巨大差异。由于太阳能采暖系统与建筑结合紧密，因而对集热产品与建筑的结合、故障率、使用寿命等性能要求较高，平板集热器结构简单，抗压，抗外力冲击，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑相结合。在热性能方面，尽管平板集热器的保温性能不如真空管集热器，但由于其有效采光面大于真空管集热器，因此其热效率高于真空管集热器。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，非采暖季能源过剩，真空管集热器易发生爆管、真空度降低等问题，而平板集热器则能较容易地解决这一问题，因此，目前北京地区太阳能采暖工程中，很多工程项目采用了平板型集热器。
2. 辅助热源
为住宅提供采暖用热水的太阳能采暖系统，与为住宅提供生活热水的太阳能热水系统在供水特点上是不同的，生活热水不需要连续供应而采暖用热水必须连续供应，而且要稳定可靠。太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性和不稳定性，因此在太阳能采暖系统中，必须设置辅助热源。辅助热源要根据当地太阳能资源条件，常规能源的供应状况，建筑物热负荷和周围环境条件等因素，做综合经济性分析，以确定适宜的辅助热源及合理的太阳能供暖比例。太阳能采暖中可以选择的辅助热源主要有小型燃油（气）锅炉，城市热网或区域锅炉房、工业废热、电锅炉、电热管、地源热泵及生物质燃料等。在农村建设的太阳能采暖项目，由于城市热网及燃气管线不易到达，油、电价格又较高，因此，辅助能源的应用类型多为生物质燃料。如北京平谷区挂甲峪村，辅助热源用生物质锅炉提供，采用生物质压块成型设备，把当地的果木修剪枝条粉碎后压缩成燃料棒或燃料块，作为生物质锅炉燃料，同时还用作炊事燃料，这种生物质压缩成型燃料比传统的生物质燃烧密度高，燃烧效率高，储藏也较容易，使用时劳动强度小，是一种较好的辅助热源方式。
3. 采暖末端
太阳能由于热密度较低，集热温度很难达到较高水平。普通散热器热媒温度要求较高（70℃以上），而太阳能系统不易达到该出水温度要求。因此，在太阳能采暖系统中，通常采用地板辐射采暖的末端供热方式。地板采暖所需要的低温热水在 35-55℃之间，正好是太阳能集热器所能提供的适合温度。地板采暖系统以整个地面作为散热面，热量主要以辐射方式传播，与以对流散热为主的散热器系统相比，舒适性更好，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。夜间采暖负荷一般大于白天，但夜间却无太阳辐射，具有蓄热功能的地板采暖方式是非常适合的。因此，目前太阳能采暖系统普遍采用地板辐射散热系统作为末端。
太阳能采暖系统设计中存在的一些问题
4. 太阳能与建筑一体化
太阳能采暖系统是为建筑服务的，应该作为一个子系统融入建筑之中，实现太阳能与建筑一体化。但以我国太阳能热水器发展来看：长期以来，太阳能热水器一直是房屋建成后才由用户购买安装的，这种做法带来很多问题，主要是对建筑外观和房屋相关使用功能的破坏，导致了一些城市出台不允许安装太阳能热水器的规定，严重制约了太阳能热水器的进一步发展。由于太阳能采暖工程集热器的面积远大于太阳能热水系统，因此，太阳能采暖系统与建筑的有机结合尤为重要。各建筑设计院过去很少设计太阳能采暖系统，这就要求设计人员在实践中不断将太阳能采暖技术融于建筑设计中，积累设计经验以取得太阳能与建筑功能、建筑美学的协调。
2. 冬夏热量平衡问题
目前安装的太阳能采暖系统，每 6-8 平米建筑面积约配置 1 平方米太阳能集热器，此种配比条件下太阳能的冬季供暖保证率相对较低，但同时夏季太阳能系统产生的生活热水远大于实际消耗量，这使得太阳能集热系统不得不采取闷晒、遮挡等方法来减少太阳得热，造成非采暖季太阳能利用率过低和因系统过热而产生安全隐患等问题，因此，解决冬夏热量平衡问题成为太阳能采暖系统发展的重要技术问题。
3. 相关设计资料不完善
太阳能采暖系统设计主要由暖通工程师和建筑工程师来完成，由于过去很少进行此类设计，设计师希望有相关的标准、规范和设计手册可供使用，目前已出版了国家标准 GB50364《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》和《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》，但太阳能采暖系统的设计资料还不够完善，各厂家的产品性能参数还需经权威检测部门检测后作为进行系统设计的重要依据。
发展太阳能采暖系统的措施
1. 加强建筑节能
建筑节能是实现太阳能采暖的先决条件，由于太阳能在单位面积上的能量密度较低，如果不通过加强围护结构保温等措施来有效降低建筑物的采暖负荷的话，太阳能采暖系统的集热面积将会很大，增加系统的初投资，使太阳能采暖系统完全不能发挥应有的节能效益。我国已陆续颁布实施了针对不同建筑气候区的建筑节能设计国家标准，这些标准的强制实施将大大降低建筑物的耗热量指标，减轻太阳能采暖系统所承担的负荷，形成太阳能供热采暖工程应用的有利条件。
2. 提高太阳能集热系统的效率
目前建设的太阳能采暖工程中，集热器、水箱等关键产品还有较大的改进空间，如进一步提高平板集热器的密封性以增加集热效率等，企业应加强研发力量，提高产品质量和工艺水平，开发安全可靠，高效稳定的新产品以不断提高太阳能集热系统的效率。房屋设计之初就同步进行太阳能采暖系统的设计，使设计更适合于太阳能设备或部件的应用。在不影响建筑物的条件下，达到太阳能集热性能的最佳。
3. 提高太阳能利用率
太阳能采暖系统一定要提高太阳能利用率以缩短投资回收期。冬夏热量不平衡的问题可由太阳能制冷技术、跨季节蓄热技术和全年的综合利用来解决。目前，跨季节蓄热的理论和实验研究还很少，研究的较多的是利用太阳能产生的热水驱动吸收式制冷机的太阳能制冷，由于吸收式制冷机需要高温水（85℃以上）做热源，所以，应积极开发适用于太阳能空调系统的中高温太阳能集热器。在目前国内太阳能制冷技术和跨季节蓄热技术还没有市场化的条件下，可强调全年的综合利用，考虑适当降低系统的太阳能保证率，合理匹配供暖和供热水的建筑面积，如使系统供热水的建筑面积大于供暖的建筑面积。
4. 政府制定鼓励支持政策
太阳能采暖系统具有较高社会效益，但存在投资相对较高，投资回收期较长的缺点，对房地产开发商而言，如果开发成本的增加不能带动房屋销售的话，则开发商的积极性不高。因此，政府应积极建设试点工程，针对生产厂商、房地产开发商、终端用户制定更完善、合理的鼓励和支持政策，积极推广试点工程经验，提高系统整体技术水平，促进太阳能采暖行业及市场的良性发展。