摘要: 从应用现状、供水系统、集热系统、传热系统、蓄热系统、辅助热源、集热器与建筑物的结合、运行控制、激励政策等多个方面,对国内外太阳能热水系统的应用情况作简要比较。指出国内太阳能热水系统应在集热、传热、蓄热、集热器与建筑物的结合、运行控制等领域作进一步探索。 关键词：超微电极太阳能热水系统 集热系统 传热系统 蓄热系统
正文：随着经济和社会的不断发展,石油、天然气和煤炭等常规能源的短缺问题越来越明显,人们利用可再生能源的需求日益迫切。同时,随着国际上要求减少CO2等温室气体排放的呼声越来越高,人们对使用清洁能源的意愿不断增强。因此,作为主要的清洁和可再生能源,在世界范围内,太阳能正被日益广泛地得到应用和研究。然而,由于技术、工艺、经济和政策的不同,国内外在太阳能热水系统的应用上还存在较大差异。作为世博中心项目太阳能热水系统设计的前期技术准备,我们根据国际能源组织(InternationaEnergy Agency)2005、2006、2007版年度报告、美国能源部有关技术指导资料,以及目前应用较成功的80个欧洲项目和27个中国项目的技术参数等,对国内外太阳能热水系统的应用情况作简要比较。
1 应用现状
1.1 中国是世界上太阳能集热器总安
装量最大的国家,约占世界总安装量的48%。但若按平均每1 000人所拥有的太阳能集热器安装量统计,中国(40 kWth)排在塞浦路斯(657 kWth)、以列(497 kWth)、奥地利(205 kWth)、巴巴多斯(20kWth)、希腊(192 kWth)、土耳其(86 kWth)、澳大利亚(59 kWth)、德国(56 kWth)、丹麦(42 kWth)之后,位于世界第10位。
国内以小型家用太阳能热水器为主,辅以相当数量的动辄几百至上万m2集热器面积的大型项目,呈现两头大、中间小的马鞍型分布,总的应用情况较不均匀。
1.2 主要用途
根据用途的不同,一般可分为欧洲、北美和国内
三个主要应用类型。
(1)欧洲:用途较为广泛,涉及生活热水、采暖(含制冷和空气调节)、区域太阳能供热水厂等方
面,尤以区域太阳能供热水厂最具有特点。截至2005年底,欧洲已建成87座大型区域太阳能供热水厂,太阳能集热器总安装量120 MWth。目前世界上最大的区域太阳能供热厂———丹麦的Marstal DistrictHeating,太阳能集热器安装量可满足1 420人对生活热水和采暖的需要。
(2)北美:主要用于游泳池水加热和洗衣店用热水等,美国在这些方面处于世界的领先地位。
(3)国内:用途较为单一,一般仅限于生活热水、采暖和游泳池水加热。
1.3 技术水平
(1)欧洲的太阳能应用已处于世界领先地位。与我国界定资源贫乏区的年太阳辐照量标准(<4 200 MJ/m2,上海的年太阳辐照量为4 200~5 400 MJ/m2)相比,德国的年太阳辐照量为3 600MJ/m2,低于我国的资源贫乏区标准。然而,由于常规能源的缺乏以及环保意识的良好,德国在太阳能利用,特别是太阳能热水系统的应用上做了大量的探索性工作,拥有世界上先进的技术和产品。
(2)国内太阳能热水系统的应用较晚,尚处于起步阶段。虽然拥有世界上最大的太阳能集热器
安装量和制造能力,但技术含量普遍较低,产品质量良莠不齐,集热效率和使用寿命远低于欧洲国家产品。而且,由于缺乏应有的准入制度,太阳能集热器的规格、尺寸和安装位置等因不同生产厂家而不同,与建筑的结合情况较差。再加上大多数的太阳能热水工程由生产厂家自行设计、安装,在系统优化、参数设定、运行控制、现场施工等诸多方面均不尽人意。在有些时候,太阳能热水系统成了摆设和负担。
1.4 设计依据
(2)美国许多州都有针对自己州情况制订的地方规范,如纽约州、加利福尼亚州、佛罗里达州、亚拉巴马州等。
(3)国内也已逐步制定相应的国家技术规范和技术措施:《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005);《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇—给水排水》;国家建筑标准设计图集《太阳能集中热水系统选用与安装》(06SS128)。
2 供水系统
(1)欧洲:以集中型(集热器集中,储水箱集中,供一栋或几栋建筑物所需热水)、集中-分散型(集
热器集中,储水箱分散,供一栋建筑物所需热水)供水系统居多,辅以高性能小型家用太阳能热水器,多为强制循环系统。其水量充足、水压平衡、水温合适、水质洁净,节能、节水、节材、高效、美观,代表着太阳能热水系统的发展方向。但其技术要求较高、管路系统较多、运行控制复杂。例如,许多西班牙的住宅项目(见图1),普遍采用集中-分散型供水系统,统一布置集热器,分散设置储水箱,将储水箱分设到每家每户。
(2)国内:以低效率小型家用太阳能热水器为主。多为分散型(集热器分散,储水箱分散,供单个用户所需热水)、自然循环或直流式供水系统,集中型、集中-分散型、强制循环供水系统较少。其水量有限、水压不稳、水温波动、水质较差。
3 集热系统
3.1 集热器分类
(1)根据国际能源组织的划分办法,按照传热工质的不同,太阳能集热器( Solar ThermalCollector)分为水媒型(Water Collector)和气媒型(Air Collector)两大类(见图2),一般将水媒型的有盖板型和无盖板型统称为平板型(Plate)。图2 国际能源组织太阳能集热器分类
(2)根据目前的实际安装情况,国内的太阳能集热器大体分为平板型和真空管型两大类(见图3)。依据构造形式的不同,后者又分为全玻璃真空管型[《全玻璃真空太阳能集热管》(GB/T 17049—2005)]和金属-玻璃真空管型两类。按照吸热板插入方式的不同,金属-玻璃真空管型进一步区分为U型管式和热管式两大类。
图3 国内太阳能集热器分类
3.2 安装情况根据国际能源组织的报告,长期以来,在世界太阳能集热器总安装量中(见表2),国外特别是欧洲,多采用有盖板平板型,北美多采用无盖板塑料型(主要用于游泳池),国内主要采用真空管型。2005年,国内真空管型集热器的安装量已占世界总安装量的97.35%。总的来说,平板型集热器的生产工艺要比真空
管型复杂,对生产技术和生产设备的要求较高。在欧洲,平板型集热器以全铜材质为主,采用专用焊接设备和工艺。其涂料对太阳光的吸收率较高,反射率和集热性能衰减率较低,使用寿命一般为20~25 a。已开发成功可预制的大型集热单元,减少了集热器的串并联接口,易与建筑物结合,使之成为建筑物的一部分,便于维修和更新。而国内,集热器技术水平相对较为落后,整体产业化水平较低,除少数技术可靠的产品外,国产集热器的集热性能衰减率较高,一般
高集热性能只能维持沟槽式管接头2~3 a,质量较差的产品,1年后其集热性能便会明显下降。
3.3 集热器面积(1)在欧洲,集热器面积分总面积(Gross Areaof Collectors)和孔径面积(Aperture Area ofCollectors)两部分,前者是集热器的安装面积,车辆视频监控后者是集热器的吸热面积。根据我们对80个欧洲项目的统计分析,选用不同类型的集热器,前者与后者的比值是不同的,一般在1~1.2,以1.1左右最多。在国内,根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB 50364—2005),仅有对集热器总面积的解释,尚无对孔径面积的定义。
(2)德国等欧洲国家大多采用专用的计算机软件,依据当地的气象数据资料,逐时模拟太阳能热水系统的集热和用水情况,精确计算集热器面积。图
4为太阳辐照模拟示意。 在国内,根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB 50364—2005),目前可以由经验公式和推荐选用值两种方法确定集热器总面积,两种方法的取值均源于现有国内集热器的集热性能和使用经验。若采用进口集热器,选用这两种方法计算集热器面积会有误差。
4.1 传热工质(1)国外常用的传热工质有空气、水、乙二醇/水(按50/50或60/40的比例混合)、烃油、冷媒/可变相液体、硅酮等。(2)国内使用较多的是水和乙二醇/水。
角度测量4.2 系统类型
(1)在欧洲,大多为间接型传热,在集热器内加热水或其他传热工质,再使水或其他传热工质通过换热器对水进行加热供给用户。采用此种传热方式,较易采取防结垢、防冻措施;但换热器阻力大,一般需强制循环。
(2)在北美,游泳池水多为直接型传热。
(3)在国内,主要为直接型传热,在集热器内直接加热水供给用户。采用此种传热方式,生活用水可能被污染,集热器易结垢,不利防冻。
4.3 防冻保护
(1)防冻保护措施有防冻液法、排回法(Drain-back)和排空法(Drain-down)。其中,防冻液法是目前国际上通常采用的方法。防冻液法和排回法适用于间接型传热系统,排空法适用于直接型传热系统。根据我们对56个欧洲项目的统计分析,采用乙二醇防冻液法的有49项,采用排回法的有5项,同时采用这两种方法的有2项。
(2)美国能源部有关技术指导资料明确要求防冻液法的控制温度为旋转展台6℃,其换热器需采用双层壳壁结构防止污染生活用热水;要求排回法的最小管路坡度为0.021。《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005)4.4.16条第3款要求“在有水回流的防冻系统中,管路的坡度应使系统中的水自动回流,不应积存。”
4.4 过热保护
(1)在国外,常用的过热保护措施有膨胀罐法、铜盘管存储法、排回法、夜间冷却降温法和散热器法。根据我们对56个欧洲项目的统计分析,采用膨胀罐法的有46项,采用排回法的有4项,同时采用膨胀罐法和排回法的有1项,采用夜间冷却降温法(区域太阳能供热水厂)的有2项,同时采用膨胀罐法和散热器法的有1项。
(2)在国内,经常采用在传热系统顶端加设自动排气阀的办法作为过热保护措施。
5 蓄热系统
5.1 系统类型
(1)在欧洲,有即时使用型CSHPXS(CentralSolar Heating Plants without Storage)、短期蓄热型CSHPDS ( Central Solar Heating Plants withDiurnal Storage)和季节性蓄热型CSHPSS(CentralSolar Heating Plants with Seasonal Storage)三种蓄热方式。采用短期蓄热型和季节性蓄热型,太阳能利用率较高,可提高系统性能、降低成本。例如,德国干电池手机Friedrichshafen的Wiggenhausen项目,建有德国最大的太阳能季节蓄热水池,总容积达12 000m3。使用时通过换热器从池中提取热量来加热,保证四季的热水供应和冬季采暖的耗热量。表3为德国部分CSHPSS工程实例。
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