太陽能在采暖領(lǐng)域中的應(yīng)用

太陽能在采暖領(lǐng)域中的應(yīng)用

1太陽能與新能源隨著人類生產(chǎn)和生活水平的提高，世界能源消耗顯著增加。根據(jù)有關(guān)文獻記載,1965年能源消耗量比1900年增長了6倍,而2000年比1965年又增長了4.5倍。過去的能源主要來自礦物燃料,但礦物燃料的儲量是有限的,世界石油的儲量只能維持幾十年,因此人們不得不逐漸把關(guān)注的重點轉(zhuǎn)移到新能源的開發(fā)和利用上去。太陽能是無窮無盡的、可再生的清潔能源。我國太陽能資源十分豐富,可開發(fā)的太陽能資源折合標(biāo)準(zhǔn)煤每年可達1.43億t,全國有2/3以上的地區(qū),年輻照量大于5020MJ/m2,年日照時數(shù)在2000h以上,表1為我國太陽能熱能等級表。我國華北、西北冬季室外溫度一般在-10℃以上,所需的采暖熱負荷較小。而上述這些地區(qū)大部分都擁有十分豐富的太陽能資源,這就為充分利用太陽能資源提供了優(yōu)越的條件。因此,在上述地區(qū)利用太陽能作為采暖能源有著非常廣闊的前景。2太陽能加熱系統(tǒng)(1)圖1顯示了太陽能加熱系統(tǒng)的示意圖(2)太陽能采暖系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)采用熱管集熱器以防凍,集熱器水箱中充滿軟化水以避免發(fā)生結(jié)垢或腐蝕現(xiàn)象,水箱的外面包聚氨酯以保溫。所以,集熱器實際上相當(dāng)于一個蓄熱水箱。夏季運行時,閥2開啟,閥l關(guān)閉,除水泵1外其余部件均停止運行。集熱器中的熱水通過熱交換器加熱生活用水。冬季運行時,閥1開啟,閥2關(guān)閉,熱泵每天夜間(晚7:00~早7:00)運行,可以充分利用低谷電,將運行費用降低一半以上。白天,水泵1、水泵2停止運行,熱管集熱器吸收太陽能,到傍晚可將水箱中的水加熱到20℃左右。在夜間,水泵1、水泵2起動,集熱器中的溫水經(jīng)過熱泵將另一側(cè)的軟化水加熱到55℃左右。熱泵的兩側(cè)均采用軟化水以避免熱泵發(fā)生結(jié)垢或腐蝕現(xiàn)象。由于集熱器中的水溫隨季節(jié)變化較大,所以熱泵應(yīng)采用變頻調(diào)速技術(shù)以保證2側(cè)的出口水溫始終保持在55℃左右。2側(cè)的蒸餾水經(jīng)過蓄熱器將熱量儲存起來供采暖設(shè)備使用。蓄熱材料采用Na2SO4·5H2O,并加入4%的硼砂作為核生成物,其混合融點大約為46℃。采暖水通過蓄熱器一般可加熱到40℃左右,基本可以滿足西北、華北地區(qū)各種采暖的需求,也可以滿足東北地區(qū)無人變電站、辦公室的采暖需求。水泵3一般不停運,但是當(dāng)室內(nèi)溫度高于18℃時停止運行,當(dāng)室內(nèi)溫度低于14℃時恢復(fù)運行。當(dāng)熱管集熱器中的水溫低于5℃時電加熱器l投入運行以避免發(fā)生凍結(jié)。當(dāng)熱泵發(fā)生故障時電加熱器2投入運行以保障蓄熱要求。當(dāng)天氣特殊寒冷時,電加熱器3投入運行以保障室內(nèi)溫度的要求。熱泵的供熱系數(shù)至少可以達到3,也就是說耗費1kW電能可以產(chǎn)生3kW熱量。再加上熱泵是在夜間運行,其運行費用只有平價電的一半左右。所以,這套供熱系統(tǒng)的運行費用只是普通電采暖的1/6左右,也遠低于燃煤的費用,而且沒有環(huán)境污染,太陽能來源免費而且充足。所以,這種采暖系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的市場前景。在這套采暖系統(tǒng)中,熱管集熱器和蓄熱器的設(shè)計是關(guān)鍵,下面分別進行詳細介紹。3熱管集熱器的優(yōu)點熱管集熱器與常規(guī)的真空玻璃管集熱器的結(jié)構(gòu)有所不同,如圖2、圖3所示。普通真空玻璃管集熱器有三大缺點:第一,抗凍性不好,不適用于嚴(yán)寒地區(qū);第二,玻璃管強度不好,易碎;第三,管內(nèi)容易沉積水垢,影響傳熱。而熱管集熱器采用碳鋼—無水甲醇組成的熱管,制作方便,造價低。甲醇的凝固點低,即使在-40℃時也不會凍結(jié),運行安全可靠。而且碳鋼和無水甲醇完全相容,不會產(chǎn)生污染,壽命在20年以上。白天,熱管接受陽光的輻射熱,將熱量傳入水箱加熱給水。到了夜間,由于熱管逆向不工作,所以水箱中的熱量不會散失。水箱內(nèi)部材料可用不銹鋼,外材料為鋁,保溫材料為l00mm厚的聚氨酯以確保水箱在夜間不凍結(jié)。由于熱管由碳鋼管制成,所以強度高,徹底解決了因震動、碰撞、下冰雹等原因而導(dǎo)致的集熱管破裂問題。4其他蓄熱材料蓄熱器的結(jié)構(gòu)如圖4。蓄熱材料采用Na2SO4·5H2O,并加入4%的硼砂作為核生成物,其混合融點大約為46℃。由于Na2SO4·5H2O的融解熱遠高于水的比熱(約為水的50倍),所以用Na2SO4.5H2O做蓄熱材料可以大大減小蓄熱裝置的體積,節(jié)省大量的設(shè)備投資。來自熱泵的高溫水(55℃)通過熱管1加熱蓄熱材料使其融化,蓄熱材料通過熱管2加熱采暖水(40℃)供用戶使用。采用熱管做傳導(dǎo)元件與采用盤管相比不但可以減少阻力,提高傳熱效率,還可以降低造價可謂一舉兩得。5節(jié)省投資,運行費用低太陽能采暖系統(tǒng)和地?zé)岵膳到y(tǒng)相比有許多優(yōu)點:(1)不需要打井,節(jié)省大量初投資;(2)不需要復(fù)雜的水處理設(shè)備,節(jié)省投資且