主動太陽能在西北地區(qū)的應用前景

主動太陽能在西北地區(qū)的應用前景

全球環(huán)境惡化和能源危機的加劇引起了全球的關注。作為一種偉大而沒有污染的能源，它在未來的能源替代中發(fā)揮著非常重要的作用。太陽能建筑是指利用太陽能替代部分常規(guī)能源使室內達到一定溫度的一種建筑.西北地區(qū)是我國經濟發(fā)展較為落后的地區(qū),但同時太陽能資源卻非常豐富,全年總輻射能在(5.9～8.4)×109J/m2.因此,大力推廣使用太陽能建筑勢在必行.1太陽能建筑的簡介自1975年在甘肅武威地區(qū)建成了我國第一座小型太陽能建筑以來,西部地區(qū)又建成了許多太陽能建筑,但絕大部分為被動式太陽能建筑.被動式太陽能建筑是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理配置以及建筑材料和結構的恰當選擇,依靠房屋本身來完成集取、儲存和分配太陽能的建筑形式.它的優(yōu)點是建造技術簡單,先期投資少;但它對太陽能的利用效率低,冬季室內溫度較低且溫度日波動大,室內舒適性差,難以滿足人們對房間舒適度的要求;加之所需集熱體面積大,浪費建筑空間,無法應用于多層及高層建筑.因此,盡管專家學者一再大力推廣被動式太陽能建筑,在城市中卻始終無法推廣開來.主動式太陽能建筑是通過高效集熱裝置來收集獲取太陽能,然后由熱媒將熱量送入建筑物內的建筑形式.它對太陽能的利用效率高,不僅可以供暖、供熱水,還可以供冷;而且室內溫度穩(wěn)定舒適,日波動小,在發(fā)達國家應用非常廣泛.但因為它存在著設備復雜、先期投資偏高,陰天有云期間集熱效率嚴重下降等缺點,在我國長期未能得到推廣.2新型太陽能建筑的應用隨著科技的發(fā)展,國內外在太陽能的利用方面開展了多方面的研究,以下新型技術措施克服或大部分克服了上述缺點,使主動式太陽能建筑的優(yōu)勢更加明顯.2.1熱管系統(tǒng)集熱器簡介熱管是1964年前后才付諸實用的具有很高熱傳輸性能的元件,它集沸騰與凝結于一體.一般熱管是由管殼、管芯(起毛細管作用的多孔結構物)和工作液組成的一個封閉系統(tǒng).當在一端加熱時,管內的液體蒸發(fā),過量的蒸汽在管的另一端冷凝,冷凝液借助在毛細芯截面中的毛細力返回到加熱端.在某些太陽能采暖應用中,冷凝液的返回能夠通過重力流動來實現(xiàn).由于熱管內的蒸發(fā)、冷凝過程幾乎是在等溫、等壓下進行的,所以熱管能在非常小的溫差下從內部傳遞熱量,對重力輔助熱管,假如冷凝段在下而加熱段在上,則工質液體回流中斷.因此,熱管具有控制熱流方向的“熱二極管”的作用.熱管式集熱器與傳統(tǒng)集熱器比較,具有以下優(yōu)點:(1)用熱管傳輸熱量,可避免普通集熱器存在的集熱管冬天晚間結冰問題.(2)由于重力輔助熱管的“熱二極管”的作用,熱量只能從吸熱板向換熱器輸送,能防止晚上或陰天時的倒流散熱.(3)熱容小,啟動性能好.另外,還有熱管式真空管平板型集熱器,它兼有熱管式平板型集熱器與玻璃真空管平板型集熱器的優(yōu)點.熱管式真空管平板型集熱器由于熱管外表面涂有選擇性吸收涂層,而且真空絕熱,因此熱損失小,在高的工作溫度下仍有較高的集熱效率.熱管選用合適的工質(如R11)使集熱器溫度超過工質的臨界溫度后,熱管的傳熱就停止,這就防止了集熱器在無負荷情況下帶來的高溫問題,利于整個采暖期使用.2.2相變材料的釋放熱回收工藝由太陽能集熱器得到的熱收益為Q,需要的熱負荷為L.當Q>L時,多余的熱能可貯存在貯熱裝置內;Q<L時,不足的能量可由貯熱裝置供應一部分,其余部分則由輔助能源補足.相變材料在從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的過程中貯存熱量,在相反過程中釋放熱量,當熱蓄進相變蓄熱器時,熱傳入蓄熱器使相變材料熔化;當熱從蓄熱器釋放時,相變材料凝固.相變蓄熱器比顯熱蓄熱器更緊湊,這使得安裝蓄熱器時有較大的靈活性,并可以減少保溫要求.使用液體傳熱介質的太陽能采暖系統(tǒng)需要附加一個換熱器,熱由相變材料傳到流過的水中被釋放出來,然后熱水再通過散熱器加熱空氣.2.3輔助熱源.當太陽能收集較少或溫度過低時,使用輔助熱源起補充作用.連續(xù)陰天和陽光不充足時,就只能依靠輔助熱源保證采暖系統(tǒng)正常運轉.近年來,西北地區(qū)電力充足且費用低廉,政府鼓勵用電采暖,這種方式最為簡便,又無煙塵,既不會污染環(huán)境也不會污染集熱器表面而減少太陽能的收集,且體積小、效率高.結合西安地區(qū)目前實際情況,可用天然氣作為輔助熱源.2.4自動控制.自動控制系統(tǒng)是使用儀表來控制系統(tǒng)的正常工作.在收集回路中的自動控制可采用差動控制:使用兩個溫度傳感器和一個差動控制器.其中一個溫度傳感器(熱敏電阻或熱電偶)安裝在集熱器板接近傳熱介質出口處,另一個溫度傳感器安裝在貯熱器接近收集回路回流出口.當?shù)谝粋€傳感器溫度大于第二個,并達到預定的限度時,差動控制器就開啟.相反,當貯熱器出口溫度與集熱器出口溫度相等時就關閉.采暖回路是指采暖房間中熱媒的循環(huán)回路.自動控制一般使用兩個溫度傳感器和一個差動控制器.其中一個是溫度傳感器置于貯熱器采暖回路出口附近,當貯熱器溫度很高并達到一定的數(shù)值時,輔助加熱器關閉;另一個溫度傳感器安裝在采暖回路的回水管道中.當?shù)谝粋€傳感器讀出的溫度低于第二個時,差動控制器操作閥門,切斷貯熱器與系統(tǒng)的聯(lián)系,使其脫離循環(huán),這時由輔助加熱器供暖.2.5太陽能熱泵采暖系統(tǒng)太陽能熱泵采暖系統(tǒng)是利用集熱器進行太陽能低溫集熱,然后通過熱泵,將熱量傳遞到溫度為35～50℃的采暖熱媒中去.冬季太陽輻射量較小,環(huán)境溫度很低,使用熱泵則可以直接收集太陽能進行采暖.將太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器,換熱器作為冷凝器.這樣就可以得到較高溫度的采暖熱媒.太陽能熱泵采暖系統(tǒng)主要特點是花費少量電能就可以得到幾倍于電能的熱量,同時可以有效地利用低溫熱源,減少集熱面積.這是太陽能采暖的一種有效手段.若與夏季制冷相結合,應用于空調,它的優(yōu)點更為突出.美國、德國、日本等國家對太陽能熱泵采暖系統(tǒng)的研究很重視,不少太陽房應用這種技術.如美國丹佛公共學院北院建筑面積為30000m2,采用太陽能熱泵系統(tǒng),可提供約80%的采暖所需熱量.2.6東南角太陽能基地主動式太陽能建筑目前西北地區(qū)應用還很少,以和西安同屬太陽能第二等級區(qū)的山東濰坊為例來說明.清華大學濰坊太陽能基地為山東省濰坊地區(qū)高密市電業(yè)局辦公樓設計的主動式太陽能系統(tǒng),預計2a內可收回投資.該辦公樓建筑面積