太阳能在采暖领域中的应用

太阳能在采暖领域中的应用

1太阳能与新能源随着人类生产和生活水平的提高，世界能源消耗显著增加。根据有关文献记载,1965年能源消耗量比1900年增长了6倍,而2000年比1965年又增长了4.5倍。过去的能源主要来自矿物燃料,但矿物燃料的储量是有限的,世界石油的储量只能维持几十年,因此人们不得不逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上去。太阳能是无穷无尽的、可再生的清洁能源。我国太阳能资源十分丰富,可开发的太阳能资源折合标准煤每年可达1.43亿t,全国有2/3以上的地区,年辐照量大于5020MJ/m2,年日照时数在2000h以上,表1为我国太阳能热能等级表。我国华北、西北冬季室外温度一般在-10℃以上,所需的采暖热负荷较小。而上述这些地区大部分都拥有十分丰富的太阳能资源,这就为充分利用太阳能资源提供了优越的条件。因此,在上述地区利用太阳能作为采暖能源有着非常广阔的前景。2太阳能加热系统(1)图1显示了太阳能加热系统的示意图(2)太阳能采暖系统热泵系统采用热管集热器以防冻,集热器水箱中充满软化水以避免发生结垢或腐蚀现象,水箱的外面包聚氨酯以保温。所以,集热器实际上相当于一个蓄热水箱。夏季运行时,阀2开启,阀l关闭,除水泵1外其余部件均停止运行。集热器中的热水通过热交换器加热生活用水。冬季运行时,阀1开启,阀2关闭,热泵每天夜间(晚7:00~早7:00)运行,可以充分利用低谷电,将运行费用降低一半以上。白天,水泵1、水泵2停止运行,热管集热器吸收太阳能,到傍晚可将水箱中的水加热到20℃左右。在夜间,水泵1、水泵2起动,集热器中的温水经过热泵将另一侧的软化水加热到55℃左右。热泵的两侧均采用软化水以避免热泵发生结垢或腐蚀现象。由于集热器中的水温随季节变化较大,所以热泵应采用变频调速技术以保证2侧的出口水温始终保持在55℃左右。2侧的蒸馏水经过蓄热器将热量储存起来供采暖设备使用。蓄热材料采用Na2SO4·5H2O,并加入4%的硼砂作为核生成物,其混合融点大约为46℃。采暖水通过蓄热器一般可加热到40℃左右,基本可以满足西北、华北地区各种采暖的需求,也可以满足东北地区无人变电站、办公室的采暖需求。水泵3一般不停运,但是当室内温度高于18℃时停止运行,当室内温度低于14℃时恢复运行。当热管集热器中的水温低于5℃时电加热器l投入运行以避免发生冻结。当热泵发生故障时电加热器2投入运行以保障蓄热要求。当天气特殊寒冷时,电加热器3投入运行以保障室内温度的要求。热泵的供热系数至少可以达到3,也就是说耗费1kW电能可以产生3kW热量。再加上热泵是在夜间运行,其运行费用只有平价电的一半左右。所以,这套供热系统的运行费用只是普通电采暖的1/6左右,也远低于燃煤的费用,而且没有环境污染,太阳能来源免费而且充足。所以,这种采暖系统应该具有良好的市场前景。在这套采暖系统中,热管集热器和蓄热器的设计是关键,下面分别进行详细介绍。3热管集热器的优点热管集热器与常规的真空玻璃管集热器的结构有所不同,如图2、图3所示。普通真空玻璃管集热器有三大缺点:第一,抗冻性不好,不适用于严寒地区;第二,玻璃管强度不好,易碎;第三,管内容易沉积水垢,影响传热。而热管集热器采用碳钢—无水甲醇组成的热管,制作方便,造价低。甲醇的凝固点低,即使在-40℃时也不会冻结,运行安全可靠。而且碳钢和无水甲醇完全相容,不会产生污染,寿命在20年以上。白天,热管接受阳光的辐射热,将热量传入水箱加热给水。到了夜间,由于热管逆向不工作,所以水箱中的热量不会散失。水箱内部材料可用不锈钢,外材料为铝,保温材料为l00mm厚的聚氨酯以确保水箱在夜间不冻结。由于热管由碳钢管制成,所以强度高,彻底解决了因震动、碰撞、下冰雹等原因而导致的集热管破裂问题。4其他蓄热材料蓄热器的结构如图4。蓄热材料采用Na2SO4·5H2O,并加入4%的硼砂作为核生成物,其混合融点大约为46℃。由于Na2SO4·5H2O的融解热远高于水的比热(约为水的50倍),所以用Na2SO4.5H2O做蓄热材料可以大大减小蓄热装置的体积,节省大量的设备投资。来自热泵的高温水(55℃)通过热管1加热蓄热材料使其融化,蓄热材料通过热管2加热采暖水(40℃)供用户使用。采用热管做传导元件与采用盘管相比不但可以减少阻力,提高传热效率,还可以降低造价可谓一举两得。5节省投资,运行费用低太阳能采暖系统和地热采暖系统相比有许多优点:(1)不需要打井,节省大量初投资;(2)不需要复杂的水处理设备,节省投资且