董嘯

摘 要：為了解決當(dāng)前社會(huì)的能源供需矛盾和提高人們的日常生活水平，研究了一種由太陽能采暖輔助的電加熱器系統(tǒng)，探討了其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后給出了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了可行性分析。

關(guān)鍵詞：太陽能采暖 ?電加熱器系統(tǒng) ?集熱器 ?電鍋爐

中圖分類號(hào)：TM925.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0029-02

隨著我國GDP總量的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的逐步提高，環(huán)境污染、資源匱乏、能源供需不足等問題日益凸顯。特別是在加快城鎮(zhèn)化建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，我國對(duì)能源的需求是巨大的。因此，為了解決以上問題，減少不可再生能源的消耗和加快可再生新能源的開發(fā)已成為時(shí)代的必要。

1 我國的太陽能資源

太陽能作為一種清潔綠色能源，是人類開發(fā)較早的可再生能源之一[1-2]。由于我國的太陽能資源十分豐富，陸地面積上每年獲得的太陽輻射總量在3.3×103﹏8.4×103MJ/（m2.a）之間，相當(dāng)于2.4×104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國有2/3以上的地區(qū)光照時(shí)間長，輻射總量大，這為較好地利用太陽能資源創(chuàng)造了先決條件。我國的太陽能資源區(qū)基本上可以劃分為四個(gè)等級(jí)，分別是：資源豐富區(qū)（I區(qū)）、資源較豐富區(qū)（II區(qū)）、資源可利用區(qū)（III區(qū)）、資源貧乏區(qū)（IV區(qū)）（如圖1所示）。從圖1可知，我國的青藏高原、內(nèi)蒙古高原、新疆東南、寧夏北部、甘肅西部地區(qū)由于太陽能總轄射量和日照小時(shí)數(shù)均為全國最高，屬于太陽能資源豐富地區(qū);中部、東部、南部及東北等其它地區(qū)為資源較富區(qū)或一般區(qū);四川盆地、貴州為資源貧乏區(qū)。

目前，雖然利用太陽能加熱的熱水器具有較高的價(jià)格、易受外界氣溫和氣候變化的影響，但是隨著科技水平的發(fā)展和資源能源的不足，太陽能熱水器憑借自身無耗能、無污染、經(jīng)濟(jì)安全的優(yōu)勢，在市場上越來越受到歡迎。因此，如果在我國太陽能資源比較充足的地域利用太陽能來采暖供熱的話，這樣不僅大大可以方便人們的日常生活，而且還可以降低不可再生能源的消耗，減少污染物的排放，改善環(huán)境的質(zhì)量。因此該項(xiàng)目的實(shí)施可以達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、衛(wèi)生的目的，對(duì)在我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。（見圖1）

2 太陽能采暖輔助電加熱器系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

歐美國家在太陽能技術(shù)的研發(fā)和利用方面上起步較早，一些利用先進(jìn)的太陽能技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在在人們?nèi)粘５纳钪械玫饺娑墒斓氖褂?，而我國相?duì)在太陽能資源方面的利用率還比較低，這主要取決于一些方面的先進(jìn)技術(shù)還不夠完善與成熟[3]。因而我們需要在學(xué)習(xí)國外的有關(guān)產(chǎn)品成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，加快自主研發(fā)和科技創(chuàng)新，最終使我國的太陽能資源較好的為國民生活和國家可持續(xù)戰(zhàn)略服務(wù)。

2.1 國外研究現(xiàn)狀與分析

歐洲、北美對(duì)太陽能熱水供應(yīng)和采暖系統(tǒng)的工程應(yīng)用已經(jīng)歷經(jīng)幾十年歷史。自從20世紀(jì)50年代，歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)制造出成熟而實(shí)用的單晶硅電池以及選擇性太陽吸收涂層等產(chǎn)品。于是，太陽能在居民熱水供應(yīng)、市政熱水供應(yīng)、市政采暖、太陽能發(fā)電開始得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代，國外安裝太陽能熱水器面積大約為45萬m2。近年來，國外在建筑物外體上加大對(duì)太陽能熱利用，這樣既提高了集熱效率，同時(shí)又提升了在居民生活中太陽能資源的利用率。例如，以色列以及日本等發(fā)達(dá)國家通過這種方式利用太陽能熱水器的用戶分別達(dá)到了80%和20%。

在最近十多年期間，一些利用太陽能供熱的大型采暖系統(tǒng)包括區(qū)域供熱系統(tǒng)等工程應(yīng)用也得到了較大的進(jìn)展，其中，瑞典、丹麥、法國、德國等發(fā)達(dá)國家在這方面技術(shù)應(yīng)用最成熟。例如，在丹麥王國，竣工于1996年的MARSTAL太陽能采暖供熱工程是目前最大的利用太陽能采暖供熱的系統(tǒng)。另外，在對(duì)太陽能組合系統(tǒng)的研究與應(yīng)用上，法國開始相對(duì)較早，1985年左右就成功研制出直接地板系統(tǒng)。相比法國，德國等其他西方國在90年代也研發(fā)出各具特色的相關(guān)類型的組合系統(tǒng)。在這之后，世界各國的專家與學(xué)者對(duì)這些不同特點(diǎn)的利用太陽能資源的組合系統(tǒng)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和分析，從而形成了一套完整的利用太陽能采暖供熱的技術(shù)與理論，從而為太陽能系統(tǒng)在世界上各個(gè)地方成功推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與分析

20世紀(jì)80年代，太陽能熱水器作為一個(gè)新興的新能源產(chǎn)業(yè)開始在我國出現(xiàn)。中國政府對(duì)新能源和可再生能源的開發(fā)利用在政策法規(guī)、研究開發(fā)、隊(duì)伍建設(shè)等方面都給予了高度重視和大力支持，經(jīng)過我國科學(xué)技術(shù)人員的努力，使我國的太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)不斷壯大。至2004年底，我國的太陽能熱水器的使用量為6.5×107 m2，占世界使用量的40%;2005年，我國的太陽能熱水器年生產(chǎn)量為1.5×107 m2，為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

最近十幾年間， 隨著國家對(duì)便民惠民等服務(wù)工程的投資的增多，我國加大了對(duì)西部及其東北部等寒冷地區(qū)太陽能采暖供熱工程的建設(shè)，在許多區(qū)域新建了大量的太陽能采暖房，雖然相比普通建筑，太陽能采暖房的投資相對(duì)較大，但是由于利用太陽能供熱，在降耗節(jié)能方面卻很有成效，一般來說，可達(dá)到50%的節(jié)能率。如果對(duì)太陽能的利用率處于全壽命周期內(nèi)，其投資回收的周期也相對(duì)較短，基本上低于10年。然而，伴隨著技術(shù)的不成熟和不完善，傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)在夏季將仍然存在過熱的缺點(diǎn)。在利用太陽能采暖供熱的技術(shù)應(yīng)用上，我國盡管有所進(jìn)步，在小型的太陽能采暖供熱工程上取得了較為成熟的發(fā)展，但是，由于目前剛剛處于起步階段，在大型的太陽能采暖供熱工程上尚存在許多的問題與不足。但值得關(guān)注的是，太陽能區(qū)域供熱采暖、跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)被列入“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目中，旨在解決太陽能采暖時(shí)出現(xiàn)的弊端[4]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)的主要配置

電鍋爐（內(nèi)置板式換熱器）一臺(tái)、板式太陽能、系統(tǒng)控制器、采暖供熱裝置。

3.2 太陽能采暖輔助電加熱器系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

燃?xì)獗趻鞝t供熱方式可以表述為用功率足夠大的壁掛爐為各個(gè)單元住宅供熱和供應(yīng)生活熱水?？杀趻焓饺?xì)鉅t可以方便安裝在廚房內(nèi)，像安裝了一個(gè)比較大一些的燃?xì)鉄崴饕粯樱捎谠撛O(shè)備小巧美觀，它并不占用廚房的使用面積。它具有以下特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)是便于單戶計(jì)量，可使用磁卡燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)用熱分戶計(jì)量，這樣就可以解決供暖費(fèi)常年虧欠的問題，第二個(gè)特點(diǎn)是節(jié)約能源，由于沒有鍋爐房﹑二次換熱﹑外網(wǎng)及樓內(nèi)管道等熱損失，基本上可節(jié)約熱能7%左右。另外，輔助太陽能采暖系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行方式，這種方式致使它的實(shí)際的使用效率并不高，運(yùn)行費(fèi)用也比較低。

如果建筑物的墻體采用復(fù)合節(jié)能墻體的話，比如“聚苯板粘貼外墻保溫體系”，對(duì)外圍墻體采用保溫措施后，鑒于內(nèi)部的實(shí)體墻具有較大的熱容量，室內(nèi)可以蓄存更多的熱量，使太陽能輻射或間歇采暖造成的室內(nèi)溫度變化減緩，因此室溫相對(duì)較為穩(wěn)定，于是生活環(huán)境也較為舒適，這也使太陽能輻射的熱量﹑人體的散熱量﹑家用電器及炊事的散熱量等因素產(chǎn)生的“自由熱”得到很好的利用，從而有利于節(jié)能。

根據(jù)戶型面積大小，采暖面積不大可選擇壁掛爐，采暖面積大可選擇電鍋爐。電鍋爐實(shí)現(xiàn)采暖和熱水需求，太陽能系統(tǒng)起到輔助加熱生活熱水，當(dāng)太陽能系統(tǒng)熱量不夠時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)鍋爐加熱，如果太陽能提供的熱量可達(dá)到設(shè)定溫度，鍋爐會(huì)自動(dòng)停止加熱，最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。太陽能控制器可聯(lián)動(dòng)控制太陽能和電鍋爐工作，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱水，每個(gè)用水點(diǎn)熱水即開即熱，避免水浪費(fèi)。

3.3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提供采暖的同時(shí)還可提供生活循環(huán)熱水。

（2）利用免費(fèi)太陽能，是人類的夢想。長期以來，只能使用太陽能熱水器和鍋爐簡單對(duì)接，夏天冬天要手動(dòng)轉(zhuǎn)換，冬天只能靠電鍋爐系統(tǒng)加熱，不但不能利用太陽能，反而要防止電鍋爐加熱的高溫?zé)崃繌奶柲馨迳l(fā)掉，不小心還會(huì)造成太陽能溢水。

（3）電鍋爐與太陽能結(jié)合功能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)和電鍋爐無縫對(duì)接，冬夏都能充分利用太陽能加熱生活熱水，只有太陽能嚴(yán)重不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)鍋爐加熱。充分利用太陽能，節(jié)能率可達(dá)30%～90%。

4 結(jié)語

由于我國的太陽能資源相對(duì)豐富，許多地區(qū)的地理環(huán)境都適宜利用太陽能來為民造福，尤其是西北﹑東北等區(qū)域，兼具有漫長寒冷的冬季和充足而長時(shí)間的光照量，因此為了改善民生，提高人們的生活水平和質(zhì)量，應(yīng)充分利用太陽能這種清潔的可再生能源，減少對(duì)不可再生資源的浪費(fèi)，這樣既避免了污染，又降低了能耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 張思思，董重成，陳玲.太陽能散熱器采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，劉君，蘆潮.太陽能采暖技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：167-170.

[3] 陳晨.太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[D].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)位論文，2013.

[4] 崔明珠.東北地區(qū)村鎮(zhèn)住宅太陽能采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2011.

3.2 太陽能采暖輔助電加熱器系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

燃?xì)獗趻鞝t供熱方式可以表述為用功率足夠大的壁掛爐為各個(gè)單元住宅供熱和供應(yīng)生活熱水。可壁掛式燃?xì)鉅t可以方便安裝在廚房內(nèi)，像安裝了一個(gè)比較大一些的燃?xì)鉄崴饕粯樱捎谠撛O(shè)備小巧美觀，它并不占用廚房的使用面積。它具有以下特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)是便于單戶計(jì)量，可使用磁卡燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)用熱分戶計(jì)量，這樣就可以解決供暖費(fèi)常年虧欠的問題，第二個(gè)特點(diǎn)是節(jié)約能源，由于沒有鍋爐房﹑二次換熱﹑外網(wǎng)及樓內(nèi)管道等熱損失，基本上可節(jié)約熱能7%左右。另外，輔助太陽能采暖系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行方式，這種方式致使它的實(shí)際的使用效率并不高，運(yùn)行費(fèi)用也比較低。

如果建筑物的墻體采用復(fù)合節(jié)能墻體的話，比如“聚苯板粘貼外墻保溫體系”，對(duì)外圍墻體采用保溫措施后，鑒于內(nèi)部的實(shí)體墻具有較大的熱容量，室內(nèi)可以蓄存更多的熱量，使太陽能輻射或間歇采暖造成的室內(nèi)溫度變化減緩，因此室溫相對(duì)較為穩(wěn)定，于是生活環(huán)境也較為舒適，這也使太陽能輻射的熱量﹑人體的散熱量﹑家用電器及炊事的散熱量等因素產(chǎn)生的“自由熱”得到很好的利用，從而有利于節(jié)能。

根據(jù)戶型面積大小，采暖面積不大可選擇壁掛爐，采暖面積大可選擇電鍋爐。電鍋爐實(shí)現(xiàn)采暖和熱水需求，太陽能系統(tǒng)起到輔助加熱生活熱水，當(dāng)太陽能系統(tǒng)熱量不夠時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)鍋爐加熱，如果太陽能提供的熱量可達(dá)到設(shè)定溫度，鍋爐會(huì)自動(dòng)停止加熱，最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。太陽能控制器可聯(lián)動(dòng)控制太陽能和電鍋爐工作，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱水，每個(gè)用水點(diǎn)熱水即開即熱，避免水浪費(fèi)。

3.3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提供采暖的同時(shí)還可提供生活循環(huán)熱水。

（2）利用免費(fèi)太陽能，是人類的夢想。長期以來，只能使用太陽能熱水器和鍋爐簡單對(duì)接，夏天冬天要手動(dòng)轉(zhuǎn)換，冬天只能靠電鍋爐系統(tǒng)加熱，不但不能利用太陽能，反而要防止電鍋爐加熱的高溫?zé)崃繌奶柲馨迳l(fā)掉，不小心還會(huì)造成太陽能溢水。

（3）電鍋爐與太陽能結(jié)合功能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)和電鍋爐無縫對(duì)接，冬夏都能充分利用太陽能加熱生活熱水，只有太陽能嚴(yán)重不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)鍋爐加熱。充分利用太陽能，節(jié)能率可達(dá)30%～90%。

4 結(jié)語

由于我國的太陽能資源相對(duì)豐富，許多地區(qū)的地理環(huán)境都適宜利用太陽能來為民造福，尤其是西北﹑東北等區(qū)域，兼具有漫長寒冷的冬季和充足而長時(shí)間的光照量，因此為了改善民生，提高人們的生活水平和質(zhì)量，應(yīng)充分利用太陽能這種清潔的可再生能源，減少對(duì)不可再生資源的浪費(fèi)，這樣既避免了污染，又降低了能耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 張思思，董重成，陳玲.太陽能散熱器采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，劉君，蘆潮.太陽能采暖技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：167-170.

[3] 陳晨.太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[D].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)位論文，2013.

[4] 崔明珠.東北地區(qū)村鎮(zhèn)住宅太陽能采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2011.

3.2 太陽能采暖輔助電加熱器系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

燃?xì)獗趻鞝t供熱方式可以表述為用功率足夠大的壁掛爐為各個(gè)單元住宅供熱和供應(yīng)生活熱水?？杀趻焓饺?xì)鉅t可以方便安裝在廚房內(nèi)，像安裝了一個(gè)比較大一些的燃?xì)鉄崴饕粯?，由于該設(shè)備小巧美觀，它并不占用廚房的使用面積。它具有以下特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)是便于單戶計(jì)量，可使用磁卡燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)用熱分戶計(jì)量，這樣就可以解決供暖費(fèi)常年虧欠的問題，第二個(gè)特點(diǎn)是節(jié)約能源，由于沒有鍋爐房﹑二次換熱﹑外網(wǎng)及樓內(nèi)管道等熱損失，基本上可節(jié)約熱能7%左右。另外，輔助太陽能采暖系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行方式，這種方式致使它的實(shí)際的使用效率并不高，運(yùn)行費(fèi)用也比較低。

如果建筑物的墻體采用復(fù)合節(jié)能墻體的話，比如“聚苯板粘貼外墻保溫體系”，對(duì)外圍墻體采用保溫措施后，鑒于內(nèi)部的實(shí)體墻具有較大的熱容量，室內(nèi)可以蓄存更多的熱量，使太陽能輻射或間歇采暖造成的室內(nèi)溫度變化減緩，因此室溫相對(duì)較為穩(wěn)定，于是生活環(huán)境也較為舒適，這也使太陽能輻射的熱量﹑人體的散熱量﹑家用電器及炊事的散熱量等因素產(chǎn)生的“自由熱”得到很好的利用，從而有利于節(jié)能。

根據(jù)戶型面積大小，采暖面積不大可選擇壁掛爐，采暖面積大可選擇電鍋爐。電鍋爐實(shí)現(xiàn)采暖和熱水需求，太陽能系統(tǒng)起到輔助加熱生活熱水，當(dāng)太陽能系統(tǒng)熱量不夠時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)鍋爐加熱，如果太陽能提供的熱量可達(dá)到設(shè)定溫度，鍋爐會(huì)自動(dòng)停止加熱，最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。太陽能控制器可聯(lián)動(dòng)控制太陽能和電鍋爐工作，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱水，每個(gè)用水點(diǎn)熱水即開即熱，避免水浪費(fèi)。

3.3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提供采暖的同時(shí)還可提供生活循環(huán)熱水。

（2）利用免費(fèi)太陽能，是人類的夢想。長期以來，只能使用太陽能熱水器和鍋爐簡單對(duì)接，夏天冬天要手動(dòng)轉(zhuǎn)換，冬天只能靠電鍋爐系統(tǒng)加熱，不但不能利用太陽能，反而要防止電鍋爐加熱的高溫?zé)崃繌奶柲馨迳l(fā)掉，不小心還會(huì)造成太陽能溢水。

（3）電鍋爐與太陽能結(jié)合功能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)和電鍋爐無縫對(duì)接，冬夏都能充分利用太陽能加熱生活熱水，只有太陽能嚴(yán)重不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)鍋爐加熱。充分利用太陽能，節(jié)能率可達(dá)30%～90%。

4 結(jié)語

由于我國的太陽能資源相對(duì)豐富，許多地區(qū)的地理環(huán)境都適宜利用太陽能來為民造福，尤其是西北﹑東北等區(qū)域，兼具有漫長寒冷的冬季和充足而長時(shí)間的光照量，因此為了改善民生，提高人們的生活水平和質(zhì)量，應(yīng)充分利用太陽能這種清潔的可再生能源，減少對(duì)不可再生資源的浪費(fèi)，這樣既避免了污染，又降低了能耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 張思思，董重成，陳玲.太陽能散熱器采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（35）：173-177.

[2] 朱敦智，劉君，蘆潮.太陽能采暖技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：167-170.

[3] 陳晨.太陽能供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[D].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)位論文，2013.

[4] 崔明珠.東北地區(qū)村鎮(zhèn)住宅太陽能采暖與熱水供應(yīng)技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2011.