国内外太阳能热水系统应用比较

国内外太阳能热水系统应用比较
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：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)、以色列(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,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。

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。

(2)在国内,一般仅有即时使用型,不考虑蓄热,太阳能利用率较低。

5.2 蓄热方式
常用的蓄热方式有热水蓄热(Hot Water HeatStore)、地下埋管蓄热(Duct Heat Store)、含水层蓄热(Aquifer Heat Store)、砾石/水蓄热(Gravel/Water Heat Store)和井孔蓄热(Borehole WaterHeat Store)等。

6 辅助热源
6.1 热源种类
(1)根据对73个欧洲项目的统计分析,采用天然气36项、区域热网17项、燃油9项、电4项、液化气3项、木材2项、液化气和木材1项、燃油和木材1项。

其中,直接加热28项,通过蒸汽锅炉加热14项,通过热水锅炉加热7项。

(2)国内辅助热源的种类基本与国外相同,但小型家用太阳能热水器常用电作辅助热源。

6.2 运行方式
在56个欧洲项目中,与辅助热源分开运行的有36项,同时运行的有20项。

7 集热器与建筑物的结合
(1)在国外,普遍采用工厂预制的模块化集热器和太阳能屋顶,现场安装方便,可与建筑物有机结合,构成完整的建筑墙(屋)面,已形成了以集热器代替建筑墙(屋)面部件的发展趋势。

部分产品的颜色已能做到与建筑墙(屋)面基本接近(见图5)。

(2)在国内,集热器一般与建筑物结合较差。

8 运行控制
(1)在国外,绝大部分已采用自动控制。

相当多的工程已能根据太阳辐照量实时监控系统的运行,部分工程已能实现远程控制、多点控制或由能源公司集中控制。

主要的监测数据有:太阳辐照量、太阳辐照温度、用水量、热水温度、蓄热和储热水箱温度、区域热网接入温度等
(2)在国内,这方面相对要差一些。

9 激励政策
(1)在国外,主要的财政激励政策有:补贴、减免税收、低息贷款和第三方融资等。

例如,以色列1980年开始实施强制法规,规定任何高度低于27 m
的新建建筑必须安装太阳能热水系统。

依照European Solar Industry Federation“Solar Thermal in Europe Grows Significantly”20/12/2006的
要求,西班牙2006年实施太阳能法令,规定在全国范围内新建、改建建筑必须安装太阳能热水系统。

根据对60个欧洲项目的统计,有财政激励的47项,补贴比例从2%至100%。

(2)在国内,2005年2月通过《可再生能源法》。

青岛、嘉兴等地方政府已要求新建建筑在规划、设计时必须统一考虑太阳能热水器的应用,为太阳能热水器预留管路和安装位置。

10 结论作为节能减排的重要措施,国内外在太阳能热水系统的应用上作了大量的实践与研究,有许多值得我们去学习和思考的经验,特别是在集热、传热、蓄热、集热器与建筑物的结合、运行控制等领域还有很多内容需要作进一步探索。

参考文献
1 GB 50364—2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范
2 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.北京:化学工业
出版社,2006
3 国家住宅与居住环境工程技术研究中心.住宅建筑太阳能热水系
统整合设计.北京:中国建筑工业出版社,2006
4 丁国华主编.太阳能建筑一体化研究、应用及实例.北京:中国建
筑工业出版社,2007
5 International Energy Agency.SOLAR HEAT WORLDWIDE。