国内外太阳能热水系统应用比较
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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