王 虎 侠
(恒大地产集团太原有限公司，山西 太原 030002)
山西太阳能供热领域应用分析
王 虎 侠
(恒大地产集团太原有限公司，山西 太原 030002)
介绍了山西省太阳能利用的地域优势及政策环境,探讨了太阳能采暖系统被动和主动方式实施方法，并着重对被动阳光暖房和较为典型的主动式太阳能采暖系统进行了研究,为太阳能光热系统的开发利用奠定了基础。
光热转换，太阳能，采暖系统，被动式，主动式
太阳能是由太阳内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，是来自太阳的辐射能量。太阳能的利用有利用光热转换和光电转换两种方式。太阳能的光热转换是太阳能采暖系统的核心技术，随着太阳能热水器在山西省的大量使用及相关政府机构出台的太阳能利用的相关政策及太阳能光热转换设备的成熟，太阳能采暖系统在山西省的发展具有了非常好的平台，一定会有长足的发展。建筑用能是指建筑使用过程中的能耗，而采暖空调能耗在建筑能耗所占比例高达65%。另有数据显示，小城镇和农村的建筑在全社会建筑中所占比重超过70%。全年供热水和冬季采暖占整年能源消耗的70%左右。太阳能作为一种取之不竭的清洁可再生能源，已逐步被人类社会重视和开发。太阳能光热系统的开发和利用对满足清洁能源需要、优化环境、实现可持续发展具有重要作用。
1 地域优势
按照太阳能资源区划分，山西省91%的地区为资源很丰富区，其中大部分地区全年日照数在2 600 h以上，有约1/3的地区在2 800 h以上。全省年总辐射量介于5 020 MJ/m2～6 110 MJ/m2之间，平均在5 440 MJ/m2以上。对太阳能利用有着非常好的地理条件。
2 政策环境
1)2008年9月25日山西省第十一届人民代表大会常务委员会第六次会议通过《山西省民用建筑节能条例》明确扶持太阳能等可再生能源在民用建筑中的应用并规定新建民用建筑的建设单位，应当根据建筑项目所在地的实际情况，优先选择太阳能、浅层地能和再生水源等可再生能源，用于采暖、制冷、照明和热水供应等。
2)2011年4月25日《山西省住房和城乡建设厅 关于加快推进太阳能光热建筑应用的通知》要求自2011年6月1日起，在全省城镇范围内的新设计要强制推广应用太阳能光热系统，旧的建筑也在大力改造，强制推广的光热转换内容主要是太阳能热水系统，推广的范围非常大，不仅包括公共建筑的供热水系统，也包括居住建筑的热水需求。
3)2013年8月23日《山西省开展绿色建筑行动实施意见》指出要大力推广太阳能热利用：太阳能热水系统依然是强制推广的内容。提出要积极推进被动式太阳能采暖的要求。要求因地制宜，不仅在主动太阳能采暖系统上做文章，更要在前期建筑结构设计综合考虑，这将在城市集中供热尚未覆盖的区域和新农村建设中发挥重大作用。意见内容还提出了实施太阳能屋顶计划，其主要目的还是要提高建筑的日照面的使用率，发挥其在节能方面的作用。
从山西各节能政策相关文件中我们可以看到，在技术成熟的太阳能热水系统已强制推行的节能大环境中，太阳能采暖也成为积极推进的内容。
3 太阳能应用分析
太阳能暖房的总体设计考虑一方面是要增大从太阳辐射取得的热量，另一方面减少围护结构的热损失，以便达到更好的采暖效果。
1)要从建筑和结构方面考虑，即所谓被动式太阳房。被动式太阳房主要根据当地气候条件，从建筑结构设计方面来实现对太阳能直接利用，是一种完全依靠自然动力实现的采暖方式。它不需要安装复杂的太阳能设备，也无需循环动力设备，完全依靠建筑结构造成的吸热、隔热、保温、通风等特性，来达到室内舒适温度的目的。由于被动式太阳房不另设采暖通风系统，所以它是非常经济的且有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个非常重要的方面。因为缺少了可及时调节的控制系统，主动调节性差是此方式的最大弊端。虽然在建筑结构方面采用了各种措施，被动式太阳房内部空间的温度仍然从根本上受制于室外温度。当太阳能辐射不能满足建筑的使用功能时，还是要采用一些辅助能源的补充；在外界出现极端天气情况下，无法人为构造温度适宜的环境；即使在正常情况下，早、中、晚室内气温差别也很大。与现代人回归自然的理念相吻合大环境下，对于崇尚自然的用户，以及山西广大无采暖条件的农村地区，由于它简易可行、绿色环保，造价不高，推广前景是非常乐观的。
从利用太阳能的方式来划分，被动式太阳房的类型大致有如下几种：
第一，直接受益式：让太阳光通过建筑围护结构中的透光材料直接进入室内，对室内物品和空间进行加热。对山西地区来讲，建筑的屋面、南立面及其上门窗是获取太阳辐射的通道。这就要考虑两方面的问题，一是辐射通道的面积，二是辐射通道的透光率。这就要权衡屋面和南立面围护结构材料选择，既要有良好的隔热保温性能，又要有良好的透光性，让热量进的来，出不去。也可以考虑再加装活动屋面和南立面，有日照的时间开启，无日照的时间关闭。
第二，集热墙式：集热墙是利用阳光照射到外面有玻璃罩的深色蓄热墙体上，加热透明盖板和厚墙外表面之间的夹层空气，通过热压作用使空气流入室内向室内供热，同时墙体本身直接通过热传导向室内放热并储存部分能量，夜间墙体储存的能量释放到室内；另一方面，集热墙通过玻璃盖层等将热量以传导、对流及辐射的方式损失到室外。集热墙式太阳房非常适用于山西太阳能资源丰富、昼夜温差比较大的地区，它将大大改善该地居民的居住环境，减少这些地区的采暖能耗。
第三，附加阳光间式，附加阳光间是由直接受益式和集热墙式组合而成的组合式系统。其基本结构是在生活建筑建设进程中，在其南侧加设独立的阳光间。生活房间和阳光间由隔墙隔开，通过隔墙上的门窗洞口进行热量传递。附加阳光间承担对太阳能的收集和蓄热作用，同时又可以作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使生活建筑物获得一个温和的环境。阳光间通过直接受益系统的作用直接得到太阳的照射和加热，当阳光间内空气温度大于生活房间温度时，隔墙上的门窗洞口开启，将阳光间的热量通过对流传入生活的房间，当室外无阳光时，隔墙上的门窗洞口关闭，阳光间将生活房间与外界分隔开，阳光间很大程度上减少生活房间的热损耗。《山西省开展绿色建筑行动实施意见》中还涉及一些为发展太阳能利用而制定的优惠条件，是对太阳能利用技术在建筑领域的大力支持，也说明这种节能方式在山西有相当的认可度。
其他形式还有水墙式和屋顶水池式，相对上述三种形式实现起来较为复杂，可以作为一种参考方案进行讨论和研究，暂不具备大面积实施的条件。
2)在被动式太阳房基础上增设或者独立安装太阳能供热系统即所谓的主动式太阳房。主动式太阳能供热系统是采用高效太阳能集热器以及电动力循环系统来完成采暖过程，系统运转中需要消耗一定电能，但采暖热量来自太阳辐射。
主动式太阳能供热系统与传统意义上的采暖区别根本上是热源的不同。
利用太阳能光热转换设备和蓄热设备的典型方式,这种方式对于强制推广太阳能热水系统的山西省来讲，是很值得关注的一种思路，在生活热水系统中加入采暖系统，同时满足室内的采暖要求，并在蓄热水箱加装辅助热源系统以保证采暖的稳定性。太阳能热板进行光热转换的单位热值相对固定，可以加大太阳能集热器的面积获取更多的热量，作为热水系统和采暖系统共用热源；辅助热源可采取的方式较多，热泵、电加热、燃气等均可考虑。
太阳能采暖系统运行原理见图1。
采暖所用的热媒水在太阳能集热器和采暖水箱之间进行循环加热阶段。在采暖周期内，太阳能集热器所获取的热量通过蓄热水箱用于房间的采暖和生活热水补水的加热。蓄热水箱的作用可以理解为具备可蓄积大量热量的热交换器。蓄热水箱蓄热量越大，则采暖系统和热水系统对辅助热源的依赖程度越小。较理想的情况为有晴朗日照周期内。
有日照太阳能设备收集热量-有日照采暖系统损耗热量-有日照热水系统损耗热量=水箱有日照蓄热量。
无日照周期内：有日照水箱周期蓄热总量=无日照时间周期采暖系统损耗热量-无日照时间周期热水系统损耗热量。
在这种理想平衡状态下，热源全部来自太阳能，且太阳能集热设备的利用率是最高的即太阳能设备收集的热能全部被使用。
辐射到地面的太阳能常受气象条件和季节的影响。考虑到太阳能的这种不稳定性和经济因素，一般的太阳能供热量仅占房屋总热负荷的一部分。因此，无论是采用被动式太阳能采暖系统的建筑物，还是采用主动式的太阳能采暖系统的建筑物，在没有配置足够的蓄热体时，室温波动较大。白天有阳光时，通过各种集热方式，室内温度迅速升高；夜晚室内温度要低得多，连续阴雨天将无法供暖。对于相对采暖要求较高的建筑利用太阳能采暖时，必须配备其他的辅助采暖设施。
选择辅助热源是要综合考虑各项因素：辅助热源有燃油锅炉、燃气炉、生物质锅炉、燃煤锅炉、电加热、热泵等。 其中热泵技术作为太阳能辅助热源使用费用低，控制方便，但设备初投资高，此外山西地区采用空气源热泵在冬季使用能效比很低；而电加热设备易安装，控制方便，是太阳能热水系统最常用的辅助热源，但运行费用较高，有时因需电力增容大大提高系统投资。
4 结语
太阳能采暖的使用应考虑其适用性、功能性、节能最大化及环保和初投资的各种因素，因地制宜的设计保证使用要求的太阳能供热系统。太阳能供热的推广将有助于绿色和节能事业的发展。太阳能采暖大规模使用，这主要是因为现有的太阳能采暖系统的不稳定和太阳能采暖系统及辅助热源投资较高且较复杂。
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Application analysis on Shanxi solar energy heating field
WANG Hu-xia
(Hengda Real Estate Group Taiyuan Limited Company, Taiyuan 030002, China)
This paper introduced the geographical advantage and policy environment of solar energy utilization in Shanxi, discussed the passive and active implementation method of solar energy heating system, and emphatically researched the passive solar greenhouse and typical active solar heating system, laid foundation for the development and utilization of solar energy photo-thermal system.
photo-thermal conversion, solar energy, heating system, passive, active
1009-6825(2014)18-0230-02
2014-04-09
王虎侠(1974- )，男，工程师
TU201.5
A
