探討高寒地區(qū)太陽能與建筑結合模式

摘要：本文概括市場上主要使用的熱水器：電熱水器、燃氣熱水器、普通太陽能熱水器、空氣源熱泵與建筑結合的優(yōu)缺點和以山西大同為例的高寒地區(qū)的氣候狀況，針對大同市區(qū)地理氣候條件，提出了在城市根據樓層的高低采用集中集熱,分戶儲熱式太陽能熱水器和陽臺壁掛式太陽能熱水器。 　　0引言 　　由于化石燃料的枯竭和生態(tài)環(huán)境的污染和破壞，人們尋找綠色能源逐漸代替常規(guī)能源，其中太陽能被看作是最有前途的可持續(xù)新型能源。隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，人口數量的增長，高層建筑群逐漸成為城鎮(zhèn)居民主要的居住模式。那么高層建筑居民使用熱水引起外界的關注，現在市場上主要使用的熱水器：電熱水器，燃氣熱水器，太陽能熱水器，空氣源熱泵。下面結合山西大同市區(qū)的具體地理氣候條件，探討與之能較好匹配的太陽能熱水器類型。 　　1各種熱水器的優(yōu)缺點和山西大同市區(qū)氣候特點 　　1.1各種熱水器的優(yōu)缺點 　　雖然電熱水器能為居民提供生活所需熱水，但是電熱水器結構性能的缺陷和保護措施不當會導致漏電安全事故。常年使用內部零件老化，產品壽命短，占用室內空間。由于大量用電會增加環(huán)境負擔，所以我們努力探求安全的，可持續(xù)的太陽能熱水器。 　　燃氣熱水器使用的燃料是可燃性氣體，它有安全隱患，如果安裝在室內使用時關閉門窗，通風不良，那么會引起CO、煤氣中毒，安裝在室外影響家居空氣質量。 　　因為使用可燃性氣體，他的安裝要求較高，需要在墻上打洞安排氣扇，不同的燃氣，其燃燒器形狀，噴嘴大小，燃氣通道截面積等都不一樣。在使用時要排出大量的廢氣，廢氣中除了CO2以外，還有沒有完全燃燒的產物CO，使用年限比較短，一般是六年左右，并且使用不可再生的一次性燃料，給環(huán)境增加負擔。 　　雖然空氣源熱泵產生多倍熱量，生產足夠的熱水，而且耗電僅有電熱水器的1/4。但是它的體積大，對外界環(huán)境依賴大，一般工作溫度在-5℃～40℃，如果在低于日平均氣溫0℃運行，空氣源熱泵不僅運行不良，穩(wěn)定性差，而且存在結霜問題，效率低并且有噪音，不銹鋼內膽的缺陷一直沒有得到根本性的解決，壓縮機易燒壞等問題。 　　太陽能熱水器把太陽光能轉化成熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產中熱水的使用，太陽能產熱系統(tǒng)是由集熱器，儲水箱，支架以及相關附件組成，其中全集熱器起關鍵的作用，由于受安裝面周圍物的影響，安裝緯度的影響，以及必須考慮寒冷天氣液態(tài)水的熱漲冷縮，防止真空管受冷爆管等，所以我們要努力探求一種更加方便，耐用，安全，節(jié)能，環(huán)保，低碳的新型太陽能熱水器。 　　一般情況下：北方地區(qū)使用太陽能熱水器和電熱水器，南方地區(qū)使用空氣能太陽能熱水器和燃氣熱水器。 　　1.2山西大同市市區(qū)地理氣候條件 　　大同市位于山西省北部大同盆地的中心、黃土高原東北邊緣，屬溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長且寒冷干燥，夏季短暫且溫熱多雨，春秋涼爽，四季分明，晝夜溫差較大。年均氣溫5.5℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-29.1℃，最冷月為1 月份，平均氣溫-11.3℃；年平均降雨量在400mm；無霜期100～156天。東經112°15～114°15，北緯39°00～40°30，平均海拔1056m。 　　1.3山西大同市區(qū)規(guī)劃與建筑節(jié)能相關部分 　　大同市走節(jié)約資源、保護環(huán)境的集約化道路，堅持節(jié)流、開源、保護并重的原則，堅持經濟、社會、人口、資源和環(huán)境相協(xié)調的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型城市。環(huán)境建設同步規(guī)劃，嚴格按照規(guī)劃實施污染物排放總量控制，加強對煙塵、酸雨、污水防治，創(chuàng)造良好的人居環(huán)境。 　　2新型的太陽能熱水器太陽能集熱器的分類及其特點 　　2.1太陽能集熱器的分類及其特點（如表3所示） 　　2.2新型集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器的提出與介紹 　　由于常規(guī)太陽能熱水器與建筑結合容易影響城市美觀，前排熱水器對后排造成的陰影等問題.該系統(tǒng)針對上述問題由黃永年專利集中集熱分戶儲熱的太陽能熱水系統(tǒng)和鄒國營、李建平、王國軍專利“一種全承壓式集中集熱、分戶儲熱系統(tǒng)”結合提出[1-2]。 　　該系統(tǒng)包括：與建筑完美結合的高承壓太陽能集熱器，熱媒輸送裝置，分戶換熱儲熱水箱（設有換熱盤管與電加熱器）太陽能集熱器（內插金屬流道換熱式全玻璃真空管集熱器），在采光條件好的建筑屋頂集中布置，它將收集到的熱量通過熱媒輸送到每戶的分戶換熱儲熱承壓水箱（帶有熱量鎖閉控制功能的換熱儲熱雙源盤管）中以便加熱每戶的冷水。 　　熱媒輸送裝置是連接新型高承壓太陽能集熱器和各分戶換熱儲熱水箱的集熱循環(huán)管路，它由主管和分支連接管構成的等程供水、回水管路，適用于多層、小高層和高層建筑的多點供熱水需求，能夠很好的解決分戶計量收費管理問題。因為真空管里設置帶換熱翅片的金屬流道，所以它高承壓、可靠，即使個別真空管破裂，系統(tǒng)照常工作，比較安全。 　　由于真空管里沒有水，所以它不可能結垢，不爆管，防凍在較低溫度下可以工作，質量較輕，可以在大跨度網架結構平屋面，拱形屋面以及彩鋼板屋面安裝。集熱器的擺放角度范圍廣，與建筑外型可以完美結合如圖1。 　　真空管集熱器集中集熱，根據每一戶水箱的需熱量利用智能控制儀將熱量均衡的輸送到水箱，再利用介質水流經換熱盤管加熱水箱，如遇到陰天，雨雪天電加熱器加熱水箱。自來水從水箱底部流入，熱水從水箱上部頂出。該系統(tǒng)集熱器只傳遞熱量不傳遞熱水，這樣就不需要水泵，減少能量損耗，減輕設計質量。 圖1集熱器平鋪在屋頂 　　2.3陽臺壁掛式平板太陽能熱水器的提出與工作原理 　　因為傳統(tǒng)的太陽能熱水器很不適合在高層屋面上安裝[3]：第一安裝在高層住宅屋頂的太陽能熱水器存在管線過長，散熱量過大的因素，對于住在高層住宅低區(qū)的住戶，安裝這種太陽能熱水器顯然存在技術難題；第二由于樓層過高，屋頂面積不足以提供足夠的安裝熱水來滿足整棟樓居民使用。所以將太陽能集熱器安裝在住宅樓的陽臺。第三由于傳統(tǒng)的熱水器容易冬天凍管，夏天炸管，根本不適合安裝在陽臺上。陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)，實現建筑與太陽能完美結合。 　　陽臺平板壁掛式太陽能熱水器[4]通過安裝在陽臺外的集熱器吸收太陽光，將光能轉化為熱能，熱能傳導到集熱器的銅管，加熱導管介質，導管介質由于溫度升高，密度減小，就會產生上升的動力被加熱的導熱介質通過集熱器與儲熱水箱的連接管進入水箱，加熱水箱的水，溫度降低后重力流回集熱器再加熱。 　　對太陽能熱水器中的循環(huán)系統(tǒng)所做的創(chuàng)新[5]，產生熱水流入水箱，散熱損失較小，故障率低，便于維護與修理。 　　它的優(yōu)點： 　　第一，整個熱水過程，不進水，不出水，不會出現冬天爆管夏天炸管。 　　第二，管道中不會形成結垢，熱水流出不會污染。 　　第三，因為集熱器與儲水箱分離，所以該熱水器安裝能實現隨意性與美觀性。與建筑完美的結合。  　　2.4城鎮(zhèn)的建筑模型 　　隨著國家城鎮(zhèn)化速度的加快，大同市區(qū)人口越來越多，土地價格上漲，人口聚集型小區(qū)，水泥澆灌式高樓逐漸成為趨勢如圖3，太陽能與建筑的結合與集成逐漸受到人們的重視。建筑屋頂與墻面，主要包括屋頂設備房的頂部與設備房的南面與西面和墻面的南面與西面給太陽能熱水系統(tǒng)提供了場地。 　　3城市PIBV/T 系統(tǒng)的安裝 　　3.1新型太陽能熱水器與建筑結合的方式 　　隨著建筑樓層的增高與人們生活水平的提高，居民對生活用水的需求量越來越大，特別在我國發(fā)達地區(qū)的住宅中其生活用水能耗已占建筑總能耗的20%左右，由于高層建筑的底部容易受其他建筑、設施、樹木遮蔭，所以高層與超高層樓群安裝集中集熱，分戶儲熱熱水器首先滿足低層居民，在高層居民使用平板型陽臺壁掛式太陽能集熱器，緩解常規(guī)能源危機，使可再生綠色能源走進人們的生活.根據城市樓層的高低分別采用集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器和陽臺壁掛式太陽能熱水器。 　　1.由于高寒地區(qū)氣溫在冬季極低，使用該系統(tǒng)在極低溫度下不爆管，防凍； 　　2.由于該系統(tǒng)充當高層樓幕墻，所以要滿足質量輕，高承壓，系統(tǒng)可靠，不結垢和滿足美學要求的特點； 　　3.由于樓層較高，所以必須考慮水泵耗電和熱水在管道的熱損； 　　4.由于樓層低部容易受陰影遮擋，所以在樓房低部使用集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器； 　　5.由于該系統(tǒng)具有集熱面擺放角度范圍廣的特點，所以該系統(tǒng)的真空管可以安裝在平屋面與斜屋面上，與建筑完美結合； 　　6.在樓層高處由于受其他建筑影響較小，陽光充足，使用壁掛式太陽能熱水器。在多層建筑中使用集中集熱分戶儲熱的太陽能熱水系統(tǒng)。 　　3.2 新型集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器示意圖 　　該新型的集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器較普通的太陽能熱水器在設計與施工上更簡便與方便。該系統(tǒng)的結構見圖4： 　　3.3太陽能熱水器系統(tǒng)的安裝 　　按照太陽熱水系統(tǒng)手冊：在有集中熱水供應和沐浴設備的民用住宅建筑物中每人每日使用熱水60L，假設一棟樓有26層，一層平均有2戶，一戶有三口人。那么總共需要約10t水。 　　4結語 　　在高層建筑中使用陽臺壁掛式平板太陽能熱水器和新型集中集熱，分戶儲熱式太陽能熱水器，不僅有良好而環(huán)境效益可以減少二氧化碳、二氧化硫和粉塵的排量，而且可取得良好的經濟效益。（昝錦羽，劉祖明，張劍鋼　云南師范大學太陽能研究所云南昆明650092　　李世華　烏海市農業(yè)技術推廣站內蒙古烏海016000）