新建民用建筑中太阳能利用浅析
聂磊
[摘要]近年来，我国北方地区深受雾霾困扰，严重威胁到国民的身体健康。研究表明，燃煤采暖是造成大气污染的重要原因之一，节能减排得到人们的重视。建筑能源消耗已经占全国能源消耗总量的约1/3，建筑节能也成为节能减排的主要途径之一。各地纷纷出台新建民用建筑节能标准，以期降低能源消耗水平，针对这一问题，太阳能技术得到大家的重视。本文将简述新建民用建筑中太阳能利用的方式及特点，并重点分析了太阳能跨季节蓄热与水源联合运行系统的主要问题，提出了可能的解决思路，探讨了新建民用建筑中太阳能利用技术的发展前景。
[关键词]新建建筑;太阳能;节能减排;蓄热
文章编号：2095-4085（2019）06-0027-02
1引言
近年来，随着社会经济的发展，建筑的耗能有较大的增长，我国的建筑能源消耗已经占全国能源消耗总量的约1/3，加上消耗的间接能源，这一比例预计将超过45%[1]。各地纷纷出台新建民用建筑节能标准，以期降低能源消耗水平。山西省要求新建民用建筑要全面执行民用建筑节能设计标准，实现节能50%的目标，有条件的地方可率先实施节能65%的设计标准。全省民用建筑建造和使用的能源资源消耗水平要接近或达到现阶段中等发达国家的水平[2]。针对此现状，太阳能作为取之不尽，用之不竭的清洁能源，分布广泛，就地可取，在新建建筑采暖，制冷等多方面均有很好的应用空间口[3]。但是，太阳辐射热量有季节，昼夜的变化，同时还受到阴晴云雨等随机因素的影响，严重限制了太阳能的使用范围，特别是太阳能在冬季采暖的有效利用方面，现阶段有效地解决方法是设置跨季节蓄热装置，将夏季充足但不连续，波动的太阳能资源蓄存起来，而后在太阳能相对匮乏的冬季将其作为一种稳定的热源加以利用，从而提高太阳能利用率，体现低碳经济理念[3]。
2太阳能蓄热系统
太阳能蓄热系统按热存储方式的不同可分为显热蓄热，潜热蓄热和化学反应蓄热，显热蓄热主要是利用载能物质的温度升高来存储热量，潜热蓄热和化学蓄热则主要是指通过材料吸收太阳辐射热能后发生相变或化学反应，从而将能量蓄存，到需要利用能量的时候，再通过逆过程将能量放出。图1为典型太阳能显热蓄热系统结构示意图，图中根据“蓄热装置”的不同，可分为冬季蓄热和跨季节蓄热[4]。
图1所示典型太阳能显热蓄热系统，左半部为蓄热系统，温度控制器主要控制水泵的开启，当两个测温探头探测到的集热器进出口温差低于1-3℃时，控制器将泵关闭;当两个测温探头探测到的集热器进出口温差高于9℃时，控制器将泵开启，加热蓄热装置内存水。蓄热系统右半部为热水供应系统，可以实现向用户提供恒定温度（例如45℃）热水，当供给用户的热水温度小于45℃时，系统开启辅助加热器加热供水到45℃;当供给用户的热水温度大于45℃时，系统开启三通阀使其与自来水混合，调温到45℃，再供给用户。
3太阳能蓄热与地源热泵联合系统
根据上述热源形式的不同，太阳能蓄热一地源热泵系统的联合主要有太阳能蓄热一水源热泵联合系统与太阳能蓄热一土壤源热泵联合系统。系统夏季通过水源/土壤源热泵系统来实现供冷，太阳能蓄热一地源热泵系统的联合运行主要体现在冬季供暖上[5]。联合系统冬季供暖工作原理如图2所示。
上述联合系统中根据热源形式的不同区分为使用介质水作为热源的太阳能蓄热一水源热泵联合系统与使用土壤作为热源的太阳能蓄热一土壤源热泵联合系统。除去热源形式影响，两系统工作原理相同，描述如下。
（1）当太阳能充足，蓄热水箱中热量完全满足供暖需要时，完全由蓄热水箱供暖，不需启动水源热泵辅助供暖。
（2）当太阳能不足，蓄热水箱中热量不能满足供暖需求时，启动水源热泵，将蓄热水箱中的低温水作为热源，采用太陽能热泵方式供暖。
（3）当太阳能不足，且蓄热水箱中水温低于地下水温时，转换到使用地下水作为热源的水源热泵供暖模式。
4太阳能跨季节蓄热与水源热泵联合系统
上述的系统中，太阳能蓄热系统部分蓄存的只是冬季的太阳能资源，冬季太阳辐射能量相对于夏季较弱，蓄存太阳光热量的能力有限，因此冬季尚需辅助热源和水源热泵辅助制热，增加了电能的消耗。而太阳能跨季节蓄热与水源热泵联合系统，将两种利用可再生能源技术的系统结合起来。利用既有水源热泵系统的抽水，回灌井及介质水循环运行系统，节省太阳能跨季节蓄热系统打井，运行等初投资，同时实现太阳能跨季节蓄存，提升联合系统经济性。
4.1经济性分析
太阳能跨季节蓄热与水源热泵系统的联合具有较好的经济效益。首先，两种系统可以共用一套抽水，回水管道及管道井，可以节省管道费用，打井费用。其次，对于运行费用而言，两种系统共用一台水泵，即一台运行的水泵带动两个系统，减少了运行费用。再次，太阳能蓄热系统与水源热泵系统本身就是两个节能的系统，合理设计的联合系统节能性更加显著，夏季，地下水先经过水源热泵换热，温度上升，相当于给太阳能集热器的进水经行预热，使太阳能集热器的出水温度提高，从而提升了整体的集热效率。过度季及冬季极端天气条件下，当需要水源热泵制热时，地下水层蓄存的温度较高的水能够为水源热泵提供高温热源，从而提高热泵效率。因此在系统安装完成后，只需投入少量的运行费后便可产生很大的回报，联合系统经济回收效果显著。
4.2地下水层选择分析
在新建建筑中运用该系统时，需要选择合适的地下水层。首先，需要考虑地下水层总体的物理特性，比如水层周边地质条件是否符合要求，利用时存不存在塌陷等安全隐患。水层形状，水层埋深是否便于布置设备，管道，水层水质是否符合要求等。其次，在上述要求满足的前提下，地下水层容积必须足够大，能够满足冬季热量需求，同时还要考虑夏季水源热泵的制冷需求，储备一定量的低温水作为热泵冷源。总之，地下水层选取前需要进行周密勘察工作，保证系统的总体运行效率。
4.3系统保温、水质与回灌问题分析
系统保温主要是指新建建筑地下水层壁面的保温，管道，设备的保温。对于地下水层来说，壁面保温主要是减少冬季水层内高温水与土壤间的换热损失，需要在地下水层与土壤之间填充热惰性大的材料（或者空气层），减少热损失。对于管道和设备的保温来说，需要在管道和设备外部加设一定厚度的保温层，防止管道冻裂，设备无法正常运转的同时，减少管道输送热损失。
水质问题方面。由于地下水层中水的矿物质含量较高，高温时容易结垢，造成管道与设备的堵塞，因此应当尽量选用偏碱性水层，以减少地下水对设备和管道的腐蚀。其次，由于系统常年运行，因此联合系统中需要在地下水层，采暖系统，补水系统设置相应的水质监测点，对不符合要求水质的进行水质净化。
对于水源热泵来说，回灌问题是系统设计中需要重点考虑的部分，不回灌使得地下水位下降，容易致使地面塌陷。因此可以考虑使用半开式系统，地下水层消耗掉的水由外界符合回灌要求的水体补充。
4.4热能梯级利用分析
由于地下水层存在温度分层现象，因此新建建筑需要考虑不同温度水层热能的梯级利用问题。高中温水用来实现冬季不同室外气象条件下的地板采暖;地板采暖回水及部分高温水作为冬季生活热水来源。中低温水作为水源热泵系统过渡季制热工况热源。低温水作为水源热泵系统夏季及过渡季制冷工况冷源。
对于夏季来说，水源热泵系统负责用户的用冷需求，太阳能蓄热系统实施蓄热工作。其次，对于采暖季冬季来说，根据室外气象条件的不同，分别从地下水层抽取高，中温水，其中一部分经过太阳能集热器进一步加热，然后与另外一部分高，中温水混合，使得水温达到恒定的52℃（抽取高温水）或恒定的42℃（抽取中温水），然后供入地板采暖系统。地板采暖温度恒定的42℃回水（高温水回水）或恒定的32℃回水（中温水回水）以及抽取的部分高温水作为洗澡或洗漱用水供人生活热水系统。再次，对于过渡季春季和秋季来说，地下水层的中低温水作为水源热泵制热的热源，以提高水源热泵系统的工作效率。最后，由补水系统调节整个地下水层水量与水温到达夏季蓄热初始状态。
5结语
本文简要分析新建建筑中太阳能利用的不同方式及特点，并重点介绍了太阳能跨季节蓄热与水源联合系统主要考虑的问题，探讨了新建民用建筑中太阳能利用技术的发展前景。太阳能跨季节蓄热与水源热泵联合系统在一定程度上降低了系统的初投资，同时提升了系统性能，理念可行，能够取得较好的制冷，制热效果，是一种节能环保的能源利用方式，具有推广实施的价值。
参考文献：
[1]王磊.热压驱动下的置换式自然通风实验研究[D].哈爾滨：哈尔滨工业大学，2006.
[2]李银香，雷兰，张继昕.法律视野下的山西省新建建筑物节能[J].山西高等学校社会科学学报，2011，23 （3）：19 -21.
[3]岑幻霞.太阳能热利用[M].北京：清华大学出版社，1996.
[4]于国清，汤金华，邹志军，太阳能热水系统蓄热水箱温度分层作用研究[J].建筑科学.2007，23（4）：70 -73.
[5]王磊，程建国，徐志浩等.西藏太阳能与水源热泵联合供暖系统优化[J].暖通空调，2007，37（11）：90 -94.
