探讨高寒地区太阳能与建筑结合模式

摘要：本文概括市场上主要使用的热水器：电热水器、燃气热水器、普通太阳能热水器、空气源热泵与建筑结合的优缺点和以山西大同为例的高寒地区的气候状况，针对大同市区地理气候条件，提出了在城市根据楼层的高低采用集中集热,分户储热式太阳能热水器和阳台壁挂式太阳能热水器。 　　0引言 　　由于化石燃料的枯竭和生态环境的污染和破坏，人们寻找绿色能源逐渐代替常规能源，其中太阳能被看作是最有前途的可持续新型能源。随着城镇化速度的加快，人口数量的增长，高层建筑群逐渐成为城镇居民主要的居住模式。那么高层建筑居民使用热水引起外界的关注，现在市场上主要使用的热水器：电热水器，燃气热水器，太阳能热水器，空气源热泵。下面结合山西大同市区的具体地理气候条件，探讨与之能较好匹配的太阳能热水器类型。 　　1各种热水器的优缺点和山西大同市区气候特点 　　1.1各种热水器的优缺点 　　虽然电热水器能为居民提供生活所需热水，但是电热水器结构性能的缺陷和保护措施不当会导致漏电安全事故。常年使用内部零件老化，产品寿命短，占用室内空间。由于大量用电会增加环境负担，所以我们努力探求安全的，可持续的太阳能热水器。 　　燃气热水器使用的燃料是可燃性气体，它有安全隐患，如果安装在室内使用时关闭门窗，通风不良，那么会引起CO、煤气中毒，安装在室外影响家居空气质量。 　　因为使用可燃性气体，他的安装要求较高，需要在墙上打洞安排气扇，不同的燃气，其燃烧器形状，喷嘴大小，燃气通道截面积等都不一样。在使用时要排出大量的废气，废气中除了CO2以外，还有没有完全燃烧的产物CO，使用年限比较短，一般是六年左右，并且使用不可再生的一次性燃料，给环境增加负担。 　　虽然空气源热泵产生多倍热量，生产足够的热水，而且耗电仅有电热水器的1/4。但是它的体积大，对外界环境依赖大，一般工作温度在-5℃～40℃，如果在低于日平均气温0℃运行，空气源热泵不仅运行不良，稳定性差，而且存在结霜问题，效率低并且有噪音，不锈钢内胆的缺陷一直没有得到根本性的解决，压缩机易烧坏等问题。 　　太阳能热水器把太阳光能转化成热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中热水的使用，太阳能产热系统是由集热器，储水箱，支架以及相关附件组成，其中全集热器起关键的作用，由于受安装面周围物的影响，安装纬度的影响，以及必须考虑寒冷天气液态水的热涨冷缩，防止真空管受冷爆管等，所以我们要努力探求一种更加方便，耐用，安全，节能，环保，低碳的新型太阳能热水器。 　　一般情况下：北方地区使用太阳能热水器和电热水器，南方地区使用空气能太阳能热水器和燃气热水器。 　　1.2山西大同市市区地理气候条件 　　大同市位于山西省北部大同盆地的中心、黄土高原东北边缘，属温带大陆性季风气候，冬季漫长且寒冷干燥，夏季短暂且温热多雨，春秋凉爽，四季分明，昼夜温差较大。年均气温5.5℃，极端最高气温37.7℃，极端最低气温-29.1℃，最冷月为1 月份，平均气温-11.3℃；年平均降雨量在400mm；无霜期100～156天。东经112°15～114°15，北纬39°00～40°30，平均海拔1056m。 　　1.3山西大同市区规划与建筑节能相关部分 　　大同市走节约资源、保护环境的集约化道路，坚持节流、开源、保护并重的原则，坚持经济、社会、人口、资源和环境相协调的可持续发展战略，建设资源节约型和环境友好型城市。环境建设同步规划，严格按照规划实施污染物排放总量控制，加强对烟尘、酸雨、污水防治，创造良好的人居环境。 　　2新型的太阳能热水器太阳能集热器的分类及其特点 　　2.1太阳能集热器的分类及其特点（如表3所示） 　　2.2新型集中集热，分户储热式太阳能热水器的提出与介绍 　　由于常规太阳能热水器与建筑结合容易影响城市美观，前排热水器对后排造成的阴影等问题.该系统针对上述问题由黄永年专利集中集热分户储热的太阳能热水系统和邹国营、李建平、王国军专利“一种全承压式集中集热、分户储热系统”结合提出[1-2]。 　　该系统包括：与建筑完美结合的高承压太阳能集热器，热媒输送装置，分户换热储热水箱（设有换热盘管与电加热器）太阳能集热器（内插金属流道换热式全玻璃真空管集热器），在采光条件好的建筑屋顶集中布置，它将收集到的热量通过热媒输送到每户的分户换热储热承压水箱（带有热量锁闭控制功能的换热储热双源盘管）中以便加热每户的冷水。 　　热媒输送装置是连接新型高承压太阳能集热器和各分户换热储热水箱的集热循环管路，它由主管和分支连接管构成的等程供水、回水管路，适用于多层、小高层和高层建筑的多点供热水需求，能够很好的解决分户计量收费管理问题。因为真空管里设置带换热翅片的金属流道，所以它高承压、可靠，即使个别真空管破裂，系统照常工作，比较安全。 　　由于真空管里没有水，所以它不可能结垢，不爆管，防冻在较低温度下可以工作，质量较轻，可以在大跨度网架结构平屋面，拱形屋面以及彩钢板屋面安装。集热器的摆放角度范围广，与建筑外型可以完美结合如图1。 　　真空管集热器集中集热，根据每一户水箱的需热量利用智能控制仪将热量均衡的输送到水箱，再利用介质水流经换热盘管加热水箱，如遇到阴天，雨雪天电加热器加热水箱。自来水从水箱底部流入，热水从水箱上部顶出。该系统集热器只传递热量不传递热水，这样就不需要水泵，减少能量损耗，减轻设计质量。 图1集热器平铺在屋顶 　　2.3阳台壁挂式平板太阳能热水器的提出与工作原理 　　因为传统的太阳能热水器很不适合在高层屋面上安装[3]：第一安装在高层住宅屋顶的太阳能热水器存在管线过长，散热量过大的因素，对于住在高层住宅低区的住户，安装这种太阳能热水器显然存在技术难题；第二由于楼层过高，屋顶面积不足以提供足够的安装热水来满足整栋楼居民使用。所以将太阳能集热器安装在住宅楼的阳台。第三由于传统的热水器容易冬天冻管，夏天炸管，根本不适合安装在阳台上。阳台壁挂式太阳能热水系统，实现建筑与太阳能完美结合。 　　阳台平板壁挂式太阳能热水器[4]通过安装在阳台外的集热器吸收太阳光，将光能转化为热能，热能传导到集热器的铜管，加热导管介质，导管介质由于温度升高，密度减小，就会产生上升的动力被加热的导热介质通过集热器与储热水箱的连接管进入水箱，加热水箱的水，温度降低后重力流回集热器再加热。 　　对太阳能热水器中的循环系统所做的创新[5]，产生热水流入水箱，散热损失较小，故障率低，便于维护与修理。 　　它的优点： 　　第一，整个热水过程，不进水，不出水，不会出现冬天爆管夏天炸管。 　　第二，管道中不会形成结垢，热水流出不会污染。 　　第三，因为集热器与储水箱分离，所以该热水器安装能实现随意性与美观性。与建筑完美的结合。  　　2.4城镇的建筑模型 　　随着国家城镇化速度的加快，大同市区人口越来越多，土地价格上涨，人口聚集型小区，水泥浇灌式高楼逐渐成为趋势如图3，太阳能与建筑的结合与集成逐渐受到人们的重视。建筑屋顶与墙面，主要包括屋顶设备房的顶部与设备房的南面与西面和墙面的南面与西面给太阳能热水系统提供了场地。 　　3城市PIBV/T 系统的安装 　　3.1新型太阳能热水器与建筑结合的方式 　　随着建筑楼层的增高与人们生活水平的提高，居民对生活用水的需求量越来越大，特别在我国发达地区的住宅中其生活用水能耗已占建筑总能耗的20%左右，由于高层建筑的底部容易受其他建筑、设施、树木遮荫，所以高层与超高层楼群安装集中集热，分户储热热水器首先满足低层居民，在高层居民使用平板型阳台壁挂式太阳能集热器，缓解常规能源危机，使可再生绿色能源走进人们的生活.根据城市楼层的高低分别采用集中集热，分户储热式太阳能热水器和阳台壁挂式太阳能热水器。 　　1.由于高寒地区气温在冬季极低，使用该系统在极低温度下不爆管，防冻； 　　2.由于该系统充当高层楼幕墙，所以要满足质量轻，高承压，系统可靠，不结垢和满足美学要求的特点； 　　3.由于楼层较高，所以必须考虑水泵耗电和热水在管道的热损； 　　4.由于楼层低部容易受阴影遮挡，所以在楼房低部使用集中集热，分户储热式太阳能热水器； 　　5.由于该系统具有集热面摆放角度范围广的特点，所以该系统的真空管可以安装在平屋面与斜屋面上，与建筑完美结合； 　　6.在楼层高处由于受其他建筑影响较小，阳光充足，使用壁挂式太阳能热水器。在多层建筑中使用集中集热分户储热的太阳能热水系统。 　　3.2 新型集中集热，分户储热式太阳能热水器示意图 　　该新型的集中集热，分户储热式太阳能热水器较普通的太阳能热水器在设计与施工上更简便与方便。该系统的结构见图4： 　　3.3太阳能热水器系统的安装 　　按照太阳热水系统手册：在有集中热水供应和沐浴设备的民用住宅建筑物中每人每日使用热水60L，假设一栋楼有26层，一层平均有2户，一户有三口人。那么总共需要约10t水。 　　4结语 　　在高层建筑中使用阳台壁挂式平板太阳能热水器和新型集中集热，分户储热式太阳能热水器，不仅有良好而环境效益可以减少二氧化碳、二氧化硫和粉尘的排量，而且可取得良好的经济效益。（昝锦羽，刘祖明，张剑钢　云南师范大学太阳能研究所云南昆明650092　　李世华　乌海市农业技术推广站内蒙古乌海016000）