太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖技術(shù)研究
曲衛(wèi)迎1 王任2
摘要：本文通過對(duì)太陽(yáng)能集熱、蓄熱、工質(zhì)的簡(jiǎn)要分析和比選，提出了太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖的新方法。由于現(xiàn)階段的技術(shù)水平有限，該技術(shù)的研究?jī)H對(duì)構(gòu)建環(huán)保型、節(jié)約型、低碳型社會(huì)提供了有益的探索。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；集熱；采暖；研究
0引言
太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的球體，其自誕生起，內(nèi)部就一直進(jìn)行著猛烈的熱核反應(yīng)，釋放出大量的熱。這已經(jīng)大約延續(xù)了50億年，根據(jù)科學(xué)推算，它還將持續(xù)大約50億年。地球上絕大多數(shù)的能源都來自太陽(yáng)能，或者是被儲(chǔ)存下來太陽(yáng)能。根據(jù)科學(xué)計(jì)算，到達(dá)地球的太陽(yáng)能量高達(dá)十幾萬(wàn)太瓦，換句話說，就是太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。在太陽(yáng)的輻射能量中，能夠被我們直接利用的太陽(yáng)能主要包括對(duì)其熱能、化學(xué)能的利用和光電轉(zhuǎn)換等。
人類對(duì)太陽(yáng)能的利用已經(jīng)有約3000年的歷史了，但直到1615年，法國(guó)工程師發(fā)明了世界第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，才真正把太陽(yáng)能作為能源來利用。從1900年至今，對(duì)太陽(yáng)能的利用大致經(jīng)歷了七個(gè)階段，但由于石油、煤炭等傳統(tǒng)能源供應(yīng)充足、技術(shù)不成熟且成本高，因此在二戰(zhàn)結(jié)束前一直發(fā)展緩慢。上世紀(jì)70年代，隨著對(duì)不可再生能源枯竭問題的逐漸重視和新材料的開發(fā)利用，太陽(yáng)能科技有了較快發(fā)展，對(duì)其的利用日新月異。目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。
但是，由于種種原因，對(duì)太陽(yáng)熱能的利用還僅僅局限在熱水供應(yīng)上。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始對(duì)太陽(yáng)能采暖進(jìn)行研究，但由于采用的熱介質(zhì)主要是水，因此受到了一定的局限。本文將通過對(duì)太陽(yáng)能高溫集熱技術(shù)和蓄熱技術(shù)的分析，探討利用太陽(yáng)能高溫技術(shù)解決冬季家庭采暖的方法。
1. 國(guó)內(nèi)外采暖現(xiàn)狀
城市集中供熱始于前蘇聯(lián)，至今已有70多年的歷史。美國(guó)是世界上第一個(gè)使用熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的國(guó)家。目前，熱電聯(lián)產(chǎn)和地?zé)豳Y源是大部分國(guó)家采用的采暖方式。
我國(guó)的城市采暖是從1953年開始的。國(guó)內(nèi)的主要采用以熱電聯(lián)產(chǎn)為主、集中鍋爐房為輔、其他先進(jìn)高效方式為補(bǔ)充的采暖方式。由于我國(guó)煤炭資源豐富，因此大部分城市的集中供熱能源以煤炭為主，部分城市開始使用天然氣、輕油或電作為能源。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，同時(shí)，我國(guó)對(duì)能源的利用效率又十分低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，石油、煤炭等能源的大量使用亦會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。
我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，每年陸地接收的太陽(yáng)輻射能相當(dāng)于2.4萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，具有太陽(yáng)能利用的良好條件。而利用太陽(yáng)能來滿足生活熱水、供暖這些低品位能耗的要求具有巨大的節(jié)能效益。因此，大力發(fā)展太陽(yáng)能供暖，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色低碳的時(shí)代要求。
國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能采暖大多使用的是利用集熱器吸收太陽(yáng)能對(duì)水系統(tǒng)直接進(jìn)行加熱，這種方法存在以下幾個(gè)主要方面的不足：
1) 水的沸點(diǎn)低，溫度受到限制。這樣就限制了系統(tǒng)內(nèi)吸收的總熱量，進(jìn)而影響系統(tǒng)的用戶總數(shù)，降低了太陽(yáng)能的利用效率和實(shí)際采暖的效果。
2) 水不是到100℃才蒸發(fā)，隨著溫度的升高，水的蒸發(fā)量會(huì)逐漸增大。這樣，一方面會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力，需要設(shè)置泄壓裝置；另一方面，水蒸氣會(huì)通過泄壓裝置向大氣中逸散，隨著水蒸汽的逸散，需要經(jīng)常向系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)水。逸散的水蒸氣會(huì)帶走一部分熱量，而且補(bǔ)充的水由于溫度低于容器中的水，因此也會(huì)消耗一部分熱量。這樣同樣降低了太陽(yáng)能的利用效率。
3) 水的密度大，會(huì)增加結(jié)構(gòu)荷載。為了保證夜間的采暖使用，必須保證足夠的熱量被儲(chǔ)存。這部分熱量往往是由系統(tǒng)內(nèi)的水進(jìn)行儲(chǔ)存的，因此需要建造足夠大的容器來儲(chǔ)存這些水，而水的沸點(diǎn)低，所以需要的水量也會(huì)大大增加。由于太陽(yáng)能一般建在屋面，對(duì)于多層樓房來說，大量的水箱建造在屋面，其結(jié)構(gòu)荷載將會(huì)大大增加。
4) 太陽(yáng)能集熱器常用的是真空玻璃管，易破裂。這種管道的保溫效果好，但由于蒸發(fā)問題，在水溫高時(shí)水量迅速減少，此時(shí)需要補(bǔ)充水分，冷水的進(jìn)入會(huì)造成玻璃管的驟冷破裂。在停水或停電的情況下，或者在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)發(fā)生故障失去控制的時(shí)候，也會(huì)造成冷水與熱玻璃管的接觸，造成玻璃管的破裂。不僅影響用戶的使用，而且還造成水的流失、浪費(fèi)。
5) 集熱器的熱損失。由于太陽(yáng)能采暖主要采用平板式集熱器，面積較大，大量的熱量會(huì)通過輻射的方式向外散失，造成效率的下降。
6) 水的結(jié)垢問題。玻璃管是盲管，玻璃管中的水在加熱過程中，容易產(chǎn)生大量的水垢，一方面容易堵塞管道，另一方面由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)低，影響水對(duì)太陽(yáng)能熱量的吸收，而且水垢很難清理。
2. 太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖方法
太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖技術(shù)，就是通過太陽(yáng)能高溫集熱器，把熱工質(zhì)加溫至300℃以上，通過熱工質(zhì)或其他蓄熱材料進(jìn)行儲(chǔ)存，通過溫度控制，在室內(nèi)溫度或家庭采暖水系統(tǒng)內(nèi)水溫低于某一設(shè)定的數(shù)值時(shí)，將熱傳遞給水系統(tǒng)，通過水系統(tǒng)循環(huán)滿足家庭采暖的需要。系統(tǒng)原理如圖1。
3. 太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖系統(tǒng)的構(gòu)成
3.1集熱器
3.1.1 集熱器的分類
1) 按傳熱介質(zhì)，可分為液體集熱器和空氣集熱器兩大類。
液體集熱器主要以水為介質(zhì)，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。其吸收熱能的吸熱板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等類型。
空氣集熱器主要應(yīng)用于太陽(yáng)能干燥器。其吸熱板有網(wǎng)格式、蜂窩式和多孔床式等類型。
2) 按采光方式：可分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器兩大類。
聚光型集熱器利用聚焦原理，將太陽(yáng)光聚集照射在吸熱物體或工質(zhì)容器上，從而獲得比非聚光式集熱器更高的溫度。有拋物槽式、蝶式、塔式等類型。其中槽式具有占地小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可隨太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)、聚焦為線性等特點(diǎn)；蝶式具有占地面積不大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可隨太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)、聚焦為點(diǎn)式等特點(diǎn)；塔式具有占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能隨太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)、聚焦為點(diǎn)式等特點(diǎn)。
非聚光式集熱器是利用熱箱原理，或稱為溫室效應(yīng)，通過涂層對(duì)太陽(yáng)熱能的吸收，并將其傳遞給介質(zhì)。有玻璃真空管式、平板式、箱式等類型。其中玻璃真空管式是目前太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)比較常用的一種型式，其風(fēng)阻性小，但受光吸收涂層影響，一般提供的溫度低于100℃，而且玻璃容易破裂。非聚光式集熱器不僅提供的溫度比聚光型集熱器低，而且占地面積較大，尤其是吸熱物體或工質(zhì)容器表面積大，熱量會(huì)通過熱輻射的方式損失。
3.1.2集熱器的選擇
家庭采暖不僅需要吸收太陽(yáng)熱量，而且需要將熱量傳遞到房間內(nèi)部，同時(shí)，裝置需要安裝在房屋屋面，因此要具備占用面積小、結(jié)構(gòu)輕便、能獲得較高溫度、方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)各種集熱器的特點(diǎn)，我們選用聚光型集熱器。如圖1。
集熱管的處理也十分重要，目前主要采用導(dǎo)熱性好的金屬管道，但其保溫性能較差，因此考慮采用外玻璃內(nèi)金屬中真空的復(fù)合材料管道，來減少熱量的散失。
3.2熱工質(zhì)
3.2.1 熱工質(zhì)的分類
1) 液體工質(zhì)。主要有水、導(dǎo)熱油、熔鹽。
目前太陽(yáng)能采暖主要采用水作為工質(zhì)。其具有價(jià)格低、比熱大、流動(dòng)性好、易獲取等優(yōu)點(diǎn)，而且可以作為取暖系統(tǒng)中的循環(huán)水直接使用，但其沸點(diǎn)低，不能獲得較高溫度，而且蒸發(fā)量大，容易產(chǎn)生較高的壓力，發(fā)生危險(xiǎn)。
導(dǎo)熱油是一種有機(jī)化合物，有烷基苯型、烷基萘型、烷基聯(lián)苯型、聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔混合物型四種類型，具有沸點(diǎn)高、流動(dòng)性較好等優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低高溫加熱系統(tǒng)的壓力，提高了系統(tǒng)的安全性。其中：烷基苯型沸點(diǎn)為170～180℃，其不易產(chǎn)生沉淀；烷基萘型沸點(diǎn)為260℃左右；烷基聯(lián)苯型沸點(diǎn)為330℃，熱穩(wěn)定性好；聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔混合物型沸點(diǎn)可高達(dá)400℃左右，但其工作溫度在257℃左右最經(jīng)濟(jì)。熱導(dǎo)油的缺點(diǎn)是容易氧化、劣化、易燃。
熔鹽是鹽類熔化形成的熔體，物質(zhì)處于離子狀態(tài)。熔鹽的溫度很高，但其凝固點(diǎn)也高，不宜在管道中使用。
2) 氣體工質(zhì)。主要有空氣、惰性氣體、二氧化碳、水蒸氣、氮?dú)獾�。由于氣體工質(zhì)容易產(chǎn)生高壓力，不宜在家庭使用。
3.2.2 熱工質(zhì)的選擇
由于要滿足足夠多的家庭使用，而且還要盡量保證在日照不足或陰天、夜晚使用，因此工質(zhì)的溫度需要盡可能的高，這樣能夠?qū)⒋罅康臒崃窟M(jìn)行儲(chǔ)存。經(jīng)過比選，我們考慮采用烷基聯(lián)苯型熱導(dǎo)油。
3.3 保溫
由于產(chǎn)生的溫度大大高于外界環(huán)境溫度，因此對(duì)系統(tǒng)的保溫，尤其是對(duì)熱工質(zhì)的保溫和對(duì)蓄熱物質(zhì)的保溫非常重要。一方面可以提高利用效率，另一方面可以保證在夜間、陰天及光照不足情況下的連續(xù)供暖。
3.4熱量的儲(chǔ)存
由于太陽(yáng)能的提供不是連續(xù)性的，要保證在沒有太陽(yáng)照射的情況下能夠持續(xù)供暖，就必須要對(duì)熱量進(jìn)行儲(chǔ)存。一方面，可以通過保溫，讓熱工質(zhì)進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存；另一方面，可以將多余的熱量轉(zhuǎn)存到蓄熱材料，以備不時(shí)之需。
3.4.1蓄熱分類：
1) 粘土蓄熱
粘土熱容量相對(duì)比較高，而其熱傳導(dǎo)系數(shù)比較低，較適合于蓄熱。粘土蓄熱屬于低溫蓄熱。
2) 巖石中的井孔蓄熱
井孔蓄熱一般在巖石中打數(shù)多個(gè)深孔，熱工質(zhì)在井孔中循環(huán)流動(dòng)，和巖石進(jìn)行熱交換。
3) 充水的巖洞蓄熱
熱水可被儲(chǔ)存在巖洞中，蓄熱必須設(shè)置在盡可能深的地下，以便上面有足夠厚的巖石層覆蓋，最好遠(yuǎn)低于地下水層，以平衡其內(nèi)部的水壓力。
4) 儲(chǔ)水層蓄熱
天然的地下儲(chǔ)水層也可以用于季節(jié)性蓄熱。
5) 相變蓄熱
相變蓄熱是利用物體在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三相之間變化需要對(duì)熱量吸收或釋放的原理，來實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存。由于液-氣相變蓄熱容易產(chǎn)生高壓、發(fā)生危險(xiǎn)，所以在一般條件下很難實(shí)現(xiàn)。因此有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的是固-液相變蓄熱。
前4種蓄熱方式是通過對(duì)物體溫度的提升，來儲(chǔ)存熱量的，稱為顯熱蓄熱；而相變蓄熱是與之不同的，稱為潛熱蓄熱。與顯熱蓄熱相比，潛熱蓄熱具有儲(chǔ)熱密度大、溫度波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，比如0℃的冰變成0℃的水所需要的熱量，可以使水從0℃升高到80℃。
3.4.2 蓄熱方式的選擇
由于前4種方式不僅成本高，而且需要很大的蓄熱容積，不宜作為家庭使用。因此本系統(tǒng)選擇相變蓄熱。
相變蓄熱材料主要有：
1) 無(wú)機(jī)鹽。
①、 純鹽。比如氫化鋰，該物質(zhì)目前主要應(yīng)用在人造衛(wèi)星上，其成本偏高。
②、 堿。比如氫氧化鈉，該物質(zhì)在287℃和318℃均有相變。價(jià)格也較為低廉，但腐蝕性強(qiáng)。日本和美國(guó)已經(jīng)在制冷和采暖方面對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用。
③、 金屬與合金。其中的鋁的融化熱大、導(dǎo)熱性高、蒸汽壓力低。但其需要的溫度高，本系統(tǒng)無(wú)法滿足。
④、 混合鹽。將一些無(wú)機(jī)鹽根據(jù)需要進(jìn)行混合，獲得不同溫度下的儲(chǔ)存物質(zhì)。
⑤、 無(wú)機(jī)水合鹽。這是混合鹽的一種，但其溫度低于100℃。容易出現(xiàn)過冷和相分離現(xiàn)象。
2) 有機(jī)材料。
①、 石蠟和酸酯類。熔解熱大、無(wú)腐蝕、性能穩(wěn)定。主要應(yīng)用于低溫環(huán)境，不適用本系統(tǒng)。屬于固-液相變。
②、 聚烯烴。主要應(yīng)用在高溫環(huán)境。屬于固-液相變。
③、 多元醇類。性能溫度，壽命長(zhǎng)。屬于固-固相變，無(wú)液相產(chǎn)生。
④、 高分子類。常用的是聚乙烯，其價(jià)格低、易加工、熱值大。屬于固-固相變，無(wú)液相產(chǎn)生。
⑤、 層狀鈣鈦礦。其相變溫度高，價(jià)格昂貴。屬于固-固相變，無(wú)液相產(chǎn)生。
通過上述比較，考慮到太陽(yáng)能高溫集熱家庭供暖的實(shí)際需要，初步選擇聚烯烴作為熱儲(chǔ)存的物質(zhì)。
3.5換熱與溫度控制
由于系統(tǒng)熱工質(zhì)是熱導(dǎo)油，由于成本的原因，還需要將其熱量傳送給室內(nèi)的水循環(huán)系統(tǒng)。太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖系統(tǒng)通過對(duì)熱工質(zhì)、末端散熱器片和室內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)收集，根據(jù)水溫的變化，控制熱交換器中水流的速度，從而控制散熱器的水溫保持恒定，進(jìn)而控制室內(nèi)的溫度保持恒定。如果在熱工質(zhì)溫度不能提供足夠的熱量來滿足家庭的使用時(shí)，還可以控制蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行放熱，進(jìn)行熱補(bǔ)償。如果仍無(wú)法滿足需要，還可以自動(dòng)啟動(dòng)輔助采暖系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。
3.6輔助采暖
系統(tǒng)采用高溫、蓄熱、保溫等多種手段來滿足冬季連續(xù)采暖的需要，但由于太陽(yáng)能的間歇性，遇到長(zhǎng)時(shí)間連陰天，仍然存在無(wú)法持續(xù)供暖的需要，因此需要使用其他供暖方式進(jìn)行輔助供暖。
輔助供暖可以采用電加熱、熱泵、燃?xì)鉅t等方式。尤其是可以考慮在太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖系統(tǒng)上增加太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電設(shè)施，通過蓄電系統(tǒng)進(jìn)行輔助供暖。
3.7其他設(shè)施
1) 油泵。由于導(dǎo)熱油的粘滯性大于水，因此為了保障熱量的均衡，還需要設(shè)置油泵，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。
2) 太陽(yáng)跟蹤設(shè)備。由于太陽(yáng)角度的變化，因此需要設(shè)置太陽(yáng)跟蹤設(shè)備，確保能夠最大限度的吸收太陽(yáng)熱。
3) 發(fā)電系統(tǒng)。由于油泵、太陽(yáng)跟蹤設(shè)備、溫度控制設(shè)備等設(shè)施需要由電力驅(qū)動(dòng)，因此還需要安裝發(fā)電系統(tǒng)，如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，滿足系統(tǒng)用電的需求。
4. 特征及現(xiàn)階段的局限性
通過對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的研究，該技術(shù)可以很好的利用太陽(yáng)能資源，節(jié)約匱乏的傳統(tǒng)能源，能滿足光照時(shí)間較長(zhǎng)地區(qū)的冬季采暖問題。但由于這些技術(shù)自身的局限性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和開發(fā),努力解決以下問題：
1) 需要注意對(duì)導(dǎo)熱油定期進(jìn)行檢查，防止氧化、結(jié)焦、泄漏、劣化等問題的發(fā)生；
2) 由于技術(shù)的原因，所選的蓄熱材料還存在導(dǎo)熱性差、易燃、有腐蝕性等問題，需要定期檢查，防止泄漏。
3) 由于對(duì)熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，仍然要建造蓄熱容器，增加了荷載，需要對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
4) 集熱系統(tǒng)的風(fēng)阻問題。由于集熱器面積較大，大風(fēng)下容易發(fā)生事故，應(yīng)注意做好加固措施。
5) 由于集熱管采用玻璃和金屬的復(fù)合管道，在實(shí)際應(yīng)用中需考慮二者的熱膨脹系數(shù)，選擇系數(shù)一樣的材料。
6) 由于集熱管外部采用玻璃聚光溫度較高，需要選擇耐高溫玻璃。
5. 結(jié)論
太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖技術(shù)是為人類生活提供家庭供暖的一個(gè)新的方向，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，是深入學(xué)習(xí)實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀的重要成果。特別是在當(dāng)前節(jié)能、環(huán)保成為國(guó)際熱點(diǎn)話題的今天，如何利用新技術(shù)、新能源、新方法解決傳統(tǒng)問題是我們值得思考的話題。相信在科技發(fā)展的今天，在科技工作者的共同努力下，在各學(xué)科的綜合作用下，太陽(yáng)能高溫集熱家庭采暖技術(shù)一定能有廣闊的前景。
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