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发布时间：2011-06-20 08:46:41 更新时间：2011-06-20 08:01:41

太阳能高温集热家庭采暖技术研究
曲卫迎1 王任2
摘要：本文通过对太阳能集热、蓄热、工质的简要分析和比选，提出了太阳能高温集热家庭采暖的新方法。由于现阶段的技术水平有限，该技术的研究仅对构建环保型、节约型、低碳型社会提供了有益的探索。
关键词：太阳能；集热；采暖；研究
0引言
太阳是一个炽热的球体，其自诞生起，内部就一直进行着猛烈的热核反应，释放出大量的热。这已经大约延续了50亿年，根据科学推算，它还将持续大约50亿年。地球上绝大多数的能源都来自太阳能，或者是被储存下来太阳能。根据科学计算，到达地球的太阳能量高达十几万太瓦，换句话说，就是太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。在太阳的辐射能量中，能够被我们直接利用的太阳能主要包括对其热能、化学能的利用和光电转换等。
人类对太阳能的利用已经有约3000年的历史了，但直到1615年，法国工程师发明了世界第一台太阳能驱动的发动机，才真正把太阳能作为能源来利用。从1900年至今，对太阳能的利用大致经历了七个阶段，但由于石油、煤炭等传统能源供应充足、技术不成熟且成本高，因此在二战结束前一直发展缓慢。上世纪70年代，随着对不可再生能源枯竭问题的逐渐重视和新材料的开发利用，太阳能科技有了较快发展，对其的利用日新月异。目前，太阳能光伏发电和太阳能热水系统已经在世界范围内得到了广泛的应用。
但是，由于种种原因，对太阳热能的利用还仅仅局限在热水供应上。虽然国内外已经开始对太阳能采暖进行研究，但由于采用的热介质主要是水，因此受到了一定的局限。本文将通过对太阳能高温集热技术和蓄热技术的分析，探讨利用太阳能高温技术解决冬季家庭采暖的方法。
1. 国内外采暖现状
城市集中供热始于前苏联，至今已有70多年的历史。美国是世界上第一个使用热电冷联供系统的国家。目前，热电联产和地热资源是大部分国家采用的采暖方式。
我国的城市采暖是从1953年开始的。国内的主要采用以热电联产为主、集中锅炉房为辅、其他先进高效方式为补充的采暖方式。由于我国煤炭资源丰富，因此大部分城市的集中供热能源以煤炭为主，部分城市开始使用天然气、轻油或电作为能源。
随着国民经济的发展，对能源的需求日益增加，同时，我国对能源的利用效率又十分低下，浪费严重，石油、煤炭等能源的大量使用亦会对环境造成不利影响。
我国属太阳能资源丰富的国家之一，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤，具有太阳能利用的良好条件。而利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益。因此，大力发展太阳能供暖，是实现节能减排、绿色低碳的时代要求。
国内的太阳能采暖大多使用的是利用集热器吸收太阳能对水系统直接进行加热，这种方法存在以下几个主要方面的不足：
1) 水的沸点低，温度受到限制。这样就限制了系统内吸收的总热量，进而影响系统的用户总数，降低了太阳能的利用效率和实际采暖的效果。
2) 水不是到100℃才蒸发，随着温度的升高，水的蒸发量会逐渐增大。这样，一方面会产生巨大的压力，需要设置泄压装置；另一方面，水蒸气会通过泄压装置向大气中逸散，随着水蒸汽的逸散，需要经常向系统内进行补水。逸散的水蒸气会带走一部分热量，而且补充的水由于温度低于容器中的水，因此也会消耗一部分热量。这样同样降低了太阳能的利用效率。
3) 水的密度大，会增加结构荷载。为了保证夜间的采暖使用，必须保证足够的热量被储存。这部分热量往往是由系统内的水进行储存的，因此需要建造足够大的容器来储存这些水，而水的沸点低，所以需要的水量也会大大增加。由于太阳能一般建在屋面，对于多层楼房来说，大量的水箱建造在屋面，其结构荷载将会大大增加。
4) 太阳能集热器常用的是真空玻璃管，易破裂。这种管道的保温效果好，但由于蒸发问题，在水温高时水量迅速减少，此时需要补充水分，冷水的进入会造成玻璃管的骤冷破裂。在停水或停电的情况下，或者在太阳能供暖系统发生故障失去控制的时候，也会造成冷水与热玻璃管的接触，造成玻璃管的破裂。不仅影响用户的使用，而且还造成水的流失、浪费。
5) 集热器的热损失。由于太阳能采暖主要采用平板式集热器，面积较大，大量的热量会通过辐射的方式向外散失，造成效率的下降。
6) 水的结垢问题。玻璃管是盲管，玻璃管中的水在加热过程中，容易产生大量的水垢，一方面容易堵塞管道，另一方面由于水垢的导热系数低，影响水对太阳能热量的吸收，而且水垢很难清理。
2. 太阳能高温集热家庭采暖方法
太阳能高温集热家庭采暖技术，就是通过太阳能高温集热器，把热工质加温至300℃以上，通过热工质或其他蓄热材料进行储存，通过温度控制，在室内温度或家庭采暖水系统内水温低于某一设定的数值时，将热传递给水系统，通过水系统循环满足家庭采暖的需要。系统原理如图1。
3. 太阳能高温集热家庭采暖系统的构成
3.1集热器
3.1.1 集热器的分类
1) 按传热介质，可分为液体集热器和空气集热器两大类。
液体集热器主要以水为介质，主要应用于太阳能热水系统。其吸收热能的吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等类型。
空气集热器主要应用于太阳能干燥器。其吸热板有网格式、蜂窝式和多孔床式等类型。
2) 按采光方式：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器两大类。
聚光型集热器利用聚焦原理，将太阳光聚集照射在吸热物体或工质容器上，从而获得比非聚光式集热器更高的温度。有抛物槽式、蝶式、塔式等类型。其中槽式具有占地小、结构简单、可随太阳旋转、聚焦为线性等特点；蝶式具有占地面积不大、结构复杂、可随太阳旋转、聚焦为点式等特点；塔式具有占地面积大、结构复杂、不能随太阳旋转、聚焦为点式等特点。
非聚光式集热器是利用热箱原理，或称为温室效应，通过涂层对太阳热能的吸收，并将其传递给介质。有玻璃真空管式、平板式、箱式等类型。其中玻璃真空管式是目前太阳能热水系统比较常用的一种型式，其风阻性小，但受光吸收涂层影响，一般提供的温度低于100℃，而且玻璃容易破裂。非聚光式集热器不仅提供的温度比聚光型集热器低，而且占地面积较大，尤其是吸热物体或工质容器表面积大，热量会通过热辐射的方式损失。
3.1.2集热器的选择
家庭采暖不仅需要吸收太阳热量，而且需要将热量传递到房间内部，同时，装置需要安装在房屋屋面，因此要具备占用面积小、结构轻便、能获得较高温度、方便安装等优点。根据各种集热器的特点，我们选用聚光型集热器。如图1。
集热管的处理也十分重要，目前主要采用导热性好的金属管道，但其保温性能较差，因此考虑采用外玻璃内金属中真空的复合材料管道，来减少热量的散失。
3.2热工质
3.2.1 热工质的分类
1) 液体工质。主要有水、导热油、熔盐。
目前太阳能采暖主要采用水作为工质。其具有价格低、比热大、流动性好、易获取等优点，而且可以作为取暖系统中的循环水直接使用，但其沸点低，不能获得较高温度，而且蒸发量大，容易产生较高的压力，发生危险。
导热油是一种有机化合物，有烷基苯型、烷基萘型、烷基联苯型、联苯和联苯醚低熔混合物型四种类型，具有沸点高、流动性较好等优点，可以大大降低高温加热系统的压力，提高了系统的安全性。其中：烷基苯型沸点为170～180℃，其不易产生沉淀；烷基萘型沸点为260℃左右；烷基联苯型沸点为330℃，热稳定性好；联苯和联苯醚低熔混合物型沸点可高达400℃左右，但其工作温度在257℃左右最经济。热导油的缺点是容易氧化、劣化、易燃。
熔盐是盐类熔化形成的熔体，物质处于离子状态。熔盐的温度很高，但其凝固点也高，不宜在管道中使用。
2) 气体工质。主要有空气、惰性气体、二氧化碳、水蒸气、氮气等。由于气体工质容易产生高压力，不宜在家庭使用。
3.2.2 热工质的选择
由于要满足足够多的家庭使用，而且还要尽量保证在日照不足或阴天、夜晚使用，因此工质的温度需要尽可能的高，这样能够将大量的热量进行储存。经过比选，我们考虑采用烷基联苯型热导油。
3.3 保温
由于产生的温度大大高于外界环境温度，因此对系统的保温，尤其是对热工质的保温和对蓄热物质的保温非常重要。一方面可以提高利用效率，另一方面可以保证在夜间、阴天及光照不足情况下的连续供暖。
3.4热量的储存
由于太阳能的提供不是连续性的，要保证在没有太阳照射的情况下能够持续供暖，就必须要对热量进行储存。一方面，可以通过保温，让热工质进行热量的储存；另一方面，可以将多余的热量转存到蓄热材料，以备不时之需。
3.4.1蓄热分类：
1) 粘土蓄热
粘土热容量相对比较高，而其热传导系数比较低，较适合于蓄热。粘土蓄热属于低温蓄热。
2) 岩石中的井孔蓄热
井孔蓄热一般在岩石中打数多个深孔，热工质在井孔中循环流动，和岩石进行热交换。
3) 充水的岩洞蓄热
热水可被储存在岩洞中，蓄热必须设置在尽可能深的地下，以便上面有足够厚的岩石层覆盖，最好远低于地下水层，以平衡其内部的水压力。
4) 储水层蓄热
天然的地下储水层也可以用于季节性蓄热。
5) 相变蓄热
相变蓄热是利用物体在固态、液态、气态三相之间变化需要对热量吸收或释放的原理，来实现热量的储存。由于液-气相变蓄热容易产生高压、发生危险，所以在一般条件下很难实现。因此有实际应用价值的是固-液相变蓄热。
前4种蓄热方式是通过对物体温度的提升，来储存热量的，称为显热蓄热；而相变蓄热是与之不同的，称为潜热蓄热。与显热蓄热相比，潜热蓄热具有储热密度大、温度波动小等优点，比如0℃的冰变成0℃的水所需要的热量，可以使水从0℃升高到80℃。
3.4.2 蓄热方式的选择
由于前4种方式不仅成本高，而且需要很大的蓄热容积，不宜作为家庭使用。因此本系统选择相变蓄热。
相变蓄热材料主要有：
1) 无机盐。
①、纯盐。比如氢化锂，该物质目前主要应用在人造卫星上，其成本偏高。
②、碱。比如氢氧化钠，该物质在287℃和318℃均有相变。价格也较为低廉，但腐蚀性强。日本和美国已经在制冷和采暖方面对其进行了应用。
③、金属与合金。其中的铝的融化热大、导热性高、蒸汽压力低。但其需要的温度高，本系统无法满足。
④、混合盐。将一些无机盐根据需要进行混合，获得不同温度下的储存物质。
⑤、无机水合盐。这是混合盐的一种，但其温度低于100℃。容易出现过冷和相分离现象。
2) 有机材料。
①、石蜡和酸酯类。熔解热大、无腐蚀、性能稳定。主要应用于低温环境，不适用本系统。属于固-液相变。
②、聚烯烃。主要应用在高温环境。属于固-液相变。
③、多元醇类。性能温度，寿命长。属于固-固相变，无液相产生。
④、高分子类。常用的是聚乙烯，其价格低、易加工、热值大。属于固-固相变，无液相产生。
⑤、层状钙钛矿。其相变温度高，价格昂贵。属于固-固相变，无液相产生。
通过上述比较，考虑到太阳能高温集热家庭供暖的实际需要，初步选择聚烯烃作为热储存的物质。
3.5换热与温度控制
由于系统热工质是热导油，由于成本的原因，还需要将其热量传送给室内的水循环系统。太阳能高温集热家庭采暖系统通过对热工质、末端散热器片和室内温度的数据收集，根据水温的变化，控制热交换器中水流的速度，从而控制散热器的水温保持恒定，进而控制室内的温度保持恒定。如果在热工质温度不能提供足够的热量来满足家庭的使用时，还可以控制蓄热系统进行放热，进行热补偿。如果仍无法满足需要，还可以自动启动辅助采暖系统进行补偿。
3.6辅助采暖
系统采用高温、蓄热、保温等多种手段来满足冬季连续采暖的需要，但由于太阳能的间歇性，遇到长时间连阴天，仍然存在无法持续供暖的需要，因此需要使用其他供暖方式进行辅助供暖。
辅助供暖可以采用电加热、热泵、燃气炉等方式。尤其是可以考虑在太阳能高温集热家庭采暖系统上增加太阳能、风能发电设施，通过蓄电系统进行辅助供暖。
3.7其他设施
1) 油泵。由于导热油的粘滞性大于水，因此为了保障热量的均衡，还需要设置油泵，对其进行强制循环。
2) 太阳跟踪设备。由于太阳角度的变化，因此需要设置太阳跟踪设备，确保能够最大限度的吸收太阳热。
3) 发电系统。由于油泵、太阳跟踪设备、温度控制设备等设施需要由电力驱动，因此还需要安装发电系统，如太阳能发电、风力发电设备，满足系统用电的需求。
4. 特征及现阶段的局限性
通过对系统各环节的研究，该技术可以很好的利用太阳能资源，节约匮乏的传统能源，能满足光照时间较长地区的冬季采暖问题。但由于这些技术自身的局限性，需要进一步加强研究和开发,努力解决以下问题：
1) 需要注意对导热油定期进行检查，防止氧化、结焦、泄漏、劣化等问题的发生；
2) 由于技术的原因，所选的蓄热材料还存在导热性差、易燃、有腐蚀性等问题，需要定期检查，防止泄漏。
3) 由于对热量进行储存，仍然要建造蓄热容器，增加了荷载，需要对相应的结构进行调整。
4) 集热系统的风阻问题。由于集热器面积较大，大风下容易发生事故，应注意做好加固措施。
5) 由于集热管采用玻璃和金属的复合管道，在实际应用中需考虑二者的热膨胀系数，选择系数一样的材料。
6) 由于集热管外部采用玻璃聚光温度较高，需要选择耐高温玻璃。
5. 结论
太阳能高温集热家庭采暖技术是为人类生活提供家庭供暖的一个新的方向，符合可持续发展战略思想，是深入学习实践科学发展观的重要成果。特别是在当前节能、环保成为国际热点话题的今天，如何利用新技术、新能源、新方法解决传统问题是我们值得思考的话题。相信在科技发展的今天，在科技工作者的共同努力下，在各学科的综合作用下，太阳能高温集热家庭采暖技术一定能有广阔的前景。
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