太阳能供热空调系统防过热问题探讨

随着国民经济的发展，常规能源的消耗日益增加，但是常规能源是有限的，为了实现社会的可持续发展，可再生能源的应用日益引起重视。太阳能热利用技术是可再生能源利用的最为成熟的一种方式。太阳能热利用主要包括太阳能生活热水，太阳能采暖和太阳能空调。太阳能生活热水在我国的应用非常普遍，热水多为常年负荷，系统的过热情况不是十分严重，随着太阳能供热空调系统在建筑中的应用，由于采暖和空调的具有季节性，但是太阳能集热系统是全年都在工作的，因此在非采暖季和不空调季节，如何处理太阳能集热系统收集的大量热量成为太阳能供热采暖系统设计人员必须考虑的问题。笔者结合太阳能供热空调系统的工程设计实践，对采用的防过热系统设计方案进行总结，与太阳能供热空调系统设计人员探讨。

由于太阳能集热系统只能在白天可以吸收太阳能，转换为热量贮存或者消耗起来，理论上讲，可以把所有消耗不了的热量储存起来，但是这样需要很大设备去存储热量，需要很大的空间，这在实际的建筑工程是不可能的，当太阳能集热系统收集的热量及无法消耗，又不能大量储存，因此就导致太阳能集热系统发生过热现象。

简言之，就是太阳能集热系统提供的热量大于所需要的负荷，同时无法大量存贮，产生了过热现象。常见的太阳能热利用系统主要有太阳能热水系统，太阳能采暖系统和太阳能空调系统，太阳能热水系统和太阳能采暖系统通称为太阳能供热系统。对于太阳能热水系统而言，由于其负荷具有全年性，所以其过热问题不是十分严重，但是如果用户在夏季连续一段时间不使用热水，系统也会发生严重的过热问题太阳能采暖系统和太阳能空调系统由于其负荷具有季节性，在非采暖季和不空调季节，太阳能集热系统收集的大量热量无法消耗，因此就存在过热问题，过热会导致太阳能集热系统工作不正常，严重系统损坏。太阳能采暖系统和太阳能空调系统的成败一个关键的因素就是如何处理好过热问题，另外一个问题是太阳能集热系统的防冻问题，大多数时候集热系统过热与防冻是需要同时考虑的问题。

在上面已经做过分析，存在过热的主要原因是太阳能集热系统提供的热量大于需求，因此解决过热的最合理的方式是将热量合理消耗。但是针对具体的工程，有的时候无法将热量消耗，因此需要结合系统的实际情况，采取相应的措施解决过热问题。

本文提到的太阳能采暖系统只有采暖负荷，没有空调负荷。这样一来在非采暖季，太阳能集热系统就会产生大量的热量无法消耗，对于同一个建筑物而言，其热水负荷相对于采暖负荷是非常小的，也就是说，即使有热水负荷，集热系统的过热问题也非常严重，如果邻近的建筑物可以消耗掉太阳能集热系统的热量，这是最合理的解决方式，但是在实际工程中，由于许多非技术方面的原因，根本无法实施。

因此可以考虑将非采暖季太阳能集热系统的热量收集起来，贮存到冬天使用，根据贮存的温度可以高温贮存也可以低温贮存，本文所指的高温为当地大气压对应下的蓄热介质的沸点温度，低于沸点温度及为低温。中国建筑科学研究院科技园的太阳能采暖系统就是采用高温水跨季节蓄热来解决过热问题^[1]，夏季将热量存贮在混凝土蓄热水池内供冬天使用，由于场地条件的限制和投资等因素，混凝土蓄热水池不能做的太大，仍然可能存在过热问题，但是混凝土水池为开式，过热不是十分严重，在系统设计时注意蒸汽的排放位置和系统补水。这样就提高了的系统的太阳能采暖保证率。

由于经济因素，国内很少采用太阳能低温蓄热系统，因为低温蓄热，存在着如何将热量提取出来的问题，最好的提取热量的方式是采用热泵系统，但是热泵系统造价较高，由于热泵的工作效率高，在同样的太阳能集热系统规模条件下，太阳能采暖系统的保证率会大大提高，在欧洲有许多低温跨季节蓄热和热泵耦合的太阳能采暖系统。

一般在进行太阳能采暖系统跨季节蓄热系统设计时，考虑太阳能资源的不同等因素，一般每平方米太阳能集热应匹配的蓄热容积为1.4～2.1立方米^[2]。

还有一种解决方案是太阳能采暖系统集热系统采用开式系统来解决系统过热问题，系统水分蒸发，系统通过定压系统补水，集热系统定压采用高位水箱进行定压，定压点最好设置集热系统回水管上，集热系统设计应处理好坡度问题，同时设计应考虑高温水箱的位置和热水或蒸汽的排放位置。云南某项目就采用防冻液开式系统同时解决了过热和防冻问题。

通常来讲由于建筑物可以放置太阳能集热器面积的限制，太阳能空调系统提供的冷量不能满足建筑物的供冷需求，过热主要发生在非空调季节，非空调季节主要包括过渡季和采暖季，由于太阳能的不稳定，太阳能空调系统需要有蓄热水箱和蓄冷水箱，在采暖季向空调季过渡时，可以通过延长供暖时间，将热量通过吸收式冷水机组变成冷量蓄存在蓄冷水箱，提前供冷时间来解决过热问题；在空调季向采暖季过渡时，可以通过延长空调时间，将热量同时存在蓄热和蓄冷水箱中，提前供暖时间来解决过热问题，由于采暖负荷为连续负荷，而空调负荷为间歇负荷，采暖的耗能量一般大于空调的耗能量，因此采暖季一般不会出现过热问题。即使这样也会存在过热问题，通常空调系统采用的解决过热办法有以下几种：

（1）采用膨胀罐吸收系统的膨胀量：由于考虑防冻的问题，通常集热系统采用防冻液，为了减少防冻液通过安全泄压阀排掉，采用膨胀罐吸收膨胀后的工质，这里的膨胀罐体积计算应考虑所有工质膨胀为气体是容量的因素。应根据集热器的最高工作温度和工质的变质温度确定膨胀罐的隔膜工作温度。青岛奥帆中心就采用了膨胀罐来解决过热问题。

（2）采用冷却器：根据集热系统的工作温度等条件开启冷却器将集热系统的温度将下来，实现保护集热系统的目的，要根据过热量和系统所在地室外温度确定冷却器的风量。奥运村的太阳能集热系统就采用冷却器来解决集热系统的过热问题。

（3）采用开式集热系统：同太阳能采暖系统集热系统过热解决方法。中国建筑科学研究院科技园的太阳能空调系统的集热系统就采用开式集热系统^[1]。

只有很好的解决太阳能集热系统过热问题，才能更好的保护太阳能集热系统，使其正常工作，发挥其节能效果。总而言之，解决太阳能集热系统过热问题最合理方法是将热量消耗掉，如果不能消耗，要么将热量存储，要么将热量散出，具体采用何种解决过热方法，可以综合经济因素和建筑物实际情况采用，在解决系统过热的同时应考虑太阳能集热系统的防冻问题。

[1] 张昕宇等.太阳能供热空调系统在建筑中的应用实例[J].暖通空调增刊（全国暖通空调制冷2006年学术文集）

[2] WERNER WEISS. Solar Heating Systems for Houses- A Design Handbook for Solar Combisystems[M].London: James& James(Science Publishers)LTD.2003