基于气象条件的山东省太阳能采暖分析林本波

　　0 引言
　　目前，人类所使用的任何能源，如石油、天然气、风能、生物质能等都是间接地来自于太阳能，因此太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富、使用方便、对环境无任何污染。在化石燃料紧缺的今天，太阳能已经吸引了越来越多的目光。太阳辐射是地球表层能量的最主要来源，是地球一切生命活动的唯一能量来源，也是大气运动的唯一能量来源，是天气气候形成及变化的基础，太阳辐射对太阳能的有效合理利用具有决定性的影响。
　　在实际的太阳能利用中，我们关心的是地球表面单位面积上的太阳辐射能，因为它的大小决定了太阳能的应用是否可行。由于太阳高度角、云量、能见度、大气中含水量、大气透明度等气象和物理因素和地理位置等各种因素的不同，地球表面的辐射强度差别很大。
因此，在开发利用当地的太阳能资源之前，我们首先要对当地的太阳能资源状况进行分析。
　　1 山东省太阳能资源分析
　　山东省位于中国东部沿海、黄河下游，其地势中部为隆起的山地，东部和南部为和缓起伏的丘陵区，北部和西北部为平坦的黄河冲积平原，主要山脉有泰山、蒙山、崂山等。以太阳直接辐照度达到或超过120W/m2的小时为单位的时间总和来看，太阳的日照时数从北往南减少，变化梯度大致呈西南~东北走向，全省变化范围为2200~2800h。半岛的中东部和鲁北的大部分地区在2600~2800h之间；鲁南最少，多数在2200~2400h之间变化，其他地区多在2400~2600h之间。蓬莱以2807h据全省之首，鲁西南的成武只有2148h，是全省最少，也是唯一不足2200h的地方。
冬季（12~2月），由于昼短夜长，各地日照时数都是全年最少的季节。鲁西南、半岛的中东部（东北部沿海除外）和鲁西北的大部分地区日照时数多在530~590之间，泰山以658h高居全省之首；鲁西南和半岛的东部沿海地区都在500h以下，菏泽市最低，基本都在440~470之间，成武仅有428h；其他地区一般都在500~530h之间。

　　下图为济南、福山（1961~2004年）和莒县（1990~2004年）逐年太阳能总辐射年际变化图（图中虚线为济南历年太阳总辐射变化趋势线）。济南历年太阳总辐射最低值出现在1990年，仅为4142.5MJ/m2 ，最高值出现在1965年，为5777MJ/m2。福山历年太阳总辐射最低值出现在1966年，仅为3859.47MJ/m2 ，最高值出现在1968年，为5777.83MJ/m2。莒县历年太阳总辐射最低值出现在2003年，仅为4611MJ/m2，最高值出现在1997年，为5498.81MJ/m2。
　　从济南太阳总辐射变化趋势线可以看出，济南地区的太阳总辐射呈明显的下降趋势，下降幅度达20.3MJ/m2，这是由于“随着城市的发展，大气污染的严重，使大气浑浊度逐年增加，同时大气中的气溶胶增多使成云成雾的可能性也增大，致使城市日照时数减小”，从而造成“济南的太阳总辐射量在逐渐下降”。尤其是在2013年年初的强雾霾天气，因为大气污染严重，不仅导致海陆空交通受阻、PM2.5严重超标威胁着人民的身体健康，而且导致日照时数一直在底数徘徊。济南也好几次在全国大气污染最严重的城市榜单中位置靠前。

　　分析近40年来总云量和低云量，发现其变化不大，总云量一直在平均指左右波动，没有明显增加，说明低云量不但没增加反而减少，因此可以初步认为太阳总辐射的减少并非云量的变化引起，主要是由于大气中的悬浮颗粒物增加所致。
总体分析，山东省太阳能资源属于资源一般区和资源较富区，设计时应考虑各地市的区别，并按相应的太阳能保证率进行设计。
　　2 太阳能采暖系统的分类
　　太阳能供热采暖系统由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热系统、热水系统、自动控制系统和其它能源辅助加热/换热设备集合组成。
　　太阳能供热采暖系统按所使用的太阳能集热器类型可分为空气集热器和液体工质集热器两种，按所使用的末端供暖系统类型可分为低温热水地板辐射、水—空气处理设备、散热器和热风采暖四种系统，按蓄热能力可分为短期蓄热和季节蓄热两种系统，按集热系统的运行方式可分为直接式和间　　接式两种系统。
　　下面介绍两种最常见的系统形式。
　　2.1 太阳能地板辐射供热系统
　　地板辐射采暖主要是由地板内的加热盘管中的热水向外传热，传热过程为管壁对地板表面传热，地板向室内空气传热。
　　近些年来，随着技术的发展，真空管太阳集热器的质量有了很大的提高。利用真空管太阳集热器，增加辅助热源并设置完善的控制技术，使得太阳能地板辐射采暖走进千家万户成为可能。目前真空管太阳集热器的实际应用领域主要是生活热水的供应，而生活热水的特点是不需要连续供应即可满足需求。但为住宅提供采暖用热水则完全不同，必须保证连续供应，而且要稳定可靠，才能保证用户的需求。因此完全依靠太阳能很难保证用户的需求，必须配备利用常规能源的辅助热源。在应用太阳能地板辐射采暖系统时，要根据当地太阳能资源条件、常规能源的供应状况、建筑物热负荷和周围环境条件等因素，做综合经济性分析，以确定适宜的辅助热源和合理的太阳能供暖比例。目前在采暖中可以选择的辅助热源主要有：小型燃气（油）锅炉、城市热网或区域锅炉房以及工业废热等。
　　2.2 太阳能复合热泵系统
　　太阳能复合热泵系统可分为太阳能—空气源复合热泵系统、太阳能—水源复合热泵系统和太阳能—土壤源复合热泵系统等几种。
　　其中，太阳能—土壤源复合热泵系统是指夏季直接利用太阳能制冷和提供生活用水,并将多余的热量储存于土壤中,冬季从太阳能集热器和土壤中取热供暖和提供生活用水。夏季直接利用太阳能制冷和提供生活用水是指在夏季时主要应用太阳能系统通过太阳能集热器将自来水加热,利用太阳能转换的热能驱动进行制冷,这部分热水主要提供给吸收式或吸附式制冷机来满足负荷要求,机组的制冷系数可达0.8。到了冬季,太阳辐射强度明显达不到要求，此时每天在充分利用太阳能的基础上，再利用地源热泵系统将夏季太阳能系统储存到土壤中的热量取出来。这样就存在着土壤源热泵何时启动何时停止的问题，太阳能与热泵智能切换系统能解决这个问题。太阳能热水系统晴天最佳产热时间是每天早上9点至下午3点，把最佳产热时间分为若干个时间段，每个时间段设定依次升高的保温水箱热水温度(太阳能期望的温度)。如某个时间段水箱热水的温度达不到设定的太阳能期望的温度，则热泵启动加热至热水温度到设定的温度就停止。这样中央热水系统能充分利用太阳能的同时要保证供热水的温度，避免要使用热水时热泵来不及加热的情况。太阳能与热泵智能切换系统可自动鉴别天气，自动切换热泵机组少开或不开机。
　　3 小结
　　山东各地市的太阳能资源量有差别，但差别不是很大，在我国虽然处于并不十分丰富的地区，但是如能合理利用，在节省常规能源和减少环境污染方面有巨大的优势。
使用太阳能复合能源系统可大大提高太阳能系统的年利用率,运行效益显著提高。
　　参考文献：
　　[1] 马树杰. 关于太阳能供热采暖工程的应用及推广[J]. 民营科技, 2001,135
　　[2] 任绳峰，吕建等.天津市太阳能资源分析及其在供暖上的应用[J].太阳能建筑,2011：34-36
　　[3] 董旭光. 山东省太阳能资源评估[D].甘肃：兰州大学, 2009：1-15.
　　[4] 宋丽亚. 在太原地区节能建筑中利用太阳能采暖的评价[J]. 山西建筑, 2000,155-156
　　[5] 何涛，张欣宇等. 太阳能热利用系统性能监测与节能效益评价方法研究[J].可再生能源, 2012,75-76
　　[6] 孟玲燕，徐士明等. 太阳能与常规能源复合空调/热泵系统在别墅建筑中的应用研究[J]. 制冷学报, 2006,15-22