用于加热和冷却的太阳能热板

最初发布于SolarLove.org。

消除了对电力或天然气的需求，太阳能采暖和制冷技术可以收集和使用来自太阳的免费清洁热能。太阳能采光和制冷系统是太阳能光伏发电系统的一种经济替代方案，该系统可发电以满足物业的所有能源需求，而太阳能采暖和制冷系统则完全不需要电力来冷却或加热家庭或企业中的空气和水。

在美国，将近75％的住宅能源消耗与热水，空间供暖和空间制冷有关。根据太阳能产业协会（SEIA）的数据，每年有1.15亿户家庭消耗2660亿美元的能源，这与每年派出1000万美国人上大学的人数大致相同。同样，每年有480万座商业建筑消耗1079亿美元的能源，其中约47％与供热和制冷有关。

在美国，如此多的能源消耗直接归因于空气和水的加热和冷却，因此太阳能加热和冷却在提供满足这些基本需求的经济可行和环境可持续的解决方案中可以发挥重要作用。

太阳能供暖和制冷也可以在减轻全球变暖的影响方面发挥重要作用。根据太阳能工业协会（SEIA）的数据，安装了太阳能热水系统的单户住宅将平均减少二氧化碳排放量28％。结合使用太阳能空气和水加热系统，二氧化碳的减少量很容易超过60％。同样，通过安装太阳能加热和冷却系统，补充空气量较高的企业和制造工厂也可以实现类似的二氧化碳减排。

太阳能采暖与制冷技术的兴起

为了显着减少美国对进口燃料的依赖，太阳能供热和制冷（SHC）系统已经成为向太阳能时代过渡的重要中间步骤。数十年前作为太阳能加热室外游泳池的一种有效手段而流行，如今，太阳能采暖和制冷已广泛用于住宅，商业和工业应用中，以对空气和水进行加热和制冷。

SEIA报告称，美国每年安装超过30,000个太阳能供暖和制冷系统，在美国雇用了5,000多名工人，估计产生了4.35亿美元的收入。但是，美国市场对太阳能供热和制冷的渗透率较低，装机容量仅为9吉瓦热（GWth）。另一方面，在中国，太阳能供热和制冷系统的安装速度是美国的10倍。

太阳能供热和制冷–基本知识

热能可以由许多可再生资源产生，例如太阳能，生物质能和地热能。这些系统统称为可再生加热和冷却技术。将阳光转换为可用热能的系统称为太阳能加热和冷却（SHC）技术。

热能的度量通常以英制热量单位（BTU）表示，它表示将一磅水的温度提高华氏1度所需的能量。BTU或“热量”很容易转换为千瓦时（kWhs）。

通过太阳能集热器捕获太阳的能量，热量可以有效地传递到建筑物中以进行加热和冷却。太阳能加热和冷却技术易于回收且无毒，主要由铜，铝，钢和/或聚合物组成。SHC系统的设计经过适当设计，可满足建筑物的特定空间以及水的加热和冷却需求。

以下是“太阳能采暖与制冷”对当今太阳能采暖和制冷技术的基本说明：为安全的未来而努力：

•太阳能集热器：

仅一个或两个太阳能集热器就可以满足普通美国家庭的取水需求，这需要大约60平方英尺（ft2）的屋顶空间。但是，天气比平均气温偏冷的偏北地区可能需要更多的太阳能收集器，大约需要400平方英尺。

有几种类型的太阳能收集器，包括平板，真空管，整体收集器存储（ICS），热虹吸管和集中式。平板收集器是美国最常见的收集器类型。平板集热器的铜管连接到一个吸收器板上，该吸收器包含在一个绝缘箱中，该绝缘箱用钢化玻璃或聚合物盖板覆盖。

抽空的集热器由成排的平行，透明的玻璃管组成，这些玻璃管已被“抽空”，从而为在管的长度内流动的流体创建了高效的隔热体。当需要更高温度或更多水量时，通常使用真空管系统，以及过程加热和太阳能空调系统。

简单的无釉收集器通常用于在温暖的气候下加热水池水或预热大量工业过程用水。平板式，集中式和真空管式集热器使用透明的盖板或玻璃，金属或聚合物吸收器，以及隔热材料，可在较高温度下有效地产生热量。

虽然大多数太阳能集热器通常用于温度高达200°F的水和空间加热，但集中式集热器可产生超过300°F–400°F的热量，因此在工业和制造过程中非常有用。

•太阳能空气加热：

太阳能加热系统在捕获太阳能方面非常有效。借助当今的技术，SEIA报告说，太阳能加热系统“通常每平方英尺安装的集热器面积每年产生45 kWhth至102 kWhth（或等效热量单位的1.5至3.5 therms / ft2），占全部热能设备的80％。可用的太阳能撞击集热器的表面。”

太阳能空气加热系统通常使用无毒的液体，水或空气来传递来自太阳能收集器的热量。基于液体的系统将水或防冻液加热后，通过连接到储罐的热交换器循环加热的液体。基于空气的系统在太阳能集热器中加热空气，然后由风扇分配加热后的空气，根据空间供暖的需要将其在房屋或财产周围循环。储能技术还可与太阳能采暖系统一起使用，以在没有阳光时和晚上提供热量。能量存储也可以与太阳能冷却和太阳能热水应用一起使用。

太阳能空间供暖的另一种形式是在南墙上使用垂直安装的蒸散式太阳能收集器。蒸散的太阳能集热器中有孔眼，这些孔眼使空气能够进入，并在空气上升时对其进行加热。当加热的空气上升到墙壁的顶部时，它被引导到建筑物的通风管道中，以作为空间供热进行分配。

图片来源：通过SEIA.org从Solar Wall垂直安装在纽约Fort Drum的外墙上的太阳能空气加热系统

•太阳能冷却：

太阳能制冷应用非常有用，因为当室外天气非常炎热时，空调会给电网带来很大压力。利用相同的热量和强烈的阳光来生产太阳能空调是减少这种压力的理想解决方案。适当大小的住宅太阳能冷却系统也称为太阳能辅助冷却，在冬季也可以用于空间采暖。

吸收式冷却器系统和干燥剂系统是太阳能冷却系统的两种类型。两种制冷机中最常见的是吸收式制冷机系统，该系统使用太阳能集热器和热化学吸收过程来产生空调，而过程中没有用电。该过程与冰箱非常相似，除了在太阳能冷却中不使用压缩机。相反，来自太阳能收集器的加热液体驱动吸收循环。

第二类太阳能冷却系统是干燥剂系统。空气通过普通的干燥剂（例如硅胶）冷却，该干燥剂从空气中吸收湿气，使其倍感舒适。太阳能用于干燥干燥剂，使其再生以供再利用。

•太阳能热水：

SEIA报告说，美国每年有超过900万台家用热水器被更换，这为过渡到太阳能热水器提供了巨大的机会。成本相对较低，大多数家用太阳能热水系统可以在一天内轻松安装。太阳能热水系统有两种类型：主动系统（依靠电动泵使水循环）和被动系统（使用热力学来移动水）。主动式太阳能热水系统在美国的住宅和商业应用中最为普遍。

太阳能热水器由三个主要元素组成：太阳能收集器，隔热管道和热水储罐。还可以包括电子控件，以及用于寒冷气候的防冻系统。太阳辐射击中太阳能收集器，太阳能收集器吸收热量并将其传递到系统中的饮用水中。热水从集热器流出，进入热水罐，热水可根据需要使用。

由于寒冷地区的冻结温度，使用了间接系统。在这种情况下，诸如无毒丙二醇之类的防冻溶液在太阳能收集器中被加热并流到热水储罐上的热交换器。热交换器将防冻剂溶液中的热量传递出去，使装满饮用水的储水罐变热。该热水可按需使用，而防冻液可循环回太阳能集热器进行重新加热。

无论哪种情况，设计和安装正确的太阳能热水系统都可以满足房屋或建筑物热水需求的80％。

•太阳能泳池供暖系统：

当今，美国太阳能加热技术的最广泛使用是太阳能游泳池加热。据SEIA称，每年安装超过30,000个太阳能泳池供暖系统。由于易于安装和投资回收期短，过去35年以来，全国范围内对住宅区太阳能池供暖的接受程度一直很高。

SEIA还指出，诸如酒店，度假村，公寓大楼，健身俱乐部和学校之类的企业是太阳能泳池供暖的绝佳场所。全国有超过186,000个温水商业游泳池，其中60％以上是室内的，需要全年供暖。户外商业游泳池也经常被连续加热。正如SEIA所指出的那样：“加热位于加利福尼亚等温暖气候下的竞争规模的室外游泳池所需的能量相当于大约150个单户家庭的年度天然气消耗，因此可以节省大量能源在这个地区。”

根据气候以及泳池位于室内还是室外，太阳能泳池供暖系统将需要适当的太阳能收集器。然后，热水从太阳能集热器流过游泳池的过滤系统，将热水转移到游泳池中。

图片来源：通过SEIA.org进行Aquatherm

太阳能供热与制冷的经济学

根据SEIA，住宅太阳能热水系统的价格通常在6,000至10,000美元之间，具体取决于系统类型和地理位置。联邦投资税收抵免（ITC）以及各种地方，州和公用事业激励计划可显着降低此成本。在这些激励措施下，已安装系统的自付费用通常为$ 3,000- $ 5,000，投资回收期通常为4-8年。

典型的商业应用包括空间加热，冷却和水加热。根据SEIA的说法，特别适合这些太阳能应用的建筑物类型包括“军事设施，制造工厂，大型多户住宅建筑和经济适用房，市政设施，酒店，老人和学生住房，医院，运动中心，和农业行动。”商业和工业系统的价格通常在20,000美元至1,000,000美元之间，具体取决于尺寸以及加热或冷却负荷。根据应用程序，位置和经济激励措施，商业系统的投资回收期同样可以低至4-8年。

SEIA指出，太阳能加热和冷却系统的资本支出（CAPEX）通常高于传统的燃料系统，但另一方面，由于燃料是免费产生和供应的，因此运营支出（OPEX）则低得多。预算燃料费用已成过去，随着向清洁，可再生太阳能采暖和制冷技术的过渡，大大降低了运营成本。

促进进一步增长

小型住宅部门约占美国当前太阳能供热和制冷市场总量的80％。SEIA估计，通过扩大太阳能供暖和制冷系统以产生约8％的美国总供暖和制冷需求，SEIA估计，这可以取代64家燃煤电厂，或每年取代约2.26亿吨碳抵消量。

“太阳能加热和冷却：由SEIA成员公司和BEAM Engineering合作开发的能源，实现安全的未来奠定了基础，通过将已安装的太阳能供热和制冷能力从现在的9 GW热能提高到2050年的300 GW，奠定了实现8％的基础。SEIA预测，这将为美国房主，企业，学校和政府带来50,000多个美国高薪工作，并估计每年节省610亿美元的能源。

SEIA总裁兼首席执行官Rhone Resch报告说：“ 1891年，巴尔的摩的发明家Clarence Kemp为美国第一台商用太阳能热水器申请了专利。肯普（Kemp）将一个简单的金属罐封闭在一个木箱中，制造出所谓的“批量”热水器。回顾过去， Resch说，“自那时以来，我们无疑已经走了很长一段路！”