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一 项目概况
项目名称：北京门头沟区妙峰山镇樱桃沟村民居太阳能热水采暖项目
建设背景：北京门头沟区妙峰山镇樱桃沟村是北京社会主义新农村建设改造首批示范村，改造建筑总面积16000m2。改造后的82套民居建筑依山坐落，洋溢着淳朴的北方乡村民俗建筑风情，百姓生活硬件设施条件改善有了质的飞跃。平均200m2的二层独栋式建筑，双卫生间设计，热水及采暖配套由清洁能源——太阳能集热电辅助热源供给。
项目业主单位：北京门头沟妙峰山镇樱桃村村委会
承建单位：北京天鸣阳光太阳能科技有限公司
项目建设时间：2005年9月～2008年10月
项目规模：总建设面积16000m2，最大单户建筑面积947m2，最小单户建筑面积104m2，平均单户建筑面积200m2，安装太阳能集热面积3200m2，平均单户安装太阳能集热面积40m2。
建筑类型和节能措施：二层独栋式砖混结构建筑，建筑面积平均200m2，现浇坡屋顶，双层玻璃塑钢窗，外墙为370mm黏土空心砖墙，二层坡屋顶内吊石膏板平顶，上面满铺500mm岩棉板保温。供暖末端采用低温热水地板辐射采暖系统。
二 工程概况
1 设计参数
采暖面积及采暖负荷：本项目低温热水地板辐射采暖设计供回水温度为30℃～40℃，室内设计温度为16℃，室外设计温度为-9℃，节能建筑采暖设计热负荷为50W/m2，建筑耗热量指标为20.6W/m2。北京地区采暖期为125d。
本建筑采暖面积按160m2计算，采暖设计热负荷为50W/m2，电辅助加热功率应配置8kW；建筑耗热量指标为20.6W/m2，采暖期建筑日平均耗热量为3296W/d。
热水负荷：建筑户均人数按3.0人/户计算，设计最高日用热水定额取100L/人，设计平均日用热水量取50L/人，设计热水温度为45℃。
当地环境温度、自来水温度：当地冬季环境温度平均为-2.2℃，冬季最低环境温度为-9.2℃，自来水温度按10℃设计。
2 太阳能供热系统
目前，太阳能集热器主要有平板集热器、全玻璃真空管集热器、金属-玻璃真空管集热器三大类别。
太阳能集热系统采用真空管集热器，南北向竖置式真空管集热器与建筑坡屋面结合相比横排真空管集热器更加美观，同时有利于防止积雪覆盖及减少真空管积尘影响。平板集热器在同样安装条件下易积雪、积尘，影响系统集热。金属-玻璃真空管集热器性能较好，但造价偏高。
结合本项目特点，系统选用竖置式三防三腔全玻璃真空管集热器，集热器性能参数如表1所示。
集热器性能特点：集热器采用联箱式微承压设计，适用于自然循环、强制循环太阳能集热系统；集热器采用国标全玻璃真空管高效集热，真空保温，全年运行，投资较经济；集热器的真空管南北竖放置，内置玻璃芯管，强化自然循环集热，使真空管内的存水量减少，系统有效得热量提高；集热器的真空管全天自动跟踪阳光，集热器安装与地面夹角在30°～75°范围任意设置；集热器可采用循环防冻/介质防冻措施保证在寒冷地区运行。
系统集热器面积：综合考虑建筑采暖负荷及生活热水负荷，系统配置集热面积为40m2，集热器倾角设置按建筑坡屋面角度为28°，朝向正南。
水箱容积：水箱容积按生活热水配置要求为150L，SUS304不锈钢内胆，聚氨酯整体发泡，敞开式水箱，内置生活热水换热器。
3 系统运行方案
系统分夏季热水模式和冬季采暖模式，双模式手动控制转换，系统原理图如图1所示。
夏季热水模式下，太阳能集热运行：T1-T3≥8℃时，集热循环泵P1启动循环；T1-T3≤2 ℃时，集热循环泵P1停止循环。
夏季热水模式下，电辅助加热运行；电加热在设定时间段内运行。设定时间段内，T3达到设定下限温度值40℃时，电加热B输出加热；T3达到设定上限温度值50℃时，电加热B停止加热。
冬季采暖模式下，太阳能集热采暖：T1-T3≥8℃时，集热循环泵P1启动循环，同时采暖循环泵P2启动循环；T1-T3≤2℃时，集热循环泵P1停止循环，同时采暖循环泵P2停止循环。
冬季采暖模式下，电辅助加热运行：电加热在设定时间段内运行。设定时间段内，T4达到设定下限温度值20℃时，电加热A输出加热，同时采暖循环泵P2启动循环；T4达到设定上限温度值30℃时，电加热A停止加热，同时采暖循环泵P2停止循环。
冬季采暖模式下，系统防冻保护：T2达到设到设定下限温度值4℃时，系统防冻保护输出，系统防冻循环或管路防冻伴热输出；T2达到设定上限温度值8℃时，系统防冻保护停止。
系统补水：系统储热水箱满液位运行，当水箱液位低于设定液位下限时，自动补水输出；达到设定液位上限时，系统补水停止。
生活热水：生活热水利用自来水通过水箱内置换热器即时换热供给。
三 系统运行和监测
1 太阳能资源
按《中国气象辐射资料年册》2001年册的气象资料统计数据给出的水平面月平均日辐射值换算成与水平面成当地纬度角的太阳辐射月平均值见表2，太阳能集热器效率按50%计算。
2 建筑耗热量
本项目无建筑热工计算数据，按节能50%建筑估算，则建筑设计热负荷取50W/m2，建筑耗热量指标取20.6W/m2，采暖室外计算温度T为-9℃；
计算采暖期的耗热量时应折算为面积平均热指标q=Q×[(t-t1)/(t-T)]
其中：q为面积平均热指标，W/m2；Q为采暖设计耗热量，按30W/m2计算；t为采暖室内计算温度，按16℃计算；t1为月平均温度，℃；T为采暖室外计算温度，按-9℃计算。
根据采暖设计热负荷，按照各月的平均面积热指标（W/m2），计算结果见表3。
根据每个月的采暖天数计算出各月的采暖耗热量，计算结果见表4。
3 太阳能采暖保证率
根据表2和表4所得数据，可以计算出采暖期各月太阳能采暖保证率及能量盈缺的情况，计算结果见表5。
4 辅助加热耗电量
4 辅助加热耗电量
太阳能采暖不足部分由辅助电加热补充，各月所需耗电量见表6，电加热效率按95%计算。
四 系统特点
从上述逐月计算分析可见，对于太阳能采暖系统来说，相对常规能源采暖模式延长采暖期，可有效利用采暖初期太阳日照条件较好、室外环境温度还不低的条件，通过太阳能集热系统独立对建筑及采暖系统进行初始预热，从而减少正常采暖期到来后建筑采暖的初始耗热量，平衡整个采暖系统的耗热量，有效提高太阳能采暖贡献率。
尤其在12月及2月期间，实际计算所得建筑耗热量指标（面积平均热指标）较大，按最不利因素设计太阳能集热面积将导致初投资过大，且对采暖品质保证十分不利。本系统仍按建筑耗热量指标参数设计太阳能集热面积，采暖期建筑耗热量偏大时由辅助热源补偿，综合考虑系统的经济合理性。
考虑采暖初期与末期实际可减少辅助加热使用消耗因素，以及地板采暖良好的热稳定性对室温保持的有利因素，系统实际运行过程中，通过合理管理控制辅助加热时段，可实现预期运行费用控制目标。
本系统室内设计温度按16℃计算，室内温度的提高将导致建筑实际耗热量增大。在太阳能集热面积已确定、免费得热量即已固定上限的情况下，增加的热负荷只能通过辅助热源提供，因此本系统使用运行过程中应加强对用户室内温度的监测控制，从而合理节省采暖运行费用。
本系统供暖末端采用低温热水地板辐射供暖方式，采暖水循环行程相对较长，系统热容量相对较大，因此采暖循环连续运行，热补充定时分段投入，对各个区域热循环平衡、节省耗能有利。本系统的采暖循环泵为低耗电量的节能泵，长期运行耗电量少。
本系统为复合节能采暖热水系统，包括太阳能集热采暖热水系统、辅助加热保障供暖系统、低温热水地板辐射供暖系统、建筑外保温低热耗系统、免费生活热水供给系统，通过各系统的相互作用，自动运行，实现满足用户采暖温度不低于16℃，生活热水不低于50℃的条件下最低能耗的目的。
太阳能集热采暖热水系统：自动利用太阳能转换热量，提供给室内采暖及制备生活热水需要，系统自动判别有效热能，及时得到并转换到室内及热水箱内，对用户而言所得即所省。受太阳光照条件和时间的限制，以及所配置的太阳集热面积大小决定，不能无条件及时提供需要的“无限”热量，因此太阳能集热采暖热水系统满足采暖及热水还需要建筑外保温低热耗系统帮助。当建筑实际耗热量与太阳能得热量匹配时，太阳能就独立满足了采暖基本需要，这段时间也就实现了相对其他采暖形式而言的“零能耗”概念。太阳能集热采暖热水系统对于采暖期的建筑采暖来说，其作用是一定条件下维持室温、补充热量。太阳能集热面积可依据满足节能建筑耗热量指标设计计算，以控制过大的初投资及非采暖期系统过热。
辅助加热保障供暖系统：当太阳能得热量与建筑实际耗热量供小于求时，为满足用户采暖条件的快速辅助保障系统。电加热保障供暖系统串联于太阳能采暖热水系统中，可根据用户需要决定启动、停止动作，可根据采暖供水回水温差自动运行。
低温热水地板辐射供暖系统：低温热水地板辐射供暖系统散热面积大，散热均匀，有很好的蓄热能力，设计供水温度50℃，回水温度40℃，地盘管供水温度不超过60℃，实际运行时供水温度30～40℃，回水温度20～30℃，即可达到良好的供暖效果，地表温度保持24℃左右，室内温度保持15～18℃。采暖所需热量是通过供、回水温差来携带转换的，不能仅看温度值。低温热水地板辐射供暖系统的这种温度特性可以使太阳能集热采暖热水系统充分发挥效率，减少系统外的无效热损失，实现最大得热量。
建筑外保温低热耗系统：有效隔绝建筑内部能量与外部能量的相互传递，使建筑内部空间有效保温隔热，最大程度地减少建筑在采暖期向外部环境散失的热量。本建筑按节能50%住宅估计，单位面积建筑耗热量指标应不超过20W/m2，本项目太阳能集热面积的得热量依据单位面积建筑耗热量计算，考虑投资经济性及屋内可利用面积，实际集热面积按负偏差记取。由此可见单位面积建筑实际耗热量对太阳能采暖系统效用体现非常关键。
免费生活供水供给系统：太阳能全年全天候提供用户生活热水的承压供给系统。为了方便用户使用，系统采用承压换热即热供水方式，等于为每户配置了一套大容量分体承压太阳热水系统，可以免费保障用户全年正常热水使用。用户在使用太阳能热水时无需担心上水、热水压力不足、屋顶炸管跑水、集热管结水垢、冬季热水器防冻等问题。
由于太阳能集热面积计算按冬季采暖需求考虑，因此夏季必然出现系统过热状况。本项目太阳能集热系统采用开式系统设计，可以避免闭式系统由于过热而导致系统过压损环。系统热水箱及地暖供水通过控制系统防高温过热温度设置功能避免供水超温。对于采暖真空管集热器的系统，包括全玻璃真空管集热器和金属-玻璃真空管集热器，在非采暖期可采用被动遮盖方式避免系统过热。对于采用平板集热器的系统，在非采暖期可以采用被动空晒方式避免系统过热。
编辑：潮小楠