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20 世纪90 年代, 温室气体排放造成的全球变暖。
问题引起了国际社会的高度重视和广泛关注, 利用可再生能源替代常规能源是改变目前的能源结构最有效的途径。采暖在国内建筑用能中占据较大份额, 北方地区采暖占家庭能耗的一半以上, 同时利用原煤作为采暖能源是造成冬季大气污染的主要根源。因此,减少和替代采暖用煤最有效的途径是推广使用太阳能采暖等可再生能源技术。太阳能采暖在欧洲等发达国家已大规模推广, 已成为太阳能热利用新的应用领域。欧洲到2005 年共安装1536 万m2 太阳能集热器[1], 采暖系统使用集热器约占集热器总量的20 %, 每年新建太阳能采暖系统约12 万个, 每个系统可节约常规能源20%～60%。
1 太阳能采暖系统的设计
太阳能采暖系统是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖和热水的供热需求的系统, 因此常称为太阳能联合系统( Solar Combisystem) 。如图1, 太阳能采暖系统主要由三部分构成: ① 热能提供部分, 即太阳能集热器和辅助能源; ② 储热和换热设备; ③ 热能利用部分, 提供生活热水和采暖。太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下差异: ① 采暖负荷在不同月份变化很大, 热水负荷四季差别较小; ② 热水系统进水温度较低, 供水温度较高, 而采暖系统供回水温差较小; ③ 太阳能与采暖负荷存在明显矛盾: 太阳能辐照强度高的月份( 3～10月) 不需要采暖, 太阳辐照强度高的白天采暖负荷较夜低。
由于太阳能采暖系统和热水系统存在以上差异,因此在采暖系统设计中不能简单把热水系统放大, 必须考虑以下几个方面: ① 辅助能源; ② 太阳能保证率;③ 系统的防冻问题; ④ 系统的过热问题; ⑤ 换热系统的设计。在系统设计中, 尤其需注意系统的过热问题和换热水箱的设计。
1.1 辅助能源 太阳能辐照强度随着时间、季节和天气是显著变化的, 大部分的太阳能采暖系统需配备辅助能源系统, 当阴天、夜晚等太阳能满足不了采暖需求时, 由辅助能源系统提供全部或部分热能。辅助能源系统有: ① 燃煤锅炉; ② 燃油或气锅炉; ③ 电锅炉; ④ 生物质锅炉等。以上辅助能源按出力调控方式不同分两类: 一类是可及时控制的能源,如燃油或燃气锅炉、电锅炉和带燃烧器的生物质锅炉另一类是非及时控制的能源, 如燃煤锅炉和烧劈柴锅炉等。在采暖系统设计中, 对于非及时控制的辅助能源, 可以利用容量较大水箱进行储热缓冲, 保证采暖系统进水温度波动较小, 提高采暖的舒适度和便于对水泵和控制阀等部件的控制。
1.2 太阳能保证率
太阳能保证率是指太阳能提供的能源占系统热水和采暖所需总热量的比例。对于太阳能采暖系统,其保证率一般在20 %～60 %, 国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率, 甚至实现热水和采暖所需的热量全部由太阳能提供, 但从系统投资回报来说, 太阳能保证率在30 %～50 %比较好。对于太阳能保证率较高的系统, 必须考虑储热问题,但季节性储热会大大增加初投资, 不推荐使用。
1.3 系统的防冻问题
太阳采暖系统是一个四季运行的系统, 系统须考虑冬季的防冻问题, 采取的方案有: ① 集热器回路传热工质采用防冻液; ② 落水式排空防冻系统; ③ 夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻; ④ 敷设电热带防冻。系统图和控制方式参见文献[2]。
1.4 系统的过热问题
采暖系统集热器面积较大, 非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需要热量, 因此会出现过热问题。如果设计不当, 会造成系统温度高于系统部件工作允许温度, 导致部件寿命缩短和连接件漏水,甚至会产生安全问题。解决系统过热的措施有: ① 集热器排空; ② 集热器闷晒运行; ③ 设计散热系统, 以保证系统在安全温度下运行。
1.5 采暖系统的储热水箱
太阳能集热系统、热水系统和采暖系统对工作温度要求是不同的: 太阳能集热系统的工作
温度越低, 热效率越高, 因此系统设计中应尽量降低太阳能集热系统工作温度, 太阳能采暖适宜采用低温地板采暖系统,供水温度在40 ℃左右; 生活热水供水温度为50 ℃～60 ℃。为实现不同的供水温度要求, 太阳能采暖系统一般采用垂直分层水箱。垂直分层水箱工作原理是利用水在不同温度下的密度差, 实现同一水箱可以产生不同的温度分区, 即低温的水位于水箱底部, 高温的水位于水箱上部时, 并可以相互不掺混。分层水箱下部布置与太阳能集热器相连的换热器; 中部水温适合于采暖, 与采暖系统相连; 上部水温最高, 布置生活热水的换热器。
1.6 系统换热设计
太阳能采暖系统之间换热利用换热器实现, 换热器种类有: ① 盘管式换热器; ② 套筒式水箱壁面换热;③ 板式换热器。盘管式换热器是太阳能采暖系统使用最广泛的换热方式, 目前使用的材料有铜管、不锈钢波纹管和耐高温塑料管, 为提高换热能力, 很多厂家使用外翅片管; 套筒式水箱是把生活热水水箱放置在储热水箱中, 利用内置生活水箱的壁面进行换热; 外接板式换热器一般适合集热器面积较大的系统, 换热器两侧的工质采用强制循环, 优点是换热能力不受换热水箱大小的制约, 换热温差较小。
1.7 采暖系统的控制
采暖系统的控制主要是根据系统各部分的温度控制水泵和阀门。例如: ① 集热器回路控制: 当集热器出水温度高于储热水箱的换热器处水温时, 开启集热器系统循环水泵, 否则关闭; ② 防冻控制: 当集热器进水温度低于设定温度( 如4 ℃) , 开启水泵进行温循环防冻或排空系统工质; ③ 防过热控制: 当储热水箱温度高于设定温度( 如75 ℃) , 关闭集热器系统循环水泵使集热器系统进入闷晒运行或启用其他防过热措施。
2 太阳能采暖系统成本及经济性分析
以北京地区150 m2 民用建筑为例, 采暖负荷取平谷挂甲峪村新村建筑计算采暖负荷31.6 W/m2, 生活热水按4 m2 太阳能集热器得热量计算, 太阳能系统采用平板集热器, 非采暖季平均热效率设定为50 %, 采暖季平均热效率为45 %。系统投资、年收益及投资回收期如下表和图2。
从以上分析可以看出, 工程造价并非与集热器面积成正比, 系统越小, 平均每平米集热器的造价越高,同等造价的得热量就越小。对于150 m2 节能建筑, 集热器面积从10 m2 增加到30 m2, 其投资收益是明显增加; 30 m2 以后, 其增加的幅度比较小。从投资回收年限看, 以太阳能采暖方式替代电或油等能价比高的能源, 投资静态回收期远低于系统寿命, 投资回报较高, 值得规模化推广; 对于替代天然气或其他能价比低的能源, 投资静态回收期已接近或高于系统寿命, 投资经济性较差, 投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面, 推广该技术应综合分析。
3 太阳能采暖系统案例
北京平谷区大华山镇挂甲峪村太阳能采暖项目是北京市发改委支持的可再生能源利用示范项目。该项目利用太阳能采暖技术结合生物质锅炉作为辅助能源, 实现可再生能源解决农村的采暖、热水和炊事的家庭用能需求。
一期工程共有71 户, 分三种户型, 均是二层别墅小楼, 建筑按北京市50 %节能标准设计, 太阳能采暖系统由北京市太阳能研究所有限公司设计、建造。采暖系统原理示意如图3。
根据热负荷和屋面情况, 系统采用28 m2 平板太阳能集热器, 采用温差循环方式, 落空式防冻防过热设计方案。控制流程如下: 在集热器的上集管和储热水箱下部设立两个温度测点( T1 和T2) , 当T1 与T2温差高于设定上限温差, 太阳能循环泵开始运行, 把集热器吸收的太阳能传输到储热水箱; 当T1 与T2 温差低于设定下限温差, 太阳能循环泵停止工作; 在冬季当T1 达到防冻警示温度后, 循环泵停止工作, 太阳能集热器中水在重力作用下回流到水箱, 实现排空防冻; 在非采暖季, 只要水箱高于设定最高温度, 循环泵停止工作, 集热器中水回流到水箱, 系统停止往水箱输送热量, 集热器逐步达到闷晒平衡状态, 实现排空防过热。此外, 循环泵与手动开关连接, 可以根据热水需求强制关闭太阳能系统。这种系统与其他系统相比, 有以下优点: ① 系统传送介质使用水, 与防冻液相比减少膨胀罐, 投资低, 此外还降低运行维护费用( 防冻液系统需要每年检查防冻液成分, 5 年左右须更换, 平均每年费用可达到300～500 元) ; ② 可靠性高, 实现无人值守, 在意外停电情况下,水自动回流到水箱, 避免系统结冻和过热造成系统安全隐患; ③ 冬季采用排空防冻, 减小夜晚的热损失。
挂甲峪太阳能采暖系统采用复合水箱, 属国内首创, 该水箱将开式储热水箱和闭式生活热水水箱嵌套在一起, 利用生活热水水箱的壁面给生活热水加热,构成夹套式换热器。储热水箱设计成开式水箱适宜于落空式太阳能系统, 系统结构简单, 成本低; 闭式生活热水水箱利用水箱壁面进行换热,省去换热系统, 并利用自来水管网压力提供洗浴用水, 不需安装供水泵, 减少投资和使用费用; 生活热水水箱与太阳能集热系统和采暖系统隔开, 并采用搪瓷水箱, 保证生活热水达到饮用水水质; 生活热水采用容积式换热器,保证外水箱温度低时用水需求, 提高瞬时热水供水能力, 嵌套水箱还可以大大提高非采暖季的热水供应量; 此外, 太阳能系统与采暖系统为直接系统, 不设置换热装置, 可降低太阳能系统工作温度, 提高太阳能的集热效率。
水箱另一个显著特点是设计成垂直分层水箱。对于节能建筑, 低温地板辐射采暖的供水温度较低, 一般在30 ℃～40 ℃; 太阳能集热系统一般根据水箱底部温度决定其工作温度, 工作温度越低, 太阳能系统集热效率越高; 生活热水要求供水温度较高, 一般在50 ℃～60 ℃, 尤其为了避免军团菌滋生, 不允许生活热水长期处在30 ℃～40 ℃温度范围内。垂直分层水箱可以满足以上不同用途水的温度要求。垂直分层水箱工作原理是利用水在不同温度下的密度差, 实现同一水箱可以产生不同的温度分区, 即低温的水位于水箱底部, 高温的水位于水箱上部, 相互不掺混。太阳能集热器与分层水箱下部相连; 采暖系统与水箱中部相连; 水箱上部水温最高, 布置生活热水水箱。平谷挂甲峪采暖系统成功采用了垂直分层水箱, 采暖季节太阳能集热系统和地板辐射采暖系统均工作在较低温度范围, 水箱上部利用辅助锅炉保证在较高温度, 以保证生活热水供应。在设计中, 避免了太阳能集热系统运行对水箱温度分层的影响。采暖末段采用低温地板辐射采暖系统, 该供暖方式有如下优点: ① 系统通过地下换热盘管加热地面,地面向房间散热, 形成脚暖头凉的温度场, 符合人体生理学需求, 提高采暖的舒适度; ② 地板辐射采暖供水温度低, 适合与太阳能集热系统结合, 太阳能集热器工作在高效率区域, 提高太阳能利用效率; ③ 地板辐射采暖有较大储热能力, 可以减少储热水箱的容积, 此外对节能建筑可以在夜晚关闭采暖系统, 利用地面热容保证室内的温度。地板辐射采暖设计中, 盘管采用密管距, 低供水温设计方案, 保证系统高效率运行。
辅助供热能源用生物质锅炉提供。采用生物质压块成型设备, 把当地的果木修剪枝条粉碎后压缩成燃料棒( 或燃料块) , 作为生物质锅炉燃料, 同时还用作炊事燃料。生物质能是一种可再生能源, 是一种温室气体低排放燃料, 并减少矿石能源利用带来环境污染。农村生物质资源的高效利用是新农村能源的发展方向, 采用高新技术将秸秆、树枝等生物质资源转化为商品化能源, 可提高农村用能品位, 降低农民用能支出,改善大气环境, 实现农业废弃物资源综合利用。挂甲峪太阳能采暖系统除以上特点外, 在系统设计时考虑太阳能与建筑一体化设计问题, 集热器采用屋面嵌入式结构, 与建筑协调美观; 集热器有可靠的防、排水系统。采用低噪音、低功耗和长寿命水泵; 采用长寿命、符合水质要求的塑料管材。控制系统是以德国产温差循环控制仪为核心的全自动控制器, 为适应不同运行控制需求, 所有水泵和电加热均设手动开关,实现系统控制的灵活性; 温度在控制柜上直接显示, 不需用户按健选择, 避免人员误操作带来的安全隐患。
总之, 挂甲峪太阳能采暖系统在设计中优先考虑系统寿命、系统维护和运行安全的要求, 体现以下特点: ① 采用选择性涂层高效太阳能集热器; ② 集热器面积大, 实现较高太阳能保证率; ③ 采用温度分层复合水箱, 保证储能、生活热水和采暖需求; ④ 采用钢化玻璃和整体板芯, 集热器内无接口, 保证系统长寿命和在恶劣环境中无故障运行; ⑤ 使用搪瓷水箱保证生活用水水质; ⑥ 用生物质低排放锅炉作辅助热源。
通过2005 年12 月和2006 年1 月测试表明, 在地板采暖供水温度为35 ℃～40 ℃, 可保证室内温度18℃以上; 夜晚停止采暖系统运行, 在环境温度在- 5 ℃～- 9 ℃时, 整个夜晚室温下降2 ℃～3 ℃; 停止辅助能源系统, 晴天室温可达到12 ℃～14 ℃, 多云天气室温可达到10 ℃～12 ℃。整个冬季运行表明, 以平板集热器组成的采暖系统采用落空式防冻设计可以保证冬季系统安全运行, 即使在意外停电情况下也可保证保证系统防冻。
4 结论
① 太阳能采暖技术成熟, 在欧洲已规模化应用,该技术适宜低层节能建筑, 适宜与地板采暖结合;
② 太阳能采暖系统与热水系统有较大差异, 系统设计应考虑非采暖季节防过热措施;
③ 从经济上考虑, 太阳能采暖适宜替代电或油等能价比高的能源或适用于非采暖季节热水需求量大的场合; 替代天然气或其它能价比低的能源, 投资经济性较差, 投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面;
④ 太阳能采暖系统适宜使用平板集热器。平板集热器易与建筑结合, 系统造价和维护费用低, 且容易解决系统的过热难题。
② 太阳能采暖系统与热水系统有较大差异, 系统设计应考虑非采暖季节防过热措施;
③ 从经济上考虑, 太阳能采暖适宜替代电或油等能价比高的能源或适用于非采暖季节热水需求量大的场合; 替代天然气或其它能价比低的能源, 投资经济性较差, 投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面;
④ 太阳能采暖系统适宜使用平板集热器。平板集热器易与建筑结合, 系统造价和维护费用低, 且容易解决系统的过热难题。
编辑：潮小楠