農(nóng)村太陽能采暖技術(shù)及案例分析
文章來源:未知時(shí)間:2022-02-11
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一、我國農(nóng)村太陽能采暖技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
1、發(fā)展概述
我國早期的太陽能采暖工程運(yùn)行已經(jīng)有10年多的歷史，如果算上被動房的實(shí)踐則歷史更長。但無論是規(guī)模還是發(fā)展速度均落后熱水，在2016年完成的3952（27664）萬平方米/（MWth）中，熱水還是占到90%以上，采暖、制冷、工農(nóng)業(yè)應(yīng)用加起來也不到10%。這種情況主要是受社會發(fā)展階段的制約。
如今，綠色發(fā)展理念的確立，人民生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)的壓力，能源革命戰(zhàn)略的實(shí)施，“十三五”規(guī)劃的發(fā)布，特別是北方地區(qū)清潔供暖將催生采暖領(lǐng)域的快速發(fā)展，未來太陽能采暖將會以更快的速度發(fā)展，在廣大農(nóng)村住房、學(xué)校、醫(yī)院衛(wèi)生院、養(yǎng)老院、公共設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施等領(lǐng)域有著巨大且長遠(yuǎn)的市場空間，覆蓋范圍也將席卷全國適宜地區(qū)。
2、區(qū)域分布
采暖區(qū)分為集中供暖區(qū)域和需要供暖地區(qū)。我國地域遼闊，氣候條件差別大，三分之二的國土面積屬嚴(yán)寒、寒冷和夏熱冬冷地區(qū)，需要采暖。
常說的采暖區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧、新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、山西、北京、天津、河北、以及陜西北部、山東北部、河南北部等十七省市，其地域面積占全國的70%。這個(gè)區(qū)域每年日平均溫度低于或等于5℃的天數(shù)都在90天以上。
3、管理與政策
采暖管理體制需要在創(chuàng)新中完善。過去職能分散。城市集中供暖主管部門是建設(shè)部門，農(nóng)村和非采暖區(qū)的供暖主管部門不是很明確。北京目前煤改清潔能源由農(nóng)委牽頭，山東建立農(nóng)村供暖工作部門聯(lián)席會議制度，聯(lián)席會議辦公室設(shè)在省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳。采暖屬于供熱，還涉及能源管理部門。
近年來在習(xí)近平總書記講話指引下，供暖日益得到我國政府重視。2016年7月，中國可再生能源規(guī)模化發(fā)展項(xiàng)目《可再生能源供熱案例研究、潛力和政策框架研究》歷時(shí)2年的結(jié)題，提出了我國可再生能源供熱的政策和管理建議。
2017年3月2日國家能源局新能源司在北京召開了“非電可再生能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作方案研究及設(shè)計(jì)”項(xiàng)目啟動會。4月18日國家能源局下發(fā)的“關(guān)于促進(jìn)可再生能源供熱的意見（征求意見稿）”。5月16日財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局下發(fā)關(guān)于開展中央財(cái)政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作的通知（財(cái)建〔2017〕238號文）。
6月6日國家能源局發(fā)出“關(guān)于開展北方地區(qū)可再生能源清潔取暖實(shí)施方案編制有關(guān)工作的通知”。
明確的資源潛力包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等各類可再生能源資源。6月21日國家能源局新能源司司長朱明撰文“腳踏實(shí)地推動可再生能源持續(xù)健康發(fā)展”，文中提到能源革命“三步走”的任務(wù)，第一步實(shí)現(xiàn)天然氣和非化石能源成為供給增量主體，第二步實(shí)現(xiàn)非化石能源成為能源供給增量主體，第三步實(shí)現(xiàn)非化石能源成為能源供給主體。
但目前為止，總體來說，非電可再生能源統(tǒng)計(jì)體系尚在研究中，政府的目標(biāo)引導(dǎo)機(jī)制被認(rèn)為無法實(shí)施，可再生能源供熱尚沒有國家層面連續(xù)性政策，一些供熱體制和機(jī)制上的障礙還有待消除，熱能的計(jì)量和價(jià)格也部分缺失，熱能的商品化還不完全；改革還在進(jìn)行中。
4、技術(shù)發(fā)展
作為應(yīng)用技術(shù)，太陽能采暖技術(shù)需要在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、總結(jié)和提高。由于政策力度差異，北京等地早期的太陽能采暖示范設(shè)計(jì)的太陽能保證率不高，太陽能運(yùn)行成本低的特點(diǎn)沒能充分體現(xiàn)。
隨著近幾年北方農(nóng)村清潔供暖的實(shí)踐，技術(shù)進(jìn)步明顯，各地都出現(xiàn)了較為成功的案例。業(yè)內(nèi)對太陽能采暖已經(jīng)總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：采暖不同于熱水，除去盡可能高效的轉(zhuǎn)化和收集以外，關(guān)鍵是要維持特定圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的溫度。
因此，采暖要重視建筑保溫性能改造提升；要有足夠的集熱面積，要重視蓄熱技術(shù)應(yīng)用，要重視與輔助能源的結(jié)合，要提高系統(tǒng)的可靠性；，要通過技術(shù)進(jìn)步降低初裝費(fèi)，要重視數(shù)據(jù)采集分析，特別是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提高。
我國企業(yè)在創(chuàng)新實(shí)踐中還開展了國際技術(shù)合作。如日出東方與丹麥阿康-?，斂说暮腺Y公司在華成立，與加拿大自然資源部能源技術(shù)中心簽署技術(shù)合作協(xié)議等。但由于體制機(jī)制障礙和政策差異，我國大規(guī)模太陽能蓄熱采暖科研項(xiàng)目缺少，應(yīng)用實(shí)踐艱難，儲能和區(qū)域供熱技術(shù)發(fā)展緩慢，與國際先進(jìn)水平還有較大差距。
國內(nèi)外的供熱經(jīng)驗(yàn)都說明“集中式”和“大型化”具有建設(shè)成本低和節(jié)能減排的優(yōu)勢，是未來太陽能采暖方向，但我國北方許多地區(qū)目前還是習(xí)慣以戶用采暖為主。北京市今年在延慶已經(jīng)動工的180戶的區(qū)域中建設(shè)集中供熱管網(wǎng)，利用太陽能、地源熱泵、土壤蓄熱等技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能區(qū)域供熱的示范項(xiàng)目。西藏地區(qū)已開標(biāo)的太陽能跨季節(jié)蓄熱項(xiàng)目，都有望進(jìn)一步推動太陽能采暖的技術(shù)進(jìn)步。
二、典型案例及分析
1、太陽能戶用建筑采暖應(yīng)用
案例一、2010~2016年分布在河北省9市、29縣1080余戶“太陽能+多能互補(bǔ)采暖系統(tǒng)”。工程實(shí)景如下圖：
工作原理：每戶供暖建筑面積100m2，安裝一套系統(tǒng)。系統(tǒng)由太陽能集熱器、保溫水箱、輔助能源（清潔爐具）、供暖末端設(shè)備、洗浴設(shè)備、管路和控制設(shè)備等組成。太陽能集熱器將吸收的太陽能加熱水存入保溫水箱，通過供暖末端設(shè)備（本圖為地暖，也可以為風(fēng)機(jī)）用于建筑供暖，當(dāng)太陽能不能使保溫水箱中水的溫度達(dá)到供暖要求時(shí)，由輔助能源（清潔爐具）提供供熱需求。系統(tǒng)同時(shí)具有提供生活熱水的功能。設(shè)計(jì)保證太陽能貢獻(xiàn)率達(dá)到70%，余下30%（如陰天、霧霾天）由輔助能源補(bǔ)充供暖，因此系統(tǒng)集熱器面積配置較大，達(dá)到33m2/100m2，這是該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)。
1080戶數(shù)據(jù)和效果統(tǒng)計(jì)：室內(nèi)溫度全部達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)；提供了全年充足的生活熱水；用戶可以自主調(diào)整和延長采暖期，滿足個(gè)性化需求；生活水平進(jìn)一步改善提高。
下表為經(jīng)濟(jì)性分析：
主能源是可再生能源，環(huán)境效益好，節(jié)約社會環(huán)保治理費(fèi)用；主能源低碳，符合能源結(jié)構(gòu)變革，能源消費(fèi)革命的戰(zhàn)略方向；主能源廉價(jià)，除+電模式接近當(dāng)?shù)丶泄┡M(fèi)以外，全部模式運(yùn)行費(fèi)用低于當(dāng)?shù)丶泄┡M(fèi)，符合居民用得起方針；不再需要政府長期年度補(bǔ)貼，居民推廣阻力??；主能源是新能源，初裝費(fèi)較高，但5年的總費(fèi)用已經(jīng)低于和接近單一常規(guī)能源總費(fèi)用。
案例二、內(nèi)蒙古包頭市幸福路1號街坊“太陽能+空氣源+電加熱”采暖系統(tǒng)。工程實(shí)景如下圖：
所在地冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，晝夜溫差大，無霜期較長，日照充足。全年日照時(shí)數(shù)2960小時(shí)。建筑采暖面積為100 ，屬于老舊建筑，保溫性能差，采暖末端為明裝老舊鑄鐵暖氣片。
工作原理如下圖：
系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱水箱、空氣源熱泵、緩沖水箱、電加熱元件、鑄鐵暖氣片等組成。能源利用優(yōu)先順序太陽能、空氣源熱泵、電。對該建筑提供采暖和生活熱水需求。集熱器面積配置達(dá)到25m2/100m2左右。經(jīng)濟(jì)性分析：初裝費(fèi)：6萬元以內(nèi)。運(yùn)行費(fèi)用：目前室內(nèi)溫度均保持在19-22℃之間。極端天氣室外零下28℃。最冷月平均每天采暖實(shí)際費(fèi)用：0.43元/kWh×18kWh =7.74元；采暖季日平均耗電量：
9.5`11.2KWh；一個(gè)采暖季預(yù)計(jì)采暖費(fèi)用：747~867元；采暖季每平方米采暖費(fèi)用：7.5~8.7元。
2、帶季節(jié)蓄熱太陽能戶用建筑采暖應(yīng)用
案例：河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)太陽能跨季節(jié)蓄熱采暖及熱水應(yīng)用綜合項(xiàng)目（水體蓄熱）。
項(xiàng)目采暖面積為8.3萬m2，日用熱水總量為121噸。采用橫雙排全玻璃真空管集熱器1380組，鋪設(shè)在14個(gè)宿舍樓樓面，共使用真空管6.9萬支，總計(jì)集熱面積1.16萬m2，總儲熱水箱容量2萬余噸，末端采用翅片式散熱器采暖，集熱器面積配置14m2/100m2左右。項(xiàng)目初期投資：4000萬元，不含室內(nèi)采暖末端和室內(nèi)管路，折合到每平米建筑481元。年節(jié)約天然氣1000萬元左右。
工程實(shí)景如下圖：
案例四、北京大興榆垡鎮(zhèn)劉家鋪全村100戶采用太陽能+地源熱泵工程實(shí)景如下圖：
工作原理：系統(tǒng)由太陽能集熱器、地源熱泵、保溫水箱、采暖末端、土壤換熱器、循環(huán)泵、控制系統(tǒng)等組成。太陽能與地源熱泵結(jié)合，春季與秋季太陽能集熱器采集熱量，加熱熱水，儲存在水箱中，在保證生活熱水的前提下，將多余熱量通過地埋循環(huán)管儲存在地下土壤中。夏季建筑物制冷產(chǎn)生的熱量也通過地埋循環(huán)管被換入地下土壤中蓄存。全年收集的太陽熱能，向地下土壤輸送并蓄存，冬季利用地源熱泵采暖供熱，實(shí)現(xiàn)全年的熱量平衡。
經(jīng)濟(jì)性：
項(xiàng)目初投入約400元/m2，包括設(shè)備與安裝的所有費(fèi)用；項(xiàng)目2012年投入運(yùn)行。經(jīng)過2013年冬季和2014年全年運(yùn)行后，性能達(dá)到夏季27℃，冬季18℃；第一年（2013年）冬季采暖開機(jī)時(shí)，地源側(cè)供回水溫度9-11℃。第二年（2014年）冬季采暖開機(jī)時(shí)，地源側(cè)供回水溫度13-15℃。100m2戶均用電量：冬季3200kWh，夏季500kWh。全年運(yùn)行費(fèi)用低于5000kWh。
本項(xiàng)目是太陽能應(yīng)用示范的又一種類型；初裝費(fèi)400元/m2，與案例一相當(dāng)。項(xiàng)目特點(diǎn)是蓄熱技術(shù)的應(yīng)用，而且是季節(jié)性蓄熱。一年后地源回水溫度提升了4℃的數(shù)據(jù)，初步表明了蓄熱技術(shù)的效果，地源供回水溫度的提高為熱泵性能的提升創(chuàng)造了條件；項(xiàng)目的運(yùn)行費(fèi)用低于目前北京地區(qū)熱泵采暖運(yùn)行費(fèi)30%以上，說明了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性可以通過技術(shù)進(jìn)步而改善。
3、太陽能公共建筑采暖應(yīng)用
案例五：太陽能在公共建筑上的應(yīng)用——山東省樂陵市云紅小學(xué)采暖系統(tǒng)。
工程實(shí)景如下圖：
項(xiàng)目目屬于公共建筑，只有白天的供暖需求，與太陽能供熱時(shí)間十分匹配。該教學(xué)樓共計(jì)4層，采暖面積共計(jì)1907.79平方米。
項(xiàng)工作原理：系統(tǒng)由太陽能集熱器、空氣源熱泵、保溫水箱、采暖末端、控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等組成。太陽能用于冬季采暖，系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能熱量進(jìn)行采暖，如遇連續(xù)雨雪、霧霾天氣，不足部分熱量由空氣源熱泵提供。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析：正常晴天時(shí)，太陽能可以滿足采暖8小時(shí)用熱量，與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合，說明該建筑保溫較好；晴天系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用主要是集熱循環(huán)泵、采暖循環(huán)泵、控制系統(tǒng)的耗電。監(jiān)測每天約50kWh，整個(gè)采暖季（120天）約6000kWh。陰天或霧霾天需要啟用熱泵輔助，熱泵匹配的為30P，監(jiān)測每小時(shí)平均耗電為30千瓦時(shí)。此費(fèi)用根據(jù)年度天氣情況波動，若按18個(gè)陰天霧霾天計(jì)算，則整個(gè)采暖季熱泵用電量為4320kWh。
合計(jì)：6000+4320=10320，整個(gè)采暖季用電10320kWh，10320kWh&pide;1908平米=5.4度電/平米，折合5.4度/平方米•每個(gè)采暖季，遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)集中供暖價(jià)格。
農(nóng)村有大量公共建筑，如養(yǎng)老院、衛(wèi)生院、學(xué)校、村委會、公共服務(wù)中心等。
案例六、阿壩州人民醫(yī)院太陽能及水源熱泵采暖項(xiàng)目，工程實(shí)景如下圖。
項(xiàng)目地點(diǎn)：馬爾康（阿壩藏族羌族自治州下轄縣級市馬爾康市，位于青藏高原南緣，在四川盆地西北部）工程時(shí)間：2015.6-2016.1。項(xiàng)目規(guī)模：采暖面積25000平方米，集熱面積4200平方米，輸入功率265KW的水源熱泵機(jī)組2臺。采用真空管型集熱器、地面輻射采暖，輔助熱源水源熱泵，室內(nèi)溫度20℃，系統(tǒng)已成功運(yùn)行2個(gè)采暖季。
4、太陽能在其他建筑的采暖應(yīng)用
案例：內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蒙古包采暖系統(tǒng)。
工程實(shí)景如下圖：
工作原理：系統(tǒng)由太陽能集熱器、集熱水箱、儲熱水箱、采暖末端、控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)采用了保溫墻、雙層節(jié)能門窗、太陽能主被動采暖、光伏遮陽技術(shù)。
經(jīng)濟(jì)性分析：
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示為2017年2月5-11日，錫林浩特太蒙包室內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)，基本上就在20℃上下浮動，溫度振幅也符合人們生活舒服溫度。通過一個(gè)冬季的運(yùn)行測試，完全可以保證室內(nèi)18℃以上，在最低氣溫時(shí)每天耗電量在5～10kWh，整個(gè)冬季大約40天時(shí)間需要電加熱輔助采暖。
案例八、四川省理塘縣太陽能生態(tài)園供暖應(yīng)用。項(xiàng)目地點(diǎn)：四川省甘孜藏族自治州理塘縣國稅局。工程時(shí)間：2015.9-2015.11。項(xiàng)目規(guī)模：20×10米，采用真空管型集熱器、低溫風(fēng)機(jī)盤管末端，室內(nèi)溫度15℃，該系統(tǒng)已成功運(yùn)行2年。工程實(shí)景如下圖：
案例九、大連希奧特太陽能有限公司綜合樓采暖制冷熱水聯(lián)供系統(tǒng)。工程實(shí)景如下圖：
該項(xiàng)目建筑面積5120平方米，實(shí)現(xiàn)太陽能供熱、采暖、制冷的聯(lián)供系統(tǒng)，2011建成，2013年通過住建部鑒定，目前已穩(wěn)定運(yùn)行7年，2016年夏天日本矢崎專家考察后評價(jià)為中國太陽能低溫制冷最佳工程。項(xiàng)目總投資260萬元，折合每平米507.8元，年運(yùn)行電費(fèi)73747元，折合每平米14.4元，使用壽命期20年，通過近幾年技術(shù)進(jìn)步，總投資可降為180萬元，折合每平米350元，運(yùn)行費(fèi)用不變，經(jīng)濟(jì)性又進(jìn)一步提高。
三、展望
太陽能采暖特別是儲熱技術(shù)的研究在國際上已經(jīng)有近40年了，從早期瑞典巖洞，水坑，鉆孔等方式建模；到90年代末德國水箱，鉆孔，水池等儲熱示范項(xiàng)目；再到丹麥?zhǔn)澜珙I(lǐng)先水平的水坑蓄熱項(xiàng)目；以及2016年加拿大通過鉆井獲得太陽能保證率100%記錄。
今年5月北京市建筑節(jié)能與環(huán)境工程協(xié)會太陽能專委會組織了對加拿大阿爾伯塔省德雷克太陽能社區(qū)(DLSC)太陽能土壤蓄熱供暖項(xiàng)目進(jìn)行了考察。該項(xiàng)目是由安裝在車庫屋頂上的太陽能集熱器得到熱量，通過地下土壤季節(jié)性儲熱實(shí)現(xiàn)52戶家庭，為期6個(gè)月的采暖期供暖。
項(xiàng)目由加拿大自然資源部能源技術(shù)中心實(shí)施，隨著蓄熱量的升高，輔助能源陸續(xù)退出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全部由太陽能供暖，2016年全系統(tǒng)供暖COP值達(dá)到17。項(xiàng)目集熱、短期儲熱原理與我國目前太陽能采暖案例大同小異，季節(jié)蓄熱由分布在直徑35m區(qū)域，深35m的144個(gè)鉆井，插入U(xiǎn)型管組成，形成33,700m3容積的土壤蓄熱體，相當(dāng)水容積15,800m3。
科學(xué)技術(shù)是無國界的，北京市考察團(tuán)回來后，信息迅速在業(yè)內(nèi)傳開，在國家層面沒有支持政策的情況下，一些太陽能熱利用企業(yè)已經(jīng)開始學(xué)習(xí)、研究和建設(shè)應(yīng)用示范項(xiàng)目，有望進(jìn)一步提高我國太陽能采暖的蓄熱技術(shù)水平，改變主要依賴化石能源采暖的能源結(jié)構(gòu)。
四、結(jié)語
太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。發(fā)展太陽能采暖符合能源替代、能源革命的方向。大量案例說明太陽能采暖具有適合分布式供能，適應(yīng)區(qū)域?qū)?，運(yùn)行費(fèi)用低，既符合居民用得起的方針，又能顯著提高生活水平等特點(diǎn)。
太陽能采暖需要輔助能源配合，因此相對其他能源，初裝費(fèi)較高，但一是太陽能貢獻(xiàn)率較高的太陽能+供暖系統(tǒng)不需要政府長期補(bǔ)貼，綜合成本并不高；二是可以通過技術(shù)進(jìn)步降低初裝費(fèi)；三是可以通過蓄熱提高太陽能貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性；四是可以通過區(qū)域供暖規(guī)?；档统跹b費(fèi)。發(fā)揮好政府、市場兩只手的作用，勇于創(chuàng)新，善于總結(jié)，就一定能不斷提高我國太陽能采暖的技術(shù)水平。
注：作者系中國能源行業(yè)協(xié)會太陽能專委會張曉黎。
