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【行业领导视角】张晓黎:向高质量发展迈进 ——太阳能+清洁采暖方案及典型案例剖析
太阳能产业资讯网 2018-06-01 13:34:53 分享至:
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[摘要]太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,可免费使用,无需运输,对环境无任何污染。年到达地球表面太阳辐射能相当130万亿吨煤,是迄今可开发的最大能源。 我国太阳能资源。我国属太阳能资源丰富的国家,2/3以上地区年日照时数大于2000小时,绝大部分地区都具有开发利用价值。

向着高质量发展迈进 

——太阳能+清洁采暖方案及典型案例剖析

一、引言

太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,可免费使用,无需运输,对环境无任何污染。年到达地球表面太阳辐射能相当130万亿吨煤,是迄今可开发的最大能源。

我国太阳能资源。我国属太阳能资源丰富的国家,2/3以上地区年日照时数大于2000小时,绝大部分地区都具有开发利用价值。

太阳能热利用是将太阳辐射能转化为热能并加以利用的方式,具有转换效率高,应用领域宽、成本低,适合分布式供能等特点。

应用现状。截至2017年底,我国太阳能热利用集热面积保有量达到4.78亿平方米,年节标煤能力达到7167万吨。应用规模继续保持世界第一,部分产品应用水平与国际先进还有差距。正处在转变发展方式,转换增长动力的攻关期。

太阳能供热。包括民用热水、民用供热制冷、工农业热力,是社会绿色发展和人民美好生活的需要,是列入国家和地方发展规划的重点领域。民用供热制冷、工农业热力也是行业发展的新增长点。

发展态势。近几年来随着新发展理念贯彻,民生拉动,政府推动,企业实践,全行业呈现太阳能+供暖案例迅速增多,技术逐步进步,百姓和政府认可的态势,正向着高质量发展迈进。

二、供热研究成果

2016年7月,有关部门又完成了中国政府/世界银行/全球环境基金中国可再生能源规模化发展项目《可再生能源供热发展研究总报告》,这是继十三五规划之后,关于可再生能源供热的一个重要成果。其中有:

供热占比:我国供热统计工作是短板,目前没有社会供热的终端统计数据。国际上,2015年供热占全球终端能源消费的一半。

供热分布:欧洲供热和制冷占终端能源消费的一半,其主要分布在民用、工业、第三产业等三大部门,其中,民用部门占48%,工业部门占32%,服务部门占20%。

预测我国:“到2020年民用热水年热力需求量为22440万吨标煤,工业热水及热力需求27369万吨标煤,民用供暖制冷154447万吨标煤,总计204256万吨标煤”。

以上研究成果说明,中国到2020年,民用供暖制冷市场容量十分巨大,占热力终端能源消费的76%。轻视和不尊重这一市场,都会付出代价。 

三、典型案例

(一)河北省“太阳能+节能炉具等”户用采暖案例

案例设计施工单位:河北维克莱恩太阳能开发有限公司

1、基本情况

2010至今,在河北省各级政府支持下,在高邑县、固安县、涞水县、阜平县等地示范安装了“太阳能+”采暖系统1000余户。辅助能源有:电锅炉、生物质能(压块、颗粒)或清洁型煤、醇基液体燃料、燃气、空气源热泵等多种。先后有河北省委省政府、国家环保部、国家发改委能源所、住建部节能中心、农业部规划设计院、中国太阳能产业联盟和企业以及全国兄弟省市领导到现场考察。

2、建筑概况

河北省农村主要是农户自建的住房,建筑面积100m2左右。多为370mm墙体,屋顶、墙体、门窗均无保温设计,建筑保温性能差。项目实施时,根据资金情况作了相应的节能改造,改造不够的向农户说明将影响的效果。 

3、系统组成

系统由太阳能集热器、保温水箱、辅助能源(清洁炉具)、供暖末端设备、洗浴设备、管路和控制设备等组成。设计保证太阳能贡献率为70%,余下30%(如阴天、雾霾天)由辅助能源补充供暖。因此集热器面积配比大,达到每百平方米建筑30m2以上,是这些示范项目的突出特点。

工作原理是太阳能集热器将吸收的太阳能加热水存入保温水箱,通过供暖末端设备(本图为地暖,也可以为风机)用于建筑供暖,当太阳能不能使保温水箱中水的温度达到供暖要求时,由辅助能源(图中是清洁炉具)提供供热需求。系统同时具有提供生活热水的功能。

4、运行效果(据数据统计)

①室内温度全部达到设计指标,用户可根据需要调节;

②提供了全年充足的生活热水;

③用户可以自主调整和延长采暖期;

④生活条件进一步改善。

5、经济性(据数据统计)

①主能源是可再生能源,环境效益好,可节约社会环保治理费用;

②主能源免费,除+电模式以外,全部模式运行费用低于当地集中供暖费,符合居民用得起方针;不再需要长期年度补贴,推广阻力小;

③也是由于主能源是新能源,初装费较高,但5年的总费用已经低于和接近单辅助能源采暖的总费用。

6、运管机制 

寿命期15年内包运行,保修期内免费,保修期过后收取管理费。相对集中区域(如整村)配备一个经过培训的服务人员。

7、启示

“太阳能+”需保证太阳能贡献率大于50%,让太阳能成为采暖的主能源,才能发挥运行成本低的优势。不能因各种理由降低太阳能的贡献率。要看长远,算大账,不能做欲速则不达的事。

(二)秦皇岛市北戴河区戴河村五户联排农房太阳能采暖

案例设计施工单位:秦皇岛市北戴河兰德科技有限公司

1、基本情况

项目位于秦皇岛市北戴河区戴河村,2015年设计和安装应用。5户总建筑面积为539.74平方米,平均每户为107.66平方米。系统于2015年10月26日正式投入运行。被河北省住建厅评为科技进步一等奖。

2、建筑概况

由于是过去农户自建农房,建筑保温性能差,项目实施前,按照项目承担单。

位要求对建筑保温围护与太阳能供暖系统进行了一体化的设计改造。

建筑围护保温改造设计:

(1)屋顶防水保温围护:

第一步:20mm厚1:3水泥砂浆找平层

第二步:高分子卷材防水层(FS2 300/m2)

第三步:130mm厚苯板(20kg/m3)

第四步:1:8水泥焦渣2%找坡,最薄处20mm

第五步:20mm厚1:3水泥砂浆找平层

第六步:双层3mmSBS改性沥青卷材防水(第二层卷材带砂)

第七步: 40mm厚C20细石砼保护层,内配钢丝网。

(2)墙体保温围护: 20千克容重10cm厚聚乙烯阻燃苯板。

(3)窗户保温围护:塑钢单玻平开双层窗。

(4)采用低温热水地板辐射方式(俗称地暖)作为供暖终端,供暖主管道采用下进上回同程式系统,保证热量合理分配,均匀释放。

(5)入户门做塑钢风斗。

3、系统组成

系统由集热单元、储热水箱、地暖、循环泵控制系统(含远程监控)等组成。集热单元配置真空管集热单元40组,每组30只Φ58,1.8m真空管,连接至供暖水箱。供暖水箱根据五户系统总容积配置为2吨,冷水端连接集热循环水泵P1,再连接逆止阀与集热单元的另一端连接构成一路循环系统。供热循环系统通过水泵P2将供暖水箱中的热水循环至建筑物内供暖终端PPR地盘管,把热量导入建筑物内,使建筑物内温度达到设计的要求。详见下图。

4、运行效果

系统完全实现全自动控制、无人值守。冬季室内平均温度20℃±2℃,夏季室内温度不超过28℃,是冬暖夏凉的低能耗建筑。供暖期由国家规定的5个月延长到6.5个月,农户的住房舒适度大大提高。

住户林场退休职工李师傅评价说:“一年到头也花不了多少钱,早起温度最低时屋内也能达到16℃,屋子里特别暖和,还不用操心烧炉子,用了太阳能还安全,现在生活挺幸福的。”当问及没有太阳怎么办时,李师傅说“前几天曾经一连三天都是阴天,屋里也还保持在15、16℃左右,太阳能供暖确实是好用”。

5、经济性

初投资:每户旧房节能改造费4万,太阳能供暖系统初投资3.5万元,合计每户初投资要7.5万元。省、市、区政府每户补贴6.5万,农户自筹1万。

运行费:过去买煤供暖,户均4吨,约花费2400元。现在户均年供暖循环泵耗电170kW∙h,约合88元,年维护费300元,每户每年供暖运行费388元,两年来农户辅助供暖无需用电。

6、运管机制

该公司利用物联网平台远程获得供暖系统数据,判断故障并实施处理;运营工程师也可用手机实时监视系统运行,实施管控。保证系统高效稳定运行,提高服务及时性,减少服务成本,用户无后顾之忧。实施寿命期15年内包运行,保修期内(一年)免费,保修期过后收取管理费3~5元/平米•年的市场化售后服务模式。

7、启示

研究在振兴乡村战略,新农村建设,城镇化建设政策中解决旧房建筑节能改造资金;采暖设计施工单位应掌握建筑围护节能改造能力;鼓励通过适当扩大规模降低初投资;鼓励利用物联网平台的市场化售后服务模式。

(三)北京密云大开岭村“太阳能+储能+空气能”供暖案例

案例设计施工单位:包头市汉诺威工业装备科技有限责任公司

1、基本情况

项目位于北京市密云大开岭村。属北京市农委2017山区村庄“煤改清洁能源”试点项目。2017年建设完工,采暖期130天。(项目所在地全年连续6小时的日照时数达2289小时,其中春季为662小时,平均每天为7.3小时,其他各季都低于549小时,平均小于6小时。年平均风速在1.92—3.1米/秒之间)

2、建筑概况

建筑采暖面积为220㎡农户,砖混结构,砖混结构,外墙无保温。

3、系统组成

系统由集热系统、经改造的空气源热泵系统、储热系统(水箱)、电磁能系统、控制系统、水处理系统、采暖末端为地暖。详见下图。

经计算,参数和选型如下:经测算建筑采暖热负荷80 W/㎡;采暖全年耗热量145.8 GJ;每天采暖耗热量1122 MJ;采暖季室外设计最低温度-20℃;采暖季室外平均温度-9.5℃;采暖季室内设计温度20℃。集热器轮廓采光面积64㎡;储能水箱容量3t;主机额定功率 4.4 kW;循环泵流量 2 m³/ h;循环泵扬程 12m; 最大需求电量 9kW。

4、运行效果

改造前:燃煤土暖气,室温低且波动大,需夜里加煤,室内煤灰大,对外有排放,还存在煤气中毒、火灾、水管冻裂等安全隐患。

改造后:环境得到改善。室内温度恒定19℃以上,还可根据需求调节,夜间可实现智能分时温控,进一步节能,全自动智能控制,操作方便。

5、经济性

初投资:该系统总投资89049元,折合405元/㎡。

运行费:该用户以往一个采暖季使用7吨煤,采暖费用为3800元左右。改造后,在享受低谷电价情况下,整个采暖季运行费用2309元,单位面积每月运行成本2.62元。与纯电采暖比较,系统投资静态回收期只有3.8年。

6、运管机制

该公司有物联网平台,可远程获得系统数据,也可用手机实时监视,判断故障,实施管控,提高服务及时性,降低服务成本,保证高效运行。虽该公司具备商业化运维的技术手段,但少量试点项目不足以实施运管机制。

7、启示

该系统针对当地谷电政策,配备谷电储能和热泵双辅助能源,降低运行费。研究解决山区农村建筑保温改造资金政策;鼓励试点成功企业承担批量项目以降低初投资;鼓励利用物联网平台的市场化售后服务模式,鼓励基于特许经营权的合同能源管理模式。

(四)加拿大阿尔伯塔省德雷克太阳能社区太阳能土壤蓄热供暖案例

思路:地球上一年四季是如何形成的?地球倾斜着在绕着太阳旋转(66°34′的交角),一圈是一年,一年中太阳光对地球面某区域的照射角度是变化的,直射的地方,单位面积上光照量最大,是夏季,而斜射得最厉害的地方,单位面积上光照量最小,是冬季,两者之间的是春季或秋季。所以采暖季的阳光是一年中最弱的,用此时太阳能供热是利用了一年中较少的太阳能,将这部分太阳辐射能收集存入水箱,称为短期蓄热。如果把全年的太阳辐射能收集存储在蓄热体中用于供暖,称为季节性蓄热,又叫跨季节蓄热。显然,季节性蓄热比短期蓄热有更好的经济性,关键在于找到适合的蓄热体并掌握利用它的蓄热技术。

国际同行研究季节储热技术已经有30多年历史,从早期瑞典建立模型;到德国开展示范研究;再到丹麦世界领先水平的水坑蓄热技术大范围推广应用,技术不断发展进步。丹麦人工湖蓄热技术国内已有大量介绍,应用其技术的西藏浪卡子县跨季节采暖项目即将开工。今天讨论另一个进入推广应用阶段的季节蓄热技术,即加拿大的土壤蓄热技术,该应用案例2016年获得太阳能保证率100%的世界记录。

1、基本情况:

德雷克太阳能社区(DLSC),位于加拿大艾伯塔省。北纬51.1度,海拔1084m,冬季极端温度-33 C。该项目由加拿大自然资源部能源技术中心实施。由于是示范研究项目,建设周期较长,资料显示2010年开始运行。2012年,达到了社区供热需求97%供热能力。

2、建筑概况

52户别墅,每户建筑面积约150m2,总采暖面积7800m2,建筑保温性能较好。

3、系统组成

系统由集热器(800个集热器面积与采暖面积配置比29.4m2/100m2)、短期储热水箱的能源中心(包含两个Φ3.7m×11m卧式水箱)、季节性(长期)钻井储热、供暖末端等部分组成。

集热、短期储热水箱、供暖末端原理与我国目前太阳能采暖案例大同小异,主要区别在于有季节性(长期)钻井储热部分。

季节性(长期)钻井储热部分由分布在直径35m,深37m的144个钻井(孔径200mm,插入管距110mm的U型管,管内为水的流道,流道连接成中心为热端,边缘为冷段,冷热端连到短期蓄热能源中心。流道出口下方有0.1m细沙,上方有0.3m厚细沙,再上方设200mmXPS保温层组成。蓄热体上建为社区公园。整个土壤蓄热体容积33,700 m³,蓄热量相当15,800 m³的水)。下为示意图。 

4、运行效果

头几年,该蓄热体将在相对较低的温度下运行,在采暖季结束前,可恢复的能量将基本耗尽。然而,经过几年的运作,夏天蓄热体核心温度达到80°C,有足够的热量满足整个供暖季节。

系统初始有辅助能源燃气锅炉、热泵等,随着土壤蓄热量的升高,陆续退出系统,除循环泵以外,实现了全部由太阳能供暖,2016年全系统供暖COP值达到17,然后又配了光伏和柴油发电机组,实现100%可再生能源供暖。

5、经济性

项目因科研性质、全球采购、人力成本等因素初投资高且和我国不能直接比较。但加方介绍,季节性(长期)钻井蓄热部分约占整个系统的20%。同时加方研究资料显示,如将社区规模扩大为200-300户,只需增加钻孔数量,经济性会更好。

2017年起,国内一批企业已经开始土壤跨季节蓄热技术研究,陆续建设了数个示范研究项目。下图为北京房山区农房太阳能+土壤储热采暖示范研究项目情况。

建筑位于北京房山,当地集中供暖期为4个月。工程2016年竣工。 

独栋单层别墅(130㎡),采暖面积130㎡。设计建筑能耗:热负荷为50W/m2。

设计特点:根据需求、当地地质以及气象数据等信息,利用TRNSYS软件,进行系统设计。设计的太阳能跨季节土壤蓄热供暖系统原理图如下图所示。

系统组成

系统主要组成由太阳能集热系统、地下土壤蓄热系统和末端地板辐射系统,以及辅助的控制系统和数据采集系统组成。非采暖季能够实现太阳能-土壤蓄热和特性测试;供暖季节,通过太阳能短期蓄热供暖或在太阳能不足时通过实现土壤源反向放热供暖。系统由控制系统自动运行,系统运行的辐照量、土壤温度、各部分热量等数据由采集系统自动采集。项目采用9组横排全玻璃真空管集热器,真空管450支,总轮廓集热面积63㎡。

该系统于2017年3月正式调试运行,开始对土壤进行蓄热,蓄热前7-15米深度土壤温度在13℃左右,3个月后蓄热中心最高温度达40℃左右。

系统于2017年12月15日曾尝试采暖调试,由于第一年土壤基础温度较低(13℃左右),最终调试时土壤中心温度在37-39℃左右,在小流量的情况下,土壤出水温度可以达到35℃,但换热功率不足以满足采暖负荷需求,所以仍维持太阳能短期采暖满足房间负荷需求。待来年提升土壤蓄热温度后再进行采暖测试验证。这一情况符合加拿大案例的土壤蓄热规律。

发展特点

近几年我国太阳能采暖的发展上有如下六个特点:

1、注重建筑节能和围护结构改造。

2、实施多能互补和利用辅助能源优惠政策。

3、注重数据采集分析和应用验证。

4、扩大规模降低初投资。

5、与节能建筑四同步降低初投资。

6、通过季节蓄热提高贡献率。

大量成功案例已经引起各地政府和行业同仁的关注。

四、结束语

太阳能供暖推广的理由是可再生能源,无任何环境污染,符合构建人类命运共同体的大趋势;通过扩大太阳能供热比重,可大量减少社会环境综合治理费用; 优势是能源永久免费,运行成本低,技术相对成熟;目前的问题是短期看初投资高,技术进步还需要实践,距大规模推广应用已经不远。 

概括起来就是,地球季节变化是阳光照射变化的结果,解决人类冬季采暖也要依靠阳光。中国太阳能采暖技术正向着高质量发展迈进,日益体现出可再生能源的优势。

来源:中国太阳能工程

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