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【专家调研】张晓黎:我国太阳能采暖技术与案例分析
太阳能产业资讯网 2018-09-10 15:26:49 分享至:
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[摘要]“太阳能+采暖”,是指利用太阳辐射转换的热能,配合辅助能源产生的热能,共同完成采暖的方式(简称“太阳能+”),属于太阳能光热利用的方式,也称为太阳能热利用方式。

一、我国太阳能采暖技术概述

(一)太阳能+采暖

“太阳能+采暖”,是指利用太阳辐射转换的热能,配合辅助能源产生的热能,共同完成采暖的方式(简称“太阳能+”),属于太阳能光热利用的方式,也称为太阳能热利用方式。

(二)资源禀赋

太阳能是可再生能源,除去“太阳能+”采暖方式一次投入和设备后期维护费用以外,后期能源的使用是免费的。发展“太阳能+”采暖,符合实现化石能源体系向低碳能源体系的转变,最终进入以可再生能源为主的全球能源转型趋势,因此,太阳能利用被列入我国《可再生能源发展“十三五”规划》,和其他领域太阳能热利用一起,承担着到2020 年实现年替代9,600万吨标煤的重任,是国家实施能源变革依赖的高比例可再生能源之一。

我国属太阳能资源丰富的国家之一,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时,具备广泛推广应用的条件。“太阳能+”采暖需要的辅助能源可以因地制宜选用,气、电、生物质、地热、洁净煤等,各地具备什么条件,就选择什么辅助能源,灵活性大。因此“太阳能+”资源具有较强的普遍适用性。

(三)产业基础

我国是太阳能热利用大国,连续十多年全球装机量第一,具备大规模推广应用“太阳能+”采暖的产业基础。采暖核心器件之一的全玻璃真空集热管产业成熟度全球第一。采暖专用的平板集热器近几年也取得较大进步。全行业通过转型升级,采暖技术已取得质的进步,越来越多的企业掌握了太阳能短期蓄热采暖技术,一批企业开始跨季节蓄热技术工程实践。为“太阳能+”采暖奠定了雄厚的产业基础。使我国“太阳能+”短期蓄热采暖经济性与国际同行比较具有明显的优势。

(四)技术现状

国内外“太阳能+”采暖主要应用的是太阳能光热低温技术。器件转换效率可达到60%以上;借助储能技术,系统太阳能贡献率国际上有的项目已超过50%,甚至出现100%的记录。

我国部分真空管型器件转换效率代表了国际先进水平,平板型器件转换效率正在逐步提升,一批短期蓄热系统案例太阳能贡献率已经达到国际先进水平,跨季节储热技术也正在通过示范项目追赶。

GB 50495《太阳能供热采暖工程技术标准》已经完成修订,能源行业标准《北方农村户用太阳能采暖系统技术条件》、《北方农村户用太阳能采暖系统性能测试及评价方法》进入征求意见阶段。

我国太阳能采暖技术发展特点是:与建筑节能紧密结合,与其他能源集成互补,提升太阳能贡献率和全年综合利用率,各类季节蓄热材料的应用研究加速。

技术进步的结果是案例经济性不断提升,“用得起”优势明显,效果受到百姓赞誉,被各地政府列入清洁供暖规划,巨大的市场前景日益显现。


上表是我们收集的部分案例数据,从中看出“太阳能+”采暖示范项目2016、2017年数量增加,技术类型多样,经济性不断提升,从事企业增多。


二、案例与分析

(一)户用短期蓄热采暖

农村户用采暖是推广清洁供暖、实施散煤治理的重点和难点。多年来,中国“太阳能+”在此领域走过了因太阳能贡献率低,可靠性低被边沿化的过程,如今各地通过示范项目实践,技术进步使太阳能贡献率不断提高,运行成本低,居民可承受的优势进一步显现,推动“太阳能+”户用采暖在全国北方各地更大范围进入示范阶段。仅举几个例子,供讨论。


阜平县平石头村高玉风家、城南庄镇新房村耿二玲家太阳能+热泵采暖案例

1、技术基础

项目承担单位河北维克莱恩太阳能开发有限公司,2010年以来,在河北省各级政府支持下,在9市、29县示范安装了“太阳能+”采暖系统1000多户。尝试过与电、生物质(压块、颗粒)或清洁型煤、燃气、空气源和水源热泵、醇基液体燃料等多种辅助能源结合。具备较好的技术基础。通过保证较高的太阳能贡献率提升经济性是他们的主要经验。下图是他们多年示范项目总结的数据。


2、基本情况

项目位于习总书记视察过的国家级贫困县河北省阜平县。高玉风家是改造项目,工程于2018年1月30日完工并投入运行。耿二玲家是新建项目,2018年1月31日完工投入运行。两家整个采暖期间均运行正常,无故障。

3、建筑概况

房屋建筑情况:高玉风家建筑面积55㎡;耿二玲家建筑面积为116㎡,两家墙体保温板厚度为50mm,断桥铝门窗,末端设施为地暖。是当地政府出资新建住宅。

4、系统组成

系统由太阳能集热器、空气源热泵、储热水箱、控制、生活用水、供暖末端(原有)等系统组成。具有自动落水、上水功能,不仅太阳能贡献率进一步提升,而且防冻性能得到改善,运行耗电降低。

高玉风家采用4组太阳能集热模块(200支Ø58*1.8m真空管),耿二玲家采用6组太阳能集热模块(300支Ø58*1.8m真空管),两家均配置1m3食品级不锈钢保温水箱,内置换热盘管,能够满足四季生活热水,辅助能源采用5匹空气源热泵,系统可实时远程监测运行状态。


5、运行效果

高玉风家,改造前,5匹机空气源热泵运转40天,室温始终维持在12度左右,用电量2297度,折合每天用电57.4度。改造后,室内平均气温一直在20度左右。系统自1月30日至3月10日运转39天,用电量497度,(均包括用户炊事和照明等生活用电),折合每天用电12.7度。改造后日均用电量为改造前的22.1%,差不多是1/5。用户对采暖效果非常满意。户主儿子孙大哥说:“我们对太阳能供暖十分满意,村里其他用空气源热泵的试点户,24小时开着的话,每度电五毛二,一天最少也要花上40元钱。一冬天下来,光采暖要花上5000来元,我们一年只挣一两万,生活还有别的开支,5000元钱用于采暖哪舍得花呢!用上太阳能+系统后,省电多了,一个冬季就1000来元,而且比以前煤炉子供暖安全,不怕煤气中毒,也干净利索多了。”孙大哥还兴致勃勃的领着参观了他家临时的引水设施,说“村里的自来水很快就会修通,到时候用这个太阳能采暖设备,一年到头还有免费的热水。”

耿二玲家系统于2018年1月31日完工投入运行,至3月10日正常运转供暖39天,室内供暖温度保持在18℃~23℃,用电量863度。54岁的耿大姐月收入大约1000元,她在和我们交谈中表示对太阳能供暖十分满意,比起烧煤和电取暖,不仅干净、安静、省力,还更省钱,她说“开始时,我闺女还有点不放心,村里有5户装了太阳能采暖试点(类型和施工单位不同),我也常去他们家看看,我的运气最好,两天就装完了,用电量最少,好多人来参观”。耿大姐还打开厨房的热水龙头,50多度的热水冒着热气流出,她说:“我们现在洗澡、洗衣、做饭等都用热水,比城里还好。”

6、经济性


7、分析

(1)在本案例中,高玉凤家同一个建筑,太阳能+热泵采暖用电量是单一热泵采暖用电量的1/5,激发了再次改造的市场需求;

(2)比较本次两个案例,建筑面积大的单位面积初投资较单位面积小的单位初投资少。


秦皇岛市北戴河区戴河村五户联排农房太阳能+采暖

河北省秦皇岛市青龙县隔河头镇大森店村新民居小区太阳能+采暖项目

1、技术基础

秦皇岛市北戴河兰德科技有限责任公司自2011年以来,在秦皇岛、北京等地共安装太阳能+采暖示范共计6万m2。其中有工业园区企业生产办公楼,农村的小学、幼儿园、村委会、公安派出所、联排的农户,还有超过两万平方米的农村新民居小区。

2、基本情况

五户联排农房项目位于秦皇岛市北戴河区戴河村,2015年设计和安装应用。总建筑面积为540m2,平均每户为108m2。建筑保温性能差,项目实施期间,按照兰德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。系统于2015年10月26日正式投入运行。采用的技术被河北省住建厅评为科技进步一等奖。民居小区项目位于秦皇岛青龙县隔河头镇大森店村,建筑面积27522m2,建筑达到65%建筑节能标准,于2014年10月建成投入运行。供暖时间6个月。2016年被河北省评为农村低碳社区示范单位。


3、系统组成

五户联排系统由集热单元、电辅助、储热水箱、地暖、循环泵控制(含远程监控)等系统组成。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、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。民居小区系统,按5户一套,每套配置同五户联排项目。


4、运行效果

两个系统均实现全自动控制、无人值守。五户联排实现了既有建筑改造降耗,冬季室内平均温度20℃±2℃,夏季室内温度不超过28℃,有冬暖夏凉的效果。由于供暖费用低廉,在国家规定秦皇岛地区5个月采暖期前后适当延长,共1.5个月时间,全年供暖期达到6.5个月。民居小区供暖季室内平均温度15-20℃。供暖时间:6个月。舒适度较燃煤采暖大大提高。五户联排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。前几天曾经一连三天都是阴天,没开电辅,屋里还保持在15℃、16℃左右,太阳能供暖确实好”。


5、经济性

初投资:五户联排太阳能供暖系统初投资3.5万元,折合350元/m2,每户旧房节能改造费4万,省、市、区政府每户补贴6.5万,农户自筹1万。民居小区初投资550万元,折合200元/m2,新建65%的节能建筑,无建筑节能改造费。

运行费:五户联排村民过去自己买煤供暖,每户平均4吨,需要花费2400元,折合4.4元/ m2。经过两个采暖季验证,平均每户每年循环泵运转耗电170度,约合88元,项目承担单位收取每户每年运行维护费300元,每户每年供暖运行费388元,折合3.6元/ m2。民居小区供暖费用2元/ m2。两项目百姓采暖费均低于燃煤供暖。这两个示范项目或许创造了我国目前清洁供暖运行费最低的记录,或许也创造了我国目前短期蓄热太阳能贡献率最高的农村太阳能+供暖记录。

6、运管机制

该公司依托物联网平台实施寿命期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/平方米•年的市场化运行服务模式。

7、分析

⑴建筑保温是采暖工程的一部分,应借助相关政策与清洁供暖同步实施改造。

⑵再次证明适当扩大规模可以降低初投资;

⑶形成市场化服务模式特别是利用物联网平台技术进行市场化服务是未来方向。

内蒙古包头市幸福路1号街坊“太阳能+空气源+电加热”

1、技术基础

包头汉诺威工业装备科技有限责任公司由国家千人计划专家等海归人才创建,在光热集热、储热、绝热、综合利用等领域坚持多年研发基础上,2016年进入太阳能+采暖商业化市场,在内蒙古、河北、北京等地农户、企业、军队、乡镇建设了多个示范项目,有较全面的技术基础。


2、基本情况

所在地冬季严寒,夏季炎热,昼夜温差大,无霜期较长,日照充足。全年日照时数2960小时。建筑采暖面积为100㎡,属于老旧建筑,保温性能差,采暖末端为明装老旧铸铁暖气片。

3、工作原理

系统由太阳能集热器、储热水箱、空气源热泵、缓冲水箱、电加热元件、铸铁暖气片等组成。能源利用优先顺序为太阳能、空气源热泵、电。对该建筑提供采暖和生活热水需求。

4、经济性分析

初装费:6万元以内。

运行费用:

室内温度均保持在19-22℃之间。当地极端天气室外零下28℃。

最冷月平均每天采暖实际费用:  

18kWh * 0.43=7.74元

采暖季日均耗电量:9.5-11.2kWh

采暖季采暖费用:747—867元

采暖季每㎡采暖费用:7.5—8.7元。

(二)公共建筑采暖

山东省乐陵市云红小学教学楼太阳能+热泵案例


1、技术基础:项目由皇明太阳能集团有限公司承建。

2、基本情况:

供能建筑位于山东省乐陵市,国家规定当地集中供暖期为4个月。

3、建筑概况:

供暖建筑为四层砖混结构。项目教学楼共计4层,符合节能65%建筑标准。采暖面积共计1908平方米。

4、系统组成



系统由太阳能集热器、空气源热泵、保温水箱、采暖末端、控制系统、远程监控系统等组成。

 太阳能用于冬季采暖,系统优先使用太阳能热量进行采暖,如遇连续雨雪、雾霾天气,不足部分热量由空气源热泵提供。

5、运行效果

下图是2017年2月1日14:18:03截取的各部位工作监控图,当日晴,气温-3~8℃,室内温度21℃。

下图是截取的2017年2月10日8:00~2017年2月11日8:00的温度曲线变化图,9:00~24:00,室内温度均在18±2℃.范围内。结论:晴天时,该建筑的太阳能可以满足采暖8小时用热量。


6、经济性

初装费:未能收集到。

运行费分析:晴天系统运行费用主要是集热循环泵、采暖循环泵、控制系统的耗电。监测每天约50kWh,整个采暖季(120天)约6000kWh。

阴天或雾霾天需要启用热泵辅助,热泵匹配的为30P,监测每小时耗电平均为30kWh。按整个采暖季18个阴天雾霾天计算,用电量为4320kWh。

合计整个采暖季用电10320kWh,折合5.4kWh/m2•采暖季。2000m2四层学校教学楼几乎相当北京农村一户运行用电量。

内蒙古鄂尔多斯易地扶贫搬迁村民活动中心

项目由包头汉诺威工业装备科技有限责任公司承建。位于内蒙古鄂尔多斯,为政府易地扶贫搬迁村民活动中心。地处蒙陕宁三省区交界,属半干旱中温带大陆性季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,昼夜温差较大,无霜期较长,日照充足。全年日照时数3161.5小时。建筑采暖面积为300㎡砖混结构,外墙有保温,单层建筑高度约3.8米,采暖末端为辐射地暖。原来采用燃煤炉进行采暖,现采用太阳能系统+燃气壁挂炉对该建筑提供12小时,19-22摄氏度采暖。和电锅炉采暖相比,回收期3.2年。

运行数据 

300平方米建筑采暖系统每年节能减排分析


(三)联供系统(含采暖)

利用太阳能集热、短期蓄热、溴化锂制冷等技术,在适宜地区实施采暖、制冷、热水联供,是国内外提高太阳能全年综合利用的常用方法。多年来,我国做了较多示范项目,如北京太阳能研究所办公楼、皇明太阳能集团公司、力诺瑞特太阳能集团、大连希奥特太阳能有限公司综合楼、内蒙古包头市稀土高新区滨河新区企业办公楼、中国建筑科学研究院零碳办公楼、廊坊市智慧环境生态产业研究院、敦煌市首航节能光热发电站厂前区综合楼、宿舍等,技术不断进步,日渐成熟,成功案例推动联供系统进入商业化阶段。

敦煌市首航节能光热发电站厂前区综合楼、宿舍

太阳能供热/采暖/制冷三联供项目

1、基本情况

敦煌市首航节能光热发电站厂前区综合办公楼、宿舍太阳能供热-采暖-制冷系统位于敦煌市七里镇,东经94.6°,北纬40.117°,海拔1137m,该地属敦煌戈壁区域无集中供热系统。项目于2017年11月竣工,运行模式为太阳能+谷电。设计冬季供暖室温20℃,夏季制冷室温度25~26℃,全年年均日供水(45°热水)24吨。在采暖季对采暖性能验收通过的基础上,2018年5月,制冷性能先期通过甲方验收。


2、建筑概况

综合办公楼、宿舍建筑面积7480m2。

3、系统配置

太阳能集热模块:187组(785.4平方米),13度安装;分层蓄热水箱:105m3;电磁辅助加热500kW;500kW低温热源溴冷机组。上述部件涵盖了希奥特多项专利技术。前期的大连希奥特太阳能有限公司综合楼联供技术于2013年获得建设部科技成果奖。



验收实测:溴化锂吸收式冷(温)机组,运行温度9~12℃,室温设置25~26℃,实测室温达24.4℃。系统运行安全平稳、操控可靠、便捷。

经济指标:

初装费388元/m2。

计算谷区辅助加热系统电能消耗量289,610kW·h(年总量)。谷区电价为0.24元/kW·h,系统年运行费用为:69506元(约7万元),折全年运行费9.3元/m2。

计算非太阳能系统(如中央空调)年运行费用为:781589元(约78万元) (该厂峰谷综合电价为0.8元/kW·h),折全年运行费104元/m2。

项目承担方负责人说:目前虽然各项数据指标与经济节能性极佳,甲方也给予高度评价,但采暖期受装修进度影响,负荷不大,全年数据还需要进一步积累。


(四)季节蓄热采暖

地球上季节的变化是阳光照射能量变化的结果,解决人类冬季采暖也要依靠阳光。采暖期阳光能量密度是一年中较低的。将非采暖期太阳辐射转换的热能储存下来用于采暖期采暖称为太阳能季节蓄热技术,该技术的应用有利于进一步提升太阳能的贡献率,提升太阳能+采暖的经济性。丹麦水坑季节蓄热技术已进入大规模应用阶段。加拿大土壤季节蓄热技术也相对成熟,著名的(DLSC)社区2016年全系统供暖COP值达到17,获得太阳能贡献100%的世界纪录。我国近两年,清华大学承担的科技支撑项目“基于太阳能长周期蓄热的区域性建筑集中供暖系统集成与示范”阶段性项目结题。北京天普、四季沐歌、维克莱恩、河北聚日等多家民营企业也开始示范项目的研究。四季沐歌总承包的西藏浪卡子县的季节蓄热供暖项目计划今年将竣工。


北京大兴榆垡镇刘家铺村100户采用“太阳能+地源热泵”季节蓄热

太阳能与地源热泵结合,春季与秋季太阳能集热器采集的热量,加热热水,储存在水箱中,在保证生活热水的前提下,将多余热量通过地埋循环管储存在地下土壤中。夏季在完成上述春秋季节运行的同时,建筑物制冷产生的热量也通过地埋循环管被换入地下土壤中蓄存。全年费采暖季收集的太阳热能,蓄存在土壤中,冬季利用地源热泵采暖供热,实现全年的热量平衡。


经济性

①项目初投入约400元/平米,包括设备与安装的所有费用;

②项目2012年投入运行。经过2013年冬季和2014年全年运行后,室内温度达到夏季27℃,冬季18℃;第二年(2014年)冬季采暖开机时,地源侧供回水温度较第一年提升4℃,达到13-15℃。

③100平米户均用电量:冬季3200kW·h,夏季500kW·h。全年运行费用低于5000kW·h。 


分析:

①本项目是太阳能季节蓄热应用示范的一种类型;

②初装费400元/㎡;

③项目特点是是季节性蓄热技术应用。一年后地源回水温度提升了4℃的数据,初步表明了蓄热技术的效果,地源供回水温度的提高为热泵性能的提升创造了条件;

④项目的运行费用低于目前北京地区热泵采暖运行费30%以上。 

2017年北京天普在北京市延庆区康庄镇王家堡村又建设一示范项目。供暖面积2.3万㎡,包含50年代建房31处,150栋住宅、1栋村委会。改造前主要采用传统散煤供暖方式。新建太阳能集热场、热泵供热制冷、室外地源换热、供热管网、室内末端、控制及热网系统,见下图。

说明:本对比数据以北京地区农村平房,热指标105W/㎡,冷指标80W/㎡,总采暖面积为19000㎡,按85%的供暖使用率计算,总建筑热负荷为1696kW,总建筑冷负荷为1292kW。冬季供暖时间120天。电价按0.5元/度(无峰谷电),燃气价格2.36元/m³。未计燃气开口费、电力增容费、设备维护费。

太阳能+系统初始投资高于其他方案,但全生命周期内总费用、运行费均最低,寿命也优于其他两种方案。 

河北经贸大学(水体蓄热)“太阳能+燃气”季节蓄热采暖及热水应用综合项目

与前例的技术差异在采暖热量不一定非要经过热泵。该项目采暖面积为8.3万㎡,日用热水总量为121吨。采用横双排全玻璃真空管集热器1380组,铺设在14个宿舍楼楼面,共用真空管6.9万支,总集热面积1.16万㎡,总储热水箱容量2万余吨,末端采用翅片式散热器采暖,集热器面积配置14m2/100m2左右。初期投资:7000万元,不含室内采暖末端和室内管路,折合到每平米建筑481元。较原单一天然气采暖年节约1000万元左右。从技术角度,水箱蓄热效果要低于水坑和土壤,但本项目都能取得如此效益。


河北衡水市景县广川镇“太阳能+电”季节蓄热采暖项目

项目于2018年初开始建设。采暖建筑为二层建筑物,建筑面积1200㎡,其中南北向一半建筑约600㎡外墙做了墙体保温,供暖末端采用低温热水地板辐射采暖系统。东西向一半建筑未做保温,供暖末端采用风机盘管热风供暖系统。系统配置总面积401㎡的太阳能集热器;直径25m,深42m的土壤蓄热体,其中蓄热井55眼;2t蓄热缓冲水箱一个;电辅助系统;控制系统;土壤温度监测系统等。 


从目前监控数据可观测到如下现象:

⑴自2018年5月10日开始蓄热到8月13日,蓄热体上部0m、中部20m、底部40m和底下42m处,温度已由14℃分别上升到35℃、30℃、24℃、16℃。

⑵土壤蓄热曲线形态正常,尖峰连线能够反映太阳辐照量变化,峰下降段能反映土壤蓄热状态,

⑶蓄热体各监测点底部连线表征所在处土壤蓄热温度,规律一致。

⑷蓄热体底下2m处,温度上升不大,说明蓄热体对土壤环境影响可控。

⑸土壤蓄热能量速率与设计预期吻合,尚无异常现象。



三、小结 

我国“太阳能+”采暖技术进步呈加快趋势,多能源集成、短期蓄热、跨季节蓄热、采暖制冷热水三联供等技术进步尤为突出。

“太阳能+”普遍适用于北方住宅和公共建筑清洁供暖。在一定的建筑保温条件下,优于燃煤取暖室温12℃左右的效果,具有延长采暖期的灵活性,大部分项目具有提供全年热水功能。

高保证率的“太阳能+”运行费已远低于当地电、气单一能源费用,经济性优势明显,是居民可承受、具有幸福感的采暖模式,不依赖长期补贴,不会“停补反煤”,已经催生出对单一电、气清洁取暖项目再次改造的市场需求。

“太阳能+”的初投资随着技术进步在逐步降低。同等条件下规模越大单位初投资越低。因地制宜的供热站和户用分布式相结合的布局是未来趋势。

研究经济性要算短期投入和长期补贴综合账;算基础建设、配套设施、设备投资国家账;算能否节约后期环境治理费用的长远账,算国家能源体系的安全账。

大量示范工程验证,“太阳能+”能够达到15~20年寿命,配合市场化的供暖服务,具备大面积推广的必要条件。

特别鸣谢案例信息提供单位:(排名不分先后)

河北维克莱恩太阳能开发有限公司 

皇明太阳能股份有限公司

北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司

上海筑能环境科技有限公司

秦皇岛市北戴河兰德科技有限责任公司

北京天普太阳能工业有限公司

包头汉诺威工业装备科技有限责任公司

大连希奥特阳光能源科技有限公司等

来源:中国太阳能产业资讯

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