【案例】看北京新農(nóng)村太陽能如何供熱采暖
文章來源:未知時(shí)間:2022-02-16
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原標(biāo)題：【案例】看北京新農(nóng)村太陽能如何供熱采暖
1、項(xiàng)目概況及意義
北京密云區(qū)石城鎮(zhèn)桃花地新村太陽能供熱采暖工程位于密云區(qū)石城鎮(zhèn)政府以北一公里路邊，密云水庫西側(cè)。
密云水庫是幾千萬北京居民的“生命之源”。保護(hù)水庫周邊環(huán)境的重要性是不言而喻的。以前農(nóng)村居民多采用小型燃煤爐+散熱器自然循環(huán)的形式進(jìn)行采暖，這種方式排放大量污染物，造成嚴(yán)重的大氣污染，大氣污染中的有害物質(zhì)部分通過降雨（雪）威脅到水庫水質(zhì)保護(hù)。太陽能作為新能源和可再生能源的一種，是取之不盡、用之不竭的潔凈能源。利用太陽能采暖技術(shù)減少大氣污染是落實(shí)首都藍(lán)天行動(dòng)的重要途徑之一。因此石城鎮(zhèn)政府在桃源新區(qū)建設(shè)中采用了新型綠色房屋并安裝了太陽能采暖系統(tǒng)，結(jié)合水箱內(nèi)置電加熱替代了散煤燃燒取暖系統(tǒng)，盡可能的減少污染物的排放，保護(hù)水庫環(huán)境。
石城鎮(zhèn)桃花地新村建筑為單體獨(dú)棟住宅，共45棟，每棟2層，采暖面積200平方米左右。該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)較好、保暖性能良好；屋面為坡屋頂，主體朝向?yàn)檎戏较颍晒鈼l件良好，適宜于安裝太陽能集熱器。
本項(xiàng)目建筑形式為二層，由于受屋頂安裝面積限制，每戶只能安裝18㎡平板集熱器，冬季為住戶一層提供地板低溫輻射采暖，達(dá)到部分節(jié)能的目的。春夏秋季為用戶提供充足的生活熱水。除了連續(xù)陰天等不利氣象條件，太陽能系統(tǒng)可以完全滿足三季生活熱水的需要。當(dāng)太陽能不能滿足需求時(shí)，輔助熱源電加熱滿足用能要求。建筑二層的采暖根據(jù)需要使用空調(diào)解決。
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)原則
本系統(tǒng)考慮到采暖的季節(jié)性，因而確定的設(shè)計(jì)原則是：在采暖期，太陽能供熱采暖系統(tǒng)主要用于采暖，同時(shí)提供少量的生活熱水；在非采暖期，太陽能供熱采暖系統(tǒng)為住宅提供生活熱水，做到全年綜合利用，從而使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。
2.2 系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理
圖1給出了密云石城鎮(zhèn)太陽能供熱采暖系統(tǒng)的原理示意圖。該系統(tǒng)由太陽能平板集熱器、水箱（含電加熱器）、循環(huán)管路、控制系統(tǒng)、地板采暖系統(tǒng)、水泵、洗浴噴頭等組成。太陽能集熱器安裝在屋頂南坡，水箱、水泵及控制系統(tǒng)都安裝在一層廚房間內(nèi)。
太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)方式，落空式防凍防過熱設(shè)計(jì)。在集熱器上集管和儲(chǔ)熱水箱下部設(shè)立兩個(gè)溫度測點(diǎn)（T1和T2），當(dāng)T1與T2溫差高于設(shè)定上限溫差，太陽能循環(huán)泵開始運(yùn)行，把集熱器吸收的太陽能能傳輸?shù)絻?chǔ)熱水箱；當(dāng)T1與T2溫差低于設(shè)定下限溫差，太陽能循環(huán)泵停止工作；在冬季當(dāng)T1達(dá)到防凍警示溫度后，循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱器中的水在重力作用下回流到水箱，實(shí)現(xiàn)排空防凍；在非采暖季，只要水箱高于設(shè)定最高溫度，循環(huán)泵停止工作，集熱器中的水回流到水箱，系統(tǒng)停止往水箱輸送熱量，集熱器逐步達(dá)到悶曬平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)排空防過熱。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)需要采暖時(shí)，開啟采暖循環(huán)泵，將儲(chǔ)熱水箱的熱量通過管路和地板采暖系統(tǒng)送到房間中，以提高房間溫度，達(dá)到提高和保證室溫的目的。
系統(tǒng)為全系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行模式，分為不同時(shí)間、不同季節(jié)相互配合切換使用，使整套供暖系統(tǒng)達(dá)到最佳的節(jié)能效果。
由于太陽能受天氣和室內(nèi)管道散溫情況的制約，為了能夠很好的滿足用水的要求，太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助熱源，本工程采用電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源。電加熱系統(tǒng)簡便易行通電即可使用。在陰雨天太陽能提供的熱水不能滿足用熱要求時(shí)，微電腦控制器開啟輸出信號(hào)，開啟輔助電加熱系統(tǒng)，當(dāng)太陽能供熱溫度高于或達(dá)到正常供熱值時(shí)，輔助加熱系統(tǒng)停止加熱。最大限度地利用太陽能，達(dá)到節(jié)能的目的。
2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
2.3.1 與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)
本采暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮太陽能與建筑相結(jié)合設(shè)計(jì)問題。集熱元件采用平板集熱器，與屋面平行安裝，與建筑協(xié)調(diào)美觀；同時(shí)，為了房屋內(nèi)部的美觀，集熱器的循環(huán)管路布設(shè)在墻內(nèi)。
圖2 密云石城鎮(zhèn)太陽能供熱采暖系統(tǒng)集熱器安裝圖
2.3.2 垂直分層復(fù)合儲(chǔ)熱水箱
本太陽能采暖系統(tǒng)采用復(fù)合水箱，屬國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用，該水箱將開式儲(chǔ)熱水箱和閉式生活熱水水箱嵌套在一起。儲(chǔ)熱水箱設(shè)計(jì)成開式水箱適宜于落空式太陽能系統(tǒng)；閉式生活熱水水箱利用水箱壁面進(jìn)行換熱，省去換熱系統(tǒng)，并利用自來水管網(wǎng)壓力提供洗浴用水，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。生活熱水水箱與太陽能集熱系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)隔開，并采用搪瓷水箱，保證生活熱水達(dá)到飲用水水質(zhì)；嵌套水箱還可以大大提高非采暖季的熱水供應(yīng)量；太陽能系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)為直接系統(tǒng)，不設(shè)置換熱裝置，可降低太陽能系統(tǒng)工作溫度，提高太陽能的集熱效率。
水箱另一個(gè)顯著特點(diǎn)是設(shè)計(jì)成垂直分層水箱。垂直分層水箱工作原理是利用水在不同溫度下的密度差，實(shí)現(xiàn)同一水箱可以產(chǎn)生不同的溫度分區(qū)，即低溫的水位于水箱底部，高溫的水位于水箱上部，相互不摻混。太陽能集熱器與分層水箱下部相連；采暖系統(tǒng)與水箱中部相連；水箱上部水溫最高，布置生活熱水水箱。
對(duì)于節(jié)能建筑，低溫地板輻射采暖的供水溫度較低，一般在30℃~40℃；太陽能集熱系統(tǒng)一般根據(jù)水箱底部溫度決定其工作溫度，工作溫度越低，太陽能系統(tǒng)集熱效率越高；生活熱水要求供水溫度較高，一般在50℃~60℃，尤其為了避免軍團(tuán)菌滋生，不允許生活熱水長期處在30℃~40℃溫度范圍內(nèi)。垂直分層水箱可以滿足以上不同用途水的溫度要求。
圖3 密云石城鎮(zhèn)太陽能供熱采暖系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱安裝圖
2.3.3 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)
本太陽能供熱采暖系統(tǒng)采暖末段采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，該供暖方式有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）系統(tǒng)通過地下?lián)Q熱盤管加熱地面，地面向房間散熱，形成腳暖頭涼的溫度場，符合人體生理學(xué)需求，提高采暖的舒適度；
2）地板輻射采暖供水溫度低，適合與太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽能集熱器工作在高效率區(qū)域，提高太陽能利用效率；
3）地板輻射采暖有較大儲(chǔ)熱能力，可以減少儲(chǔ)熱水箱的容積，此外節(jié)能建筑可以在夜晚關(guān)閉采暖系統(tǒng)，利用地面熱容保證室內(nèi)的溫度。地板輻射采暖設(shè)計(jì)中，盤管采用密管距，低供水溫設(shè)計(jì)方案，保證系統(tǒng)高效率運(yùn)行。
2.3.4 排空防過熱防凍措施
本太陽能供熱采暖系統(tǒng)冬季采用排空防凍，水泵一?；蛘咭馔馔ｋ娗闆r下，水自動(dòng)回流到水箱，避免系統(tǒng)結(jié)凍和過熱造成系統(tǒng)故障，并減小夜晚的熱損失。
2.3.5 電加熱輔助
本太陽能供熱采暖系統(tǒng)輔助能源是電加熱，清潔能源，低谷電期間可以蓄熱，運(yùn)行費(fèi)用低。
2.3.6 全自動(dòng)運(yùn)行，操作方便
本太陽能供熱采暖系統(tǒng)可以全自動(dòng)運(yùn)行，密云區(qū)石城鎮(zhèn)桃花地新村相關(guān)用戶在不更改設(shè)定參數(shù)情況下無需進(jìn)行相關(guān)操控，只是在更改設(shè)定參數(shù)時(shí)才需要進(jìn)行操控，且更改參數(shù)可以參照說明書指導(dǎo)進(jìn)行，非常方便。所以項(xiàng)目無需專業(yè)運(yùn)行管理團(tuán)隊(duì)，用戶可獨(dú)立操作，獨(dú)立管理。
3、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益分析
本項(xiàng)目最終審定工程價(jià)格為2005590.30元，共45戶，單戶造價(jià)44568元。從本項(xiàng)目投資回收年限看，以太陽能采暖方式替代電能等價(jià)格比較高的能源，投資靜態(tài)回收期大致在8.5年左右，而系統(tǒng)壽命在15年，所以靜態(tài)投資回收期遠(yuǎn)低于系統(tǒng)壽命，投資回報(bào)較高，項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。
單戶太陽能系統(tǒng)年替代散煤量為3787 Kg/年，二氧化碳減排量10224Kg/年；二氧化硫減排量204 Kg/年。整個(gè)項(xiàng)目45戶年節(jié)約散煤170t/年，年減排二氧化碳460t/年，年減排二氧化硫9t/年。
項(xiàng)目自建成運(yùn)行至今，經(jīng)濟(jì)效益方面與單純電取暖相比共節(jié)約電費(fèi)55.8萬元，社會(huì)效益方面相比較散煤燃燒取暖相比共減排二氧化碳1288t，減排二氧化硫25t。
4、系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及安裝實(shí)景圖
項(xiàng)目自從2013年11月正式投入使用以來，經(jīng)過了實(shí)際考驗(yàn)，目前45套系統(tǒng)整體運(yùn)行情況良好。
經(jīng)過走訪用戶并結(jié)合軟件模擬，本項(xiàng)目考慮供暖/熱水全部需求情況下，采暖季太陽能采暖系統(tǒng)負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)室內(nèi)溫度一般設(shè)定在20℃，全年太陽能保證率在40%左右，全年運(yùn)行費(fèi)用約為15~20元/平方米。
該項(xiàng)目被評(píng)為2016年度“首都藍(lán)天行動(dòng)科技示范工程”。
圖4 密云石城鎮(zhèn)太陽能供熱采暖系統(tǒng)實(shí)景
5、結(jié)語
項(xiàng)目總體成效體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：首先是綠色環(huán)保，采用的是太陽能這種潔凈的綠色能源，避免了礦物質(zhì)燃料對(duì)環(huán)境的污染，能為用戶提供一個(gè)干凈舒適的生活空間；然后是高效節(jié)能，太陽能供暖系統(tǒng)能最大效率的利用太陽能，可節(jié)約能源成本40%~60%以上，運(yùn)行成本大大降低；接著是安全可靠，太陽能采暖不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)燒煤采暖爐一氧化碳中毒的危險(xiǎn)，它是安全可靠的系統(tǒng)；最后是美觀長久，平板太陽能集熱器可布置在坡屋頂，與建筑結(jié)合較好，且全部金屬流道，金屬邊框，使用壽命長。
該項(xiàng)目技術(shù)成熟，最先應(yīng)用于平谷掛甲峪村的村民新建住宅采暖，還有在平谷區(qū)黃松峪鄉(xiāng)、金海湖鎮(zhèn)、王辛莊鎮(zhèn)、平谷縣城等散戶戶用太陽能采暖系統(tǒng)，石城鎮(zhèn)項(xiàng)目是該技術(shù)第二次大規(guī)模應(yīng)用。目前北京市太陽能研究所集團(tuán)有限公司采用此技術(shù)所做的太陽能采暖系統(tǒng)，合計(jì)安裝集熱器面積3280m2，合計(jì)服務(wù)建筑面積23900m2。
該太陽能供熱采暖相關(guān)技術(shù)通過中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)組織專家進(jìn)行的技術(shù)鑒定，鑒定結(jié)論表明：該項(xiàng)技術(shù)采用平板集熱器、嵌套式溫度分層水箱、排空的防過熱防凍措施、全自動(dòng)控制，具有可靠性高、熱性能好、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。嵌套式溫度分層水箱，將開式儲(chǔ)熱水箱和承壓生活熱水水箱結(jié)合構(gòu)成夾套式換熱器，系統(tǒng)利用水箱溫度分層滿足不同供熱溫度需求，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。該技術(shù)曾經(jīng)于2010年應(yīng)用在“新型太陽能采暖系統(tǒng)”，獲得北京市自主創(chuàng)新產(chǎn)品證書，于2011年應(yīng)用在“全天候太陽能供熱采暖裝置”，獲得國家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書。（北京市太陽能研究所集團(tuán)有限公司 律翠萍、郝睿）
來源：in新能源應(yīng)用
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