太陽(yáng)能供熱采暖工程案例分析：北京門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)櫻桃溝村民居太陽(yáng)能熱水采暖項(xiàng)目

北京天鳴陽(yáng)光太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 羅鳴

一 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目名稱：北京門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)櫻桃溝村民居太陽(yáng)能熱水采暖項(xiàng)目

建設(shè)背景：北京門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)櫻桃溝村是北京社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)改造首批示范村，改造建筑總面積16000m2。改造后的82套民居建筑依山坐落，洋溢著淳樸的北方鄉(xiāng)村民俗建筑風(fēng)情，百姓生活硬件設(shè)施條件改善有了質(zhì)的飛躍。平均200m2的二層獨(dú)棟式建筑，雙衛(wèi)生間設(shè)計(jì)，熱水及采暖配套由清潔能源——太陽(yáng)能集熱電輔助熱源供給。

項(xiàng)目業(yè)主單位：北京門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)櫻桃溝村村委會(huì)

承建單位：北京天鳴陽(yáng)光太陽(yáng)能科技有限公司

項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間：2005年9月～2008年10月

項(xiàng)目規(guī)模：總建筑面積16000m2，最大單戶建筑面積947m2，最小單戶建筑面積104m2，平均單戶建筑面積200m2，安裝太陽(yáng)能集熱面積3200m2，平均單戶安裝太陽(yáng)能集熱面積40m2。

建筑類型和節(jié)能措施：二層獨(dú)棟式磚混結(jié)構(gòu)建筑，建筑面積平均200m2，現(xiàn)澆坡屋頂，雙層玻璃塑鋼窗，外墻為370mm黏土空心磚墻，二層坡屋頂內(nèi)吊石膏板平頂，上面滿鋪50mm巖棉板保溫。供暖末端采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)。

二 工程概況

以櫻桃溝村200m2單體民居建筑為例，采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?，熱源形式為太?yáng)能集熱電加熱輔助復(fù)合分體系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)提供用戶全年生活熱水供應(yīng)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

采暖面積及采暖負(fù)荷：本項(xiàng)目低溫?zé)崴匕遢椛洳膳O(shè)計(jì)供回水溫度為30～40℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16℃，室外設(shè)計(jì)溫度為?9℃，節(jié)能建筑采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為50W/m2，建筑耗熱量指標(biāo)為20.6W/m2。北京地區(qū)采暖期為125d。

本建筑采暖面積按160m2計(jì)算，采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為50W/m2，電輔助加熱功率應(yīng)配置8kW；建筑耗熱量指標(biāo)為20.6W/m2，采暖期建筑日平均耗熱量為3296W/d。

熱水負(fù)荷：建筑戶均人數(shù)按3.0人/戶計(jì)算，設(shè)計(jì)最高日用熱水定額取100L/人，設(shè)計(jì)平均日用熱水量取50L/人，設(shè)計(jì)熱水溫度為45℃。

當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、自來(lái)水溫度：當(dāng)?shù)囟经h(huán)境溫度平均為?2.2℃，冬季最低環(huán)境溫度為?9.2℃，自來(lái)水溫度按10℃設(shè)計(jì)。

2 太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)

目前，太陽(yáng)能集熱器主要有平板集熱器、全玻璃真空管集熱器、金屬－玻璃真空管集熱器三大類別。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用真空管集熱器，南北向豎置式真空管集熱器與建筑坡屋面結(jié)合相比橫排真空管集熱器更加美觀，同時(shí)有利于防止積雪覆蓋及減少真空管積塵影響。平板集熱器在同樣安裝條件下易積雪、積塵，影響系統(tǒng)集熱。金屬－玻璃真空管集熱器性能較好，但造價(jià)偏高。

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，系統(tǒng)選用豎置式三防三腔全玻璃真空管集熱器，集熱器性能參數(shù)如表1所示。

集熱器性能特點(diǎn)：集熱器采用聯(lián)箱式微承壓設(shè)計(jì)，適用于自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)；集熱器采用國(guó)標(biāo)全玻璃真空管高效集熱，真空保溫，全年運(yùn)行，投資較經(jīng)濟(jì)；集熱器的真空管南北豎向放置，內(nèi)置玻璃芯管，強(qiáng)化自然循環(huán)集熱，使真空管內(nèi)的存水量減少，系統(tǒng)有效得熱量提高；集熱器的真空管全天自動(dòng)跟蹤陽(yáng)光，集熱器安裝與地面夾角在30?～75?范圍任意設(shè)置；集熱器可采用循環(huán)防凍/介質(zhì)防凍措施保證在寒冷地區(qū)運(yùn)行。

系統(tǒng)集熱器面積：綜合考慮建筑采暖負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷，系統(tǒng)配置集熱面積為40m2，集熱器傾角設(shè)置按建筑坡屋面角度為28?，朝向正南。

水箱容積：水箱容積按生活熱水配置要求為150L，SUS304不銹鋼內(nèi)膽，聚氨酯整體發(fā)泡，敞開式水箱，內(nèi)置生活熱水換熱器。

3 系統(tǒng)運(yùn)行方案

系統(tǒng)分夏季熱水模式和冬季采暖模式，雙模式手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

夏季熱水模式下，太陽(yáng)能集熱運(yùn)行：T1?T3≥8℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1啟動(dòng)循環(huán)；T1?T3≤2℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1停止循環(huán)。

夏季熱水模式下，電輔助加熱運(yùn)行：電加熱在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行。設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，T3達(dá)到設(shè)定下限溫度值40℃時(shí)，電加熱B輸出加熱；T3達(dá)到設(shè)定上限溫度值50℃時(shí)，電加熱B停止加熱。

冬季采暖模式下，太陽(yáng)能集熱采暖：T1?T3≥8℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1啟動(dòng)循環(huán)，同時(shí)采暖循環(huán)泵P2啟動(dòng)循環(huán)；T1?T3≤2℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1停止循環(huán)，同時(shí)采暖循環(huán)泵P2停止循環(huán)。

冬季采暖模式下，電輔助加熱運(yùn)行：電加熱在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行。設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，T4達(dá)到設(shè)定下限溫度值20℃時(shí)，電加熱A輸出加熱，同時(shí)采暖循環(huán)泵P2啟動(dòng)循環(huán)；T4達(dá)到設(shè)定上限溫度值30℃時(shí)，電加熱A停止加熱，同時(shí)采暖循環(huán)泵P2停止循環(huán)。

冬季采暖模式下，系統(tǒng)防凍保護(hù)：T2達(dá)到設(shè)定下限溫度值4℃時(shí)，系統(tǒng)防凍保護(hù)輸出，系統(tǒng)防凍循環(huán)或管路防凍伴熱輸出；T2達(dá)到設(shè)定上限溫度值8℃時(shí)，系統(tǒng)防凍保護(hù)停止。

系統(tǒng)補(bǔ)水：系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱滿液位運(yùn)行，當(dāng)水箱液位低于設(shè)定液位下限時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)水輸出；達(dá)到設(shè)定液位上限時(shí)，系統(tǒng)補(bǔ)水停止。

生活熱水：生活熱水利用自來(lái)水通過(guò)水箱內(nèi)置換熱器即時(shí)換熱供給。

三 系統(tǒng)運(yùn)行和監(jiān)測(cè)

1 太陽(yáng)能資源

按《中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)》2001年冊(cè)的氣象資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給出的水平面月平均日輻照值換算成與水平面成當(dāng)?shù)鼐暥冉堑奶?yáng)輻射月平均值見表2，太陽(yáng)能集熱器效率按50%計(jì)算。

表2

2 建筑耗熱量

本項(xiàng)目無(wú)建筑熱工計(jì)算數(shù)據(jù)，按節(jié)能50%建筑估算，則建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷取50W/m2，建筑耗熱量指標(biāo)取20.6W/m2，采暖室外計(jì)算溫度T為?9℃；

計(jì)算采暖期的耗熱量時(shí)應(yīng)折算為面積平均熱指標(biāo)q=Q×[(t?t1)/(t?T)]

其中：q為面積平均熱指標(biāo)，W/m2；Q為采暖設(shè)計(jì)耗熱量，按30W/m2計(jì)算；t為采暖室內(nèi)計(jì)算溫度，按16℃計(jì)算；t1為月平均溫度，℃；T為采暖室外計(jì)算溫度，按?9℃計(jì)算。

根據(jù)采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，按照各月的平均面積熱指標(biāo)(W/m2)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3

根據(jù)每個(gè)月的采暖天數(shù)計(jì)算出各月的采暖耗熱量，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4

3 太陽(yáng)能采暖保證率

根據(jù)表2和表4所得數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出采暖期各月太陽(yáng)能采暖保證率及能量盈缺的情況，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5

4 輔助加熱耗電量

太陽(yáng)能采暖不足部分由輔助電加熱補(bǔ)充，各月所需耗電量見表6，電加熱效率按95%計(jì)算。

表6

四 系統(tǒng)特點(diǎn)

從上述逐月計(jì)算分析可見，對(duì)于太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相對(duì)常規(guī)能源采暖模式延長(zhǎng)采暖期，可有效利用采暖初期太陽(yáng)日照條件較好、室外環(huán)境溫度還不低的條件，通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)獨(dú)立對(duì)建筑及采暖系統(tǒng)進(jìn)行初始預(yù)熱，從而減少正常采暖期到來(lái)后建筑采暖的初始耗熱量，平衡整個(gè)采暖系統(tǒng)的耗熱量，有效提高太陽(yáng)能采暖貢獻(xiàn)率。

尤其在12月及2月期間，實(shí)際計(jì)算所得建筑耗熱量指標(biāo)(面積平均熱指標(biāo))較大，按最不利因數(shù)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱面積將導(dǎo)致初投資過(guò)大，且對(duì)采暖品質(zhì)保證十分不利。本系統(tǒng)仍按建筑耗熱量指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱面積，采暖期建筑耗熱量偏大時(shí)由輔助熱源補(bǔ)償，綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性。

考慮采暖初期與末期實(shí)際可減少輔助加熱使用消耗因素，以及地板采暖良好的熱穩(wěn)定性對(duì)室溫保持的有利因素，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)合理管理控制輔助加熱時(shí)段，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)行費(fèi)用控制目標(biāo)。

本系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度按16℃計(jì)算，室內(nèi)溫度的提高將導(dǎo)致建筑實(shí)際耗熱量增大。在太陽(yáng)能集熱面積已確定、免費(fèi)得熱量即已固定上限的情況下，增加的熱負(fù)荷只能通過(guò)輔助熱源提供，因此本系統(tǒng)使用運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)用戶室內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)控制，從而合理節(jié)省采暖運(yùn)行費(fèi)用。

本系統(tǒng)供暖末端采用低溫?zé)崴匕遢椛涔┡绞?，采暖水循環(huán)行程相對(duì)較長(zhǎng)，系統(tǒng)熱容量相對(duì)較大，因此采暖循環(huán)連續(xù)運(yùn)行，熱補(bǔ)充定時(shí)分段投入，對(duì)各個(gè)區(qū)域熱循環(huán)平衡、節(jié)省耗能有利。本系統(tǒng)的采暖循環(huán)泵為低耗電量的節(jié)能泵，長(zhǎng)期運(yùn)行耗電量少。

本系統(tǒng)為復(fù)合節(jié)能采暖熱水系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能集熱采暖熱水系統(tǒng)、輔助加熱保障供暖系統(tǒng)、低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)、建筑外保溫低熱耗系統(tǒng)、免費(fèi)生活熱水供給系統(tǒng)，通過(guò)各系統(tǒng)的相互作用，自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)滿足用戶采暖溫度不低于16℃，生活熱水不低于50℃的條件下最低能耗的目的。

太陽(yáng)能集熱采暖熱水系統(tǒng)：自動(dòng)利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換熱量，提供給室內(nèi)采暖及制備生活熱水需要，系統(tǒng)自動(dòng)判別有效熱能，及時(shí)得到并轉(zhuǎn)換到室內(nèi)及熱水箱內(nèi)，對(duì)用戶而言所得即所省。受太陽(yáng)光照條件和時(shí)間的限制，以及所配置的太陽(yáng)集熱面積大小決定，不能無(wú)條件及時(shí)提供需要的“無(wú)限”熱量，因此太陽(yáng)能集熱采暖熱水系統(tǒng)滿足采暖及熱水還需要建筑外保溫低熱耗系統(tǒng)幫助。當(dāng)建筑實(shí)際耗熱量與太陽(yáng)能得熱量匹配時(shí)，太陽(yáng)能就獨(dú)立滿足了采暖基本需要，這段時(shí)間也就實(shí)現(xiàn)了相對(duì)其他采暖形式而言的“零能耗”概念。太陽(yáng)能集熱采暖熱水系統(tǒng)對(duì)于采暖期的建筑采暖來(lái)說(shuō)，其作用是一定條件下維持室溫、補(bǔ)充熱量。太陽(yáng)能集熱面積可依據(jù)滿足節(jié)能建筑耗熱量指標(biāo)設(shè)計(jì)計(jì)算，以控制過(guò)大的初投資及非采暖期系統(tǒng)過(guò)熱。

輔助加熱保障供暖系統(tǒng)：當(dāng)太陽(yáng)能得熱量與建筑實(shí)際耗熱量供小于求時(shí)，為滿足用戶采暖條件的快速輔助保障系統(tǒng)。電加熱保障供暖系統(tǒng)串聯(lián)于太陽(yáng)能采暖熱水系統(tǒng)中，可根據(jù)用戶需要決定啟動(dòng)、停止動(dòng)作，可根據(jù)采暖供水回水溫差自動(dòng)運(yùn)行。

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)：低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)散熱面積大，散熱均勻，有很好的蓄熱能力，設(shè)計(jì)供水溫度50℃，回水溫度40℃，地盤管供水溫度不超過(guò)60℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)供水溫度30～40℃，回水溫度20～30℃，即可達(dá)到良好的供暖效果，地表溫度保持24℃左右，室內(nèi)溫度保持15～18℃。采暖所需熱量是通過(guò)供、回水溫差來(lái)攜帶轉(zhuǎn)換的，不能僅看溫度值。低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的這種溫度特性可以使太陽(yáng)能集熱采暖熱水系統(tǒng)充分發(fā)揮效率，減少系統(tǒng)外的無(wú)效熱損失，實(shí)現(xiàn)最大得熱量。

建筑外保溫低熱耗系統(tǒng)：有效隔絕建筑內(nèi)部能量與外部能量的相互傳遞，使建筑內(nèi)部空間有效保溫隔熱，最大程度地減少建筑在采暖期向外部環(huán)境散失的熱量。本建筑按節(jié)能50%住宅估計(jì)，單位面積建筑耗熱量指標(biāo)應(yīng)不超過(guò)20.6W/m2，本項(xiàng)目太陽(yáng)能集熱面積的得熱量依據(jù)單位面積建筑耗熱量計(jì)算，考慮投資經(jīng)濟(jì)性及屋面可利用面積，實(shí)際集熱面積按負(fù)偏差記取。由此可見單位面積建筑實(shí)際耗熱量對(duì)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)效用體現(xiàn)非常關(guān)鍵。

免費(fèi)生活熱水供給系統(tǒng)：太陽(yáng)能全年全天候提供用戶生活熱水的承壓供給系統(tǒng)。為了方便用戶使用，系統(tǒng)采用承壓換熱即熱供水方式，等于為每戶配置了一套大容量分體承壓太陽(yáng)熱水系統(tǒng)，可以免費(fèi)保障用戶全年正常熱水使用。用戶在使用太陽(yáng)能熱水時(shí)無(wú)需擔(dān)心上水、熱水壓力不足、屋頂炸管跑水、集熱管結(jié)水垢、冬季熱水器防凍等問(wèn)題。

由于太陽(yáng)能集熱面積計(jì)算按冬季采暖需求考慮，因此夏季必然出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)熱狀況。本項(xiàng)目太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以避免閉式系統(tǒng)由于過(guò)熱而導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)壓損壞。系統(tǒng)熱水箱及地暖供水通過(guò)控制系統(tǒng)防高溫過(guò)熱溫度設(shè)置功能避免供水超溫。對(duì)于采用真空管集熱器的系統(tǒng)，包括全玻璃真空管集熱器和金屬－玻璃真空管集熱器，在非采暖期可采用被動(dòng)遮蓋方式避免系統(tǒng)過(guò)熱。對(duì)于采用平板集熱器的系統(tǒng)，在非采暖期可以采用被動(dòng)空曬方式避免系統(tǒng)過(guò)熱。