太陽供熱技術(shù)在北方地區(qū)蔬菜大棚房中的利用——大慶太陽能陽光蔬菜大棚房采暖供熱示范項目

珠海興業(yè)節(jié)能科技有限公司 ■ 張友良 楊濤

黑龍江省位于我國最北部，冬季嚴寒。一月份平均最低氣溫?20℃～?30℃，地面極端最低氣溫曾達?52.3℃。采暖期長達145～198天。目前，在北方寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)沒有集中供暖的小型單體建筑采暖主要利用小型燃煤鍋爐或火爐，供熱效率低，能源消耗量大，并產(chǎn)生大量的污染物排放。黑龍江省的太陽能年總輻射量居全國中等水平。12月份輻射總量為14.6～19.7kJ/cm2。人們曾對黑龍江省冬季太陽輻射資源的利用價值表示懷疑，甚至將黑龍江省視為太陽能采暖的“禁區(qū)”。實際上，該省冬季的日照百分率達65%～70%。通過對其各地南向垂直面上的月平均日輻射總量的計算看出，輻射條件最差的12月份，南向垂直面上的輻射總量也可達9.314.8kJ/cm2，不低于低緯度的廣州和南京，與北京地區(qū)相當。因此，在冬季完全可以利用太陽能采暖。

我們根據(jù)大慶地區(qū)的實際情況，設計和實施了位于大慶薩爾圖區(qū)黑魚湖生態(tài)園內(nèi)的太陽能陽光蔬菜大棚房采暖供熱示范項目。

一 項目概況

本示范項目為太陽能陽光蔬菜大棚房提供太陽能采暖。太陽能陽光蔬菜大棚本身的溫度保持由大棚的陽光間設計提供。蔬菜大棚中的大棚房是管理人員辦公和生活的配套區(qū)間，需要采暖的建筑面積為400m2，蔬菜大棚及鍋爐房實景如圖1所示，主要以太陽能集熱系統(tǒng)作為采暖熱源，電熱鍋爐作為輔助熱源，使采暖期內(nèi)室內(nèi)溫度維持在24℃，另提供8～10人的日常生活熱水。

在太陽能陽光蔬菜大棚房示范項目的實施過程中倡導光熱節(jié)能建筑一體化的設計理念，特別注意了對大棚房外墻體保溫結(jié)構(gòu)的設計，以降低采暖供熱系統(tǒng)的熱負荷，提高太陽能采暖供熱系統(tǒng)的可靠性，達到節(jié)能減排、降低建筑能耗的目的。

二 系統(tǒng)組成及運行原理

大慶太陽能陽光蔬菜大棚房采暖供熱系統(tǒng)主要由熱管真空管集熱器、平板型集熱器、采暖水箱、生活水箱、導熱油放置箱、輔助熱源(電鍋爐)、太陽能循環(huán)泵、換熱循環(huán)泵、板式換熱器、采暖循環(huán)泵等組成，其運行原理圖如圖2所示。

本系統(tǒng)在采暖期間全天候采暖及供應生活熱水，其他季節(jié)只需要全天候供應生活熱水。因大慶地區(qū)冬季氣溫很低，設計采用抗凍性強、熱效率高、安全可靠的太陽能熱管真空管和易于與建筑結(jié)合的平板型集熱器，熱管真空管放置在建筑頂部，平板型集熱器與建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合，嵌入式安裝在大棚采光面的上部。太陽能集熱器布置效果圖如圖3所示。

系統(tǒng)運行原理：太陽能集熱系統(tǒng)通過間接加熱方式加熱采暖工質(zhì)水和生活用水。太陽能集熱循環(huán)泵采用溫差控制模式運行，利用太陽能不斷地對導熱油箱進行加熱，當導熱油箱的溫度高于采暖工質(zhì)水箱時，換熱循環(huán)泵啟動，通過板式換熱器加熱采暖循環(huán)水。供熱循環(huán)泵將采暖熱水分別供應至采暖末端的超導暖氣片及生活水箱內(nèi)。采暖工質(zhì)水溫度達不到供暖要求時，通過電動三通閥的切換，直接啟動電鍋爐進行輔助供暖；生活熱水溫度達不到供水要求時，則由水箱自帶的電加熱管輔助供熱，確保采暖系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行。

三 系統(tǒng)能耗估算及設備的選定

1 系統(tǒng)耗熱量估算

采暖期從10月開始到次年的4月初結(jié)束，共180天左右，氣象參數(shù)如表1所示。采暖期內(nèi)室內(nèi)溫度要求維持在24℃左右，日常另需供應8～10人用生活熱水。因采暖系統(tǒng)需要的熱量遠大于生活熱水需要的熱量，所以整個系統(tǒng)總供熱量按采暖需求設計。

表1 大慶地區(qū)采暖期氣象參數(shù)

本項目大棚房建筑面積為400 m2，按節(jié)能建筑標準設計建造，維護結(jié)構(gòu)保溫良好，根據(jù)項目實際情況，采暖熱負荷指標按80W/m2估算，則采暖熱負荷為：

每天采暖供熱按24小時計，則每日總耗熱量為：

2 太陽能集熱器面積確定

本地區(qū)采暖期內(nèi)6個月的日平均輻照量14.08MJ/m2；根據(jù)本工程使用特點，太陽能采暖保證率取45%；根據(jù)本公司熱管真空管和平板式集熱器產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，平均集熱效率取50%。參考GB 50495-2009《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》中提供的計算方法，可得本項目需要的太陽能集熱器總面積為218 m2。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，大棚采光面可集成65塊平板型集熱器，每塊集熱面積1.5 m2，總集熱面積為97.5 m2；另在大棚房的屋面上鋪設30塊熱管真空管集熱器，每組集熱面積4.3 m2，總集熱面積為129 m2。兩種集熱器的總集熱面積為226.5 m2，為了在采暖季達到更好的采暖效果，集熱器的傾角設置為55°。

3 水箱容量的確定

白天日照充足時，采暖系統(tǒng)所需的供熱負荷較小，為了將富余的太陽能熱量加以儲存，以備日落后供熱使用，系統(tǒng)需要設置一個儲熱水箱。本項目水箱儲熱溫度最高按70℃，最低按40℃，按儲存每日太陽能集熱器有效供熱量的50%計，根據(jù)太陽能集熱器面積計算結(jié)果和相關參數(shù)，計算可得本系統(tǒng)所需要的蓄熱水箱容水量為5713kg，蓄熱水箱的容量可確定為6 m3。

4 自動控制系統(tǒng)

本示范項目控制系統(tǒng)采用工業(yè)級可編程控制器，實現(xiàn)太陽能和輔助加熱系統(tǒng)的全自動化、智能化，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，并可根據(jù)客戶的實際需要修改控制程序?？刂葡到y(tǒng)隨時采集系統(tǒng)參數(shù)，并按照預先設定的程序自動控制太陽能循環(huán)泵、換熱循環(huán)泵、熱水補水增壓泵、太陽能供熱循環(huán)泵、電鍋爐、鍋爐供熱循環(huán)泵等設備的運行。根據(jù)實際需要，控制系統(tǒng)可切換入手動控制模式。

四 系統(tǒng)節(jié)能減排效益預測

本太陽能采暖示范系統(tǒng)安裝太陽能集熱器總面積226.5 m2，采暖期內(nèi)集熱器平均集熱效率按50%計算，則系統(tǒng)有效得熱量預測如表2。

表2 太陽能供熱系統(tǒng)節(jié)能量計算

通過計算可得，在年采暖期內(nèi)，太陽能供熱系統(tǒng)節(jié)能量約為289940MJ，相當于減少約8.5萬kWh電能消耗(電加熱供熱效率按95%計)，或減少10000m3天然氣消耗(燃氣供熱設備效率按80%計)。

根據(jù)節(jié)能量預測結(jié)果，與傳統(tǒng)供熱方式相比，本太陽能采暖示范系統(tǒng)每個采暖期可減少碳排放量約40t。

五 系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

本項目太陽能集熱系統(tǒng)承壓運行，間接對采暖循環(huán)水系統(tǒng)加熱，采用30組(129 m2)熱管真空管集熱器和65組(102 m2)平板型集熱器。熱管真空管、平板集熱器優(yōu)勢互補，使整個集熱系統(tǒng)在冬季有比較高的集熱效率，而在非采暖期熱量需求較少時不至于過熱，系統(tǒng)循環(huán)的換熱介質(zhì)為導熱油，三者結(jié)合可滿足系統(tǒng)制取高溫熱水供應采暖和生活熱水的要求。

1 光熱建筑一體化——平板集熱器

本太陽能陽光蔬菜大棚房示范項目倡導光熱節(jié)能建筑一體化的設計理念，大棚采光面采用新型建筑材料——中空玻璃鋪設，具有良好的隔熱隔音效果、美觀適用、并可降低建筑物自重；且平板型集熱器嵌入式安裝在大棚采光面的上部(大棚屋面設備布置如圖4所示)，實現(xiàn)與大棚建筑結(jié)構(gòu)一體化的結(jié)合。

平板集熱器采用珠海興業(yè)節(jié)能科技公司自主生產(chǎn)的磁控濺射鋁基藍膜吸熱板，吸收率高達95%，發(fā)射率低至5%，最大極限完成太陽能光熱轉(zhuǎn)化，選擇吸收性及耐候性好，使用25年后性能衰減不超過5%。集熱器進出水口針對本項目特殊定制，從集熱器底部開孔，通過不銹鋼波紋管連接(集熱器連接管道節(jié)點圖如圖5所示)，集熱器間縫隙通過耐候膠密封，既完成了集熱器系統(tǒng)的連接也保證大棚屋面的美觀和密閉性。

2 熱管式真空管集熱器的優(yōu)化設計

為了給客戶最合理優(yōu)化的太陽能采暖供熱系統(tǒng)，針對熱管真空管的實際應用做了實驗。在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的熱管式真空管集熱器的集管管徑偏小，不具備儲熱功能，換熱不及時集熱器溫度就會快速升高，所以集熱循環(huán)泵需不停的運行，節(jié)能效果減低。因此，結(jié)合本示范項目的實際情況我們對熱管式真空管集熱器進行了優(yōu)化設計。

經(jīng)優(yōu)化設計后的熱管真空管集熱器聯(lián)集箱結(jié)構(gòu)如圖6，每組集熱器16支ˉ102×2000mm熱管真空管，采用容積為16L的聯(lián)集箱，聯(lián)箱內(nèi)全部走換熱介質(zhì)，熱管真空管的冷凝管端直接連接入箱內(nèi)與換熱介質(zhì)換熱。通過這一改進能有效增加單位時間內(nèi)的換熱量，換熱效率增加，熱量能及時快速的被循環(huán)帶走，可避免真空管聯(lián)集箱內(nèi)溫度過熱，且換熱循環(huán)泵啟動時間縮短，節(jié)能效果明顯。

3 換熱介質(zhì)——導熱油

本項目太陽能系統(tǒng)主要供冬季采暖使用，要求系統(tǒng)能制取較高溫度的熱水，所采用的熱管真空管集熱器悶曬溫度可達280℃，所以本項目在技術(shù)上大膽創(chuàng)新地采用了導熱油作為換熱介質(zhì)。導熱油可以在常壓條件下加熱至300℃以上而不氣化，冷卻至-60℃ 左右而不凝結(jié)，用于0℃以下的地區(qū)不易堵塞管路，節(jié)能效果好，經(jīng)濟效益高。

4 系統(tǒng)的防凍和防過熱措施

集熱系統(tǒng)工質(zhì)采用導熱油(適用范圍：-60℃～300℃)不存在結(jié)凍的隱患，并在下午沒有光照后，定時通過旁路管路將太陽能集熱器中的導熱油在自身重力的作用下回流到導熱油放置箱，減少夜晚的熱量損失。在非采暖季，集熱器自身可以達到悶曬的平衡狀態(tài)，對于集成在大棚采光面上的平板集熱器也可以采用遮蓋的方式實現(xiàn)防過熱保護。

5 采暖末端——超導暖氣片

本系統(tǒng)的采暖末端采用超導暖氣片。超導暖氣片具有導熱迅速，高效節(jié)能、承壓大、壽命長、耐腐蝕等優(yōu)點，設備明裝于屋內(nèi)，維護方便，并且暖氣片表面溫度較低，使用安全。

六 結(jié)語

大慶太陽能陽光蔬菜大棚房采暖供熱系統(tǒng)作為太陽能主動供熱技術(shù)在蔬菜大棚房采暖應用中的示范項目，在系統(tǒng)設計和實施中對系統(tǒng)的供熱效率、使用壽命、太陽能與建筑一體化、后期維護和運行以及投資的經(jīng)濟性等各方面進行了科學論證，綜合應用了目前太陽能光熱應用領域先進的產(chǎn)品和技術(shù)，確保本示范系統(tǒng)在實際運行中能夠?qū)崿F(xiàn)良好的節(jié)能和環(huán)保效果。希望通過本示范項目的實施和實際運行，能夠為蔬菜溫室大棚的供熱探索出一個新的方式，進一步推動太陽能供熱技術(shù)的發(fā)展。