帶輔能的分布式太陽能大平板供熱方案*

董昌偉馮婧恒盧大為劉誠(chéng)鵬趙斌,

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

2018年，西藏地區(qū)的城鎮(zhèn)除了熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱外，仍存在大量小鍋爐房供熱，農(nóng)村冬季供熱則主要以單戶小爐灶燃燒牛糞為主，并沒有實(shí)現(xiàn)集中供熱。能源利用效率較低，生態(tài)環(huán)境被破壞[1]。由于西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，能源的清潔利用已備受關(guān)注，西藏屬太陽能資源一類地區(qū)，并且太陽能供熱已得到初步推廣應(yīng)用[2]。太陽能作為公認(rèn)的清潔能源，以其清潔、可持續(xù)、來源豐富和用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為人類開發(fā)利用的重點(diǎn)。加強(qiáng)對(duì)太陽能熱利用技術(shù)應(yīng)用和示范對(duì)中國(guó)西藏地區(qū)有深遠(yuǎn)意義。但太陽能具有分散性、隨機(jī)性、間歇性等不穩(wěn)定性因素，遇到季節(jié)變化或較長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣時(shí)，供熱系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，限制了太陽能熱利用的發(fā)展進(jìn)程[3]。若將太陽能與常規(guī)供熱技術(shù)集成耦合，研發(fā)帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)，優(yōu)選高效供熱設(shè)備，在保證供熱質(zhì)量的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境。分析表明以多能互補(bǔ)的供熱方式構(gòu)成西藏地區(qū)的供熱熱源，將有效提高綠色公共建筑和居民建筑舒適的生活品質(zhì)。

1 太陽能供熱現(xiàn)狀

由于可再生能源大多都具有不穩(wěn)定、不能連續(xù)供熱的特點(diǎn)，因此很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都在探討如何更好地利用可再生能源。而實(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)分布式供熱，將是解決這一難題的有效途徑之一。能源互補(bǔ)利用主要有太陽能與熱泵、太陽能與生物質(zhì)能、太陽能與電鍋爐等方法[4,5]。

1.1 太陽能+熱泵

太陽能熱泵是將太陽能集熱技術(shù)與熱泵技術(shù)有效地結(jié)合，太陽能為蒸發(fā)器提供主要熱源，把經(jīng)熱泵技術(shù)提升品質(zhì)后的能源作為輔助熱源。曹文普等[6]初步分析了太陽能復(fù)合熱泵的節(jié)能效果，得到將太陽能熱泵系統(tǒng)與其他熱泵相結(jié)合，既可使熱泵熱源的平均溫度提高，又可有效提高能源利用率。但由于熱泵設(shè)備的運(yùn)維等原因，已投運(yùn)的藏醫(yī)院等供熱系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳。

1.2 太陽能+生物質(zhì)

生物質(zhì)固體成型燃料指在一定溫度和壓力作用下，把農(nóng)林廢棄物經(jīng)過粉碎后，壓縮成一種可以直接燃燒的固體顆粒燃料，其能流密度與中值煙煤相當(dāng)，燃燒時(shí)CO2零排放，NOX、SO2等排放量遠(yuǎn)低于煤。將生物質(zhì)作為燃料為西藏阿里地區(qū)居民提供供熱熱源，已投入運(yùn)行，但因?yàn)槌杀?，不能持續(xù)。王澤龍等[7]建立了生物質(zhì)+太陽能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析模型，使用線性規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，適合中小用戶使用；原世杰等[8]從實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、易于控制、保證供熱連續(xù)性和穩(wěn)定性的角度，建立了一種太陽能+生物質(zhì)互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，可通過自動(dòng)控制單元按照設(shè)定的控制模式運(yùn)行。

1.3 太陽能+電鍋爐

電鍋爐是電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過鍋爐形式向外輸送蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體。劉新雨[9]對(duì)太陽能和電鍋爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過建立各個(gè)部件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，使用MATLAB編程軟件模擬分析，得出供熱季運(yùn)行特性；馮俊芝[10]針對(duì)蘭州地區(qū)對(duì)太陽能熱泵和電鍋爐互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，探討了太陽能集熱器在不同保證率情況下，互補(bǔ)供熱系統(tǒng)在供熱季各部分的供熱量。此種供熱方式適合供電可靠的地區(qū)。

2 太陽能集熱器和輔助熱源

結(jié)合拉薩市豐富的太陽能資源優(yōu)勢(shì)，以天然氣作為輔助熱源，實(shí)現(xiàn)更好地滿足居民供熱和生活用熱水需求為主要目標(biāo)，提出了帶輔能的分布式多能互補(bǔ)的無煤化供熱系統(tǒng)方案，探討太陽能熱利用技術(shù)和天然氣集成的工藝。

2.1 大平板集熱器

很多地區(qū)集熱器通常選用真空管集熱器，此方案雖節(jié)省運(yùn)行成本，保護(hù)了環(huán)境，但使用的真空管集熱器卻存在著一定弊端，其易碎、易破損，維護(hù)成本較高，不易運(yùn)輸和安裝；同時(shí)沒有過熱保護(hù)功能，抗凍能力較差，-20℃以下無法正常使用；玻璃管間隙較大，單位有效集熱面積小，得熱量低，需要占用更大的建筑空間。因此，供熱系統(tǒng)選用高效大平板集熱器，見圖1?；境叽鐬?920×2224×130mm，使用防凍傳熱介質(zhì)集熱，在太陽光的照射下，光能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而通過板式換熱器把熱量傳遞給冷水，使冷水溫度逐漸升高。

圖1 高效大平板集熱器

系統(tǒng)選用天普新能源科技有限公司的高效大平板集熱器不僅彌補(bǔ)了真空集熱管的不足，而且與普通小平板集熱器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有：①與西班牙森索公司合作設(shè)計(jì)的平板集熱器，采用進(jìn)口藍(lán)膜，吸收比為0.94（國(guó)標(biāo)要求≥0.92），發(fā)射率為0.033（國(guó)標(biāo)要求≤0.2）；②采用高透低鐵布紋鋼化玻璃，透光率≥95%；瞬時(shí)效率可達(dá)0.80，吸熱快，熱效率提高20%以上，熱性能更高；③采用超厚保溫，熱損小，優(yōu)于國(guó)標(biāo)25%，滿足不同工況下高效集熱需求。熱力持久，空曬溫度可達(dá)208℃；④采用本色超高強(qiáng)度鋁合金邊框，耐腐蝕；⑤單塊集熱面積大于12m2，減少了單位面積相對(duì)表面積，降低熱損失；⑥系統(tǒng)安全性高：?jiǎn)螇K集熱器自成陣列，去除小集熱器之間的連接，密封可靠，安全性能高；⑦吸熱流道一體化設(shè)計(jì)，焊接少，耐腐蝕，安全性能高。

2.2 輔助熱源

太陽能供熱系統(tǒng)常用輔助熱源包括燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)獗趻鞝t、電鍋爐、空氣或水源熱泵、生物質(zhì)鍋爐等。燃煤鍋爐、燃油鍋爐作為傳統(tǒng)的供暖方式，發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)水平較高，但對(duì)生態(tài)環(huán)境不利。生物質(zhì)鍋爐雖可有效降低能耗，減少環(huán)境污染，但因發(fā)展時(shí)間短，設(shè)備技術(shù)水平相對(duì)較低，可調(diào)性差等因素，使用相對(duì)受限。結(jié)合西藏地區(qū)的地理位置，資源分布和環(huán)境保護(hù)等因素，該供熱方案采用燃?xì)獗趻鞝t，由于太陽能的能流密度較低，且不便儲(chǔ)存，須轉(zhuǎn)化為其他形式才可以儲(chǔ)存利用。將燃?xì)獗趻鞝t和太陽能集熱技術(shù)結(jié)合互補(bǔ)應(yīng)用，能夠緩解天然氣資源不足的缺陷。

3 帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)集成

以西藏自治區(qū)能源研究示范中心辦公樓為例，該辦公樓為面北朝南的3層建筑，其供熱面積為570m2，通常只需白天進(jìn)行供熱。帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)已經(jīng)在辦公樓應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了依靠于太陽能為單一熱源的初步供熱。供熱效果較為理想，辦公樓各個(gè)房間室溫均能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。

3.1 供熱系統(tǒng)

帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)將太陽能作為主要熱源，燃?xì)庾鳛檩o助熱源，天然氣可在太陽能不滿足需求的情況下為系統(tǒng)提供熱源支持，是太陽能和燃?xì)獾淖罴疡詈戏绞健Ｍ瑫r(shí)，蓄熱水箱既可以克服太陽能的缺點(diǎn)，又可降低常規(guī)能源消耗和保護(hù)環(huán)境。該系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2 帶補(bǔ)燃的太陽能分布式供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 多模式分析

帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)可以通過全自動(dòng)供熱模式和手動(dòng)供熱模式進(jìn)行控制。其中，手動(dòng)供熱模式包含以下四種：

全太陽能供熱模式。使用溫差控制方式，當(dāng)太陽能充足時(shí)，太陽能系統(tǒng)為熱用戶提供熱量直接進(jìn)行供熱；當(dāng)室溫高于最高限值時(shí)，收集的熱量過多，此時(shí)多余的熱量將存儲(chǔ)于蓄熱水箱，燃?xì)獗趻鞝t不工作，無化石能源消耗；

雙能源耦合供熱模式。在太陽能減少、室溫低于設(shè)定值時(shí)，太陽能無法滿足居民需求，蓄熱水箱將提供熱量，若仍無法滿足需求，此時(shí)啟動(dòng)燃?xì)獗趻鞝t，將供熱水溫提高到設(shè)定值；

全壁掛爐供熱模式。當(dāng)室溫低于最低限值時(shí)，將不再與太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行換熱，系統(tǒng)熱量全部由燃?xì)獗趻鞝t提供；

太陽能集熱器防凍模式。當(dāng)夜間或低溫天氣不需供熱時(shí)，為防止平板集熱器凍裂，只使太陽能集熱系統(tǒng)中傳熱介質(zhì)循環(huán)運(yùn)行，達(dá)到保護(hù)集熱系統(tǒng)的目的。

對(duì)帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)，采用多模式聯(lián)合控制，同時(shí)可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；集熱系統(tǒng)采用高效大平板集熱器，且安裝角度可調(diào)節(jié)，最大限度利用太陽能，提高集熱效率。在確保供熱質(zhì)量的情況下，充分利用清潔能源，優(yōu)化其控制運(yùn)行方法，增加供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

帶輔能的太陽能大平板供熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，采用多模式聯(lián)合控制，同時(shí)通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，集熱系統(tǒng)采用高效大平板集熱器，最大限度地利用了太陽能，提升了供熱系統(tǒng)太陽能保證率?？蛇m應(yīng)多種復(fù)雜工況的供熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)西藏地區(qū)清潔供熱。

提高城鎮(zhèn)供熱質(zhì)量是改善民生的關(guān)鍵問題之一。通過對(duì)一種帶輔能的太陽能分布式供熱系統(tǒng)及優(yōu)化控制方法進(jìn)行研究，在確保供熱質(zhì)量的情況下，充分利用清潔能源，減少供熱期天燃?xì)獾饶茉聪?，降低成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。