西北地區(qū)太陽能分時段供暖應(yīng)用的研究

李學(xué)軍

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，資源的供應(yīng)量和需求量之間已經(jīng)出現(xiàn)了較大的反差，目前常規(guī)能源已經(jīng)瀕臨枯竭，但新型能源開發(fā)利用率低，在能源、社會發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的多向需求下，降低建筑能耗、控制能源額外浪費(fèi)、提高新能源的利用率，已經(jīng)是現(xiàn)代社會發(fā)展的需要[1]。西北地區(qū)太陽能資源豐富，但太陽能的主動利用成本高，技術(shù)復(fù)雜，而被動利用又對環(huán)境條件依賴性較大，挖掘被動利用途徑、提高利用率、降低建設(shè)成本，是目前現(xiàn)階段太陽能被動利用的主要發(fā)展方向，但制約太陽能被動利用的環(huán)境條件較多，且利用不當(dāng)會降低設(shè)備使用效率，縮短設(shè)備使用壽命，甚至損壞設(shè)備[2]。廣義的太陽能是許多能量的來源，包含風(fēng)能、化學(xué)能、水的勢能、空氣能等新能源，日常生活中討論的幾乎都是狹義上的太陽能:太陽輻射能的光熱、光電、光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換[3]，本文所論述的就是狹義上的太陽能和其他能源的互補(bǔ)利用。

2 工程概況

蘭州金誠鐵路混凝土公司為響應(yīng)省市兩級“藍(lán)天行動”、“出城入園”的號召，新建廠區(qū)搬遷至市區(qū)以外7 km的郊區(qū)，地理位置偏僻，城市配套設(shè)施不完善，無集中供暖和天然氣管道，且傳統(tǒng)的燃煤鍋爐污染嚴(yán)重被嚴(yán)禁使用，采用電能能耗大，成本高，因此在工程設(shè)計時預(yù)留了利用太陽能供暖的相關(guān)設(shè)備用房及管道接口。新建辦公樓為三層框架結(jié)構(gòu)，總占地面積1 512.6 m2，設(shè)計供暖負(fù)荷為92.25 kW[4]。

3 西北地區(qū)太陽能應(yīng)用的需求分析

西北地區(qū)有大量的太陽能資源，因種種原因使其利用程度不高。但在廣闊的大西北，開發(fā)利用太陽能具有迫切的需求[5]。

西北地區(qū)是我國冬春供暖的主要地區(qū)，供暖期長達(dá)5個月，近年來集中供暖熱源逐步改造為天然氣，而城市周邊和城中村依舊為燃煤火爐，該方式成本高，污染大[6]。另外因冬季天氣陰晴變化的不確定，加之室外溫度較低，致使以單一的太陽能集熱器或光伏發(fā)電作為建筑熱源無法滿足供暖要求，如在冬季采用太陽能+輔助熱源形成多熱源供暖系統(tǒng)，將大大降低供暖成本，因此探索研究適合與太陽能相配套的其他類熱源聯(lián)合為建筑供暖，必將帶來不菲的經(jīng)濟(jì)效益[7]。近年來農(nóng)村太陽能路燈大部分已經(jīng)建設(shè)完成，這對發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)村生活水平起到了巨大作用，但因蓄電池的壽命和充放電次數(shù)有限導(dǎo)致發(fā)展空間不大[8]。

隨著西北大開發(fā)政策的落實(shí)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會取得了很大的發(fā)展，社會能源需求量也隨之上升，酒店等熱水工程消耗了很大一部分能源，加之化石能源的逐漸枯竭，大力開發(fā)太陽能，不僅解決了資源供應(yīng)不足，且可降低使用成本。其實(shí)在夏季和春末秋初，太陽能集熱器已經(jīng)解決了一系列問題，但是在冬季和春初秋末，當(dāng)光照不強(qiáng)時，不僅無法起到應(yīng)有的作用，而且集熱器進(jìn)出水管道還需采取防止凍裂措施，配套使用其他能源則可以有效解決這個問題，且可將熱水工程和采暖工程合為一個系統(tǒng)，降低建設(shè)成本。

4 西北地區(qū)太陽能利用的綜合分析

4.1 氣象資料分析及時段劃分

蘭州地處我國西北中部，是典型的溫帶大陸性氣候，其與相鄰周邊城市具有較為相似的氣象環(huán)境特點(diǎn)，通過對蘭州地區(qū)一年中的平均溫度、室內(nèi)外溫差、日照率、每月總的日照時長及平均每天的日照時長等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，其結(jié)果對西北地區(qū)利用太陽能具有一定的代表性[9]。蘭州地區(qū)太陽能利用的環(huán)境條件如表1所示[10]。

表1 蘭州地區(qū)一年中氣象資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過表1，可根據(jù)平均溫度、日照率、日照情況等數(shù)據(jù)，我們將蘭州地區(qū)一個計算周期（非采暖周期）劃分為3個階段，如圖1所示。

A階段為平均溫度在10℃以上，最低溫度超過6℃，該階段是非供暖期，即每年4月初至10月底，平均日照時長可達(dá)7 h左右。如圖1中A區(qū)域。

B階段為平均溫度在0℃以上，室內(nèi)外溫差在15℃左右，平均每天的日照時長大于6 h，日照率在60%以上，該階段是供暖期初始階段和末尾階段，即每年11月初至12月中旬，以及次年2月中旬至3月底。如圖1中B區(qū)域。

圖1 太陽能分時段利用時段劃分示意

C階段為平均溫度在0℃以下，室內(nèi)外溫差在20℃左右，平均每天的日照時長小于6 h，日照率在60%以上，該階段是一個計算周期內(nèi)最冷時段，也是供暖期主要階段和能耗最大時段，即每年12月底到次年2月中旬之間。如圖1中C區(qū)域。

4.2 各階段太陽能利用分析及能源互補(bǔ)

A階段中無供暖能源消耗，也是能源需求量較低階段[11]，該階段內(nèi)，日照率較低，主要是由于陰雨天的影響導(dǎo)致日照率較低，但光照強(qiáng)度非常充足，無論光伏發(fā)電還是集熱器，效率均很高，因此在這個時間段內(nèi)利用太陽能方式多，幾乎無弊端，但相對來說該階段熱水需求量較低，學(xué)校、澡堂、酒店等可以安裝太陽能熱水器供沐浴用熱水項(xiàng)目，另外在這個時間段內(nèi)利用太陽能也無需其他能源補(bǔ)充。

B階段是供暖期初始階段和末尾階段，該階段社會能源需求量相比A階段有所增加，其晴天較多，日照率上升，但光照強(qiáng)度下降，光照時間變短。因此光伏發(fā)電和集熱器效率有所降低，但根據(jù)在幾個項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，集熱器效率依舊可以達(dá)到50%以上，晴朗天氣下出水溫度也可達(dá)60℃左右，光伏發(fā)電的效率甚至可達(dá)65%，因此在這個時間段采用光伏發(fā)電是較為合理的選擇，利用集熱器制熱水也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出較高溫度的熱水，但偶遇連續(xù)陰雨天時，可能會影響設(shè)備使用效率，因此需要增加其他輔助熱源。通過在幾個項(xiàng)目中的測試和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵在這個階段內(nèi)效率非常高，因此可將其作為集熱器制熱水的輔助熱源。學(xué)校、澡堂、酒店等可以安裝太陽能熱水器供沐浴用和采暖用熱水項(xiàng)目。

C階段是一個計算周期內(nèi)自然環(huán)境最為艱苦時段，建筑用能達(dá)到峰值，該階段內(nèi)晴天較多，日照率很高，但日光照時間較短，室外溫度和光照強(qiáng)度均較低，致使光伏發(fā)電效率降低到30%以內(nèi)，這個階段內(nèi)利用集熱器的時間只有白天，晚間使用集熱器時集熱器和供回水管路另需采取保溫防凍裂措施。因此在這個時間段采用太陽能光伏發(fā)電可以滿足少部分的需要，但效率低，利用集熱器制熱水的成本反而高于直接利用電能，因此該階段使用太陽能必須增加其他能源來補(bǔ)充。雖然空氣源熱泵在這個階段內(nèi)效率有所降低，其耗電量增加，但制熱功率下降幅度較為緩平，其效率值可維持在2.3∶1左右[12]，因此將其作為這個時段的主要熱源較為經(jīng)濟(jì)。學(xué)校、澡堂、酒店等可以安裝空氣源熱泵供沐浴和采暖用熱水項(xiàng)目。

5 工程應(yīng)用方案及效果

蘭州金誠鐵路混凝土公司新建辦公樓采暖項(xiàng)目安裝了30套全玻璃太陽能真空集熱管，安裝了三臺超低溫空氣源熱泵（兩用一備），其中太陽能集熱器作為B階段的主要熱源，空氣源熱泵作為C階段的主要熱源，通過多熱源供暖系統(tǒng)的集成，共同為該建筑供暖；另外采用電伴熱對集熱器管道進(jìn)行保溫，配套了一臺功率可調(diào)節(jié)的電鍋爐作為極端天氣下的輔助熱源，采用自動控制系統(tǒng)控制熱源的啟停。該項(xiàng)目于2015年10月投入使用，經(jīng)過3個采暖期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在采暖期初始階段，集熱器單獨(dú)作為熱源可以保證室內(nèi)溫度達(dá)到24℃以上，冬至節(jié)前后空氣源熱泵自動啟動，當(dāng)集熱器出水溫度低于供暖系統(tǒng)回水溫度時，集熱器停止供應(yīng)熱水，空氣源熱泵作為熱源單獨(dú)供熱，至次年2月中旬，集熱器出水溫度大于采暖系統(tǒng)回水溫度時，空氣源熱泵停止運(yùn)行，集熱器再次開始供應(yīng)熱水。此方案不僅為該建筑提供了室溫穩(wěn)定的供暖熱源，且經(jīng)過經(jīng)濟(jì)效益核算，年可節(jié)約人工和燃煤等費(fèi)用10萬余元，同時減少了CO2排放量和大氣污染。

該項(xiàng)目利用太陽能供暖系統(tǒng)證明了在西部嚴(yán)寒環(huán)境條件下應(yīng)用太陽能設(shè)備供暖，結(jié)合自動控制技術(shù)，采用分時段利用的概念，可以揚(yáng)長避短，最大滿足供暖需求的同時降低供暖成本。

6 結(jié)束語

在太陽能設(shè)備的使用中，我們不僅關(guān)心其效果，還更加注重成本及一次性投入、使用年限等。制約光伏發(fā)電利用的瓶頸主要在成本和蓄電池的使用年限，對于小規(guī)模的利用，一次性投入資金的回收較好，但難成大氣候，且光伏發(fā)電并入市電代價較高。安裝集熱器一次投入較少，只需要一定的安裝面積就可以實(shí)現(xiàn)A階段中無限量的熱水和B階段中較為充足的熱水，再輔助配以空氣源熱泵或電能等作為供暖熱源將會取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且一個計算周期內(nèi)C階段較為短暫，僅需對集熱器及管路進(jìn)行保護(hù)。由此得出利用集熱器+空氣源熱泵分時段為西北地區(qū)建筑供暖，是目前較為經(jīng)濟(jì)、合理，且具有廣泛發(fā)展空間的太陽能利用新思路。