一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)＊

趙金秀，田克沖，付梓峰，呂 喜，劉天雨，鄭紀(jì)龍

（唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

為了促使全球生態(tài)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，國(guó)家主席習(xí)近平鄭重表示中國(guó)力爭(zhēng)2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和?！半p碳目標(biāo)”的直接指向是改變能源結(jié)構(gòu)，即改變以往主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風(fēng)力、光伏和水電轉(zhuǎn)換[1]。北方農(nóng)宅建筑中占比較高的燃煤取暖爐、天然氣壁掛爐等傳統(tǒng)供熱形式將逐漸被取締，按照國(guó)家政策要求，要加快農(nóng)村地區(qū)能源使用改革，推進(jìn)清潔可再生能源的利用，加快發(fā)展清潔供暖技術(shù)，可再生能源從補(bǔ)充能源變?yōu)橹黧w能源[2]。所以探索適宜的清潔供熱技術(shù)和系統(tǒng)，已成為國(guó)家和各地政府以及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能是一種可再生的清潔能源[3]，具有取之不竭、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，正逐步替代傳統(tǒng)能源成為未來(lái)的主要新能源。

目前，農(nóng)村對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用主要是熱水，部分地區(qū)發(fā)展了太陽(yáng)能供暖，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)宅用戶的太陽(yáng)能供暖和太陽(yáng)能熱水器是2 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)只在一年的冬季被使用，其余季節(jié)閑置；北方冬季氣溫較低時(shí)，太陽(yáng)能集熱器集熱管內(nèi)如果發(fā)生水凍結(jié)則會(huì)損壞集熱器，出現(xiàn)漏水問(wèn)題，也存在一些如集熱系統(tǒng)集熱效率低以及夜間無(wú)法有效供暖等問(wèn)題。基于以上問(wèn)題，本研究提出一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱循環(huán)環(huán)路、供暖循環(huán)環(huán)路、生活熱水供應(yīng)管路和輔助電加熱器等組成，如圖1 所示。

太陽(yáng)能集熱循環(huán)環(huán)路包括吸收太陽(yáng)輻射熱的槽式拋物面集熱板和安裝在其上的集熱真空管、導(dǎo)熱油循環(huán)泵、設(shè)置在雙層保溫水箱下部的油-水換熱盤管、油管道及閥門等；供暖循環(huán)環(huán)路包括農(nóng)宅房間內(nèi)的供暖末端散熱器或地暖盤管、雙層保溫?fù)Q熱水箱、供暖循環(huán)泵、供回水管道及閥門等；生活熱水供應(yīng)管路包括用水龍頭、設(shè)在雙層保溫水箱上部的水-水換熱盤管、冷熱水管道及閥門等；輔助電加熱器為設(shè)置在雙層保溫水箱底部的電加熱棒。

圖1 一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

槽式拋物面集熱板設(shè)有自動(dòng)追日控制裝置，保證集熱板始終垂直追蹤太陽(yáng)光，把太陽(yáng)光聚焦成一條焦線，利用太陽(yáng)能對(duì)真空管內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，吸熱的高溫導(dǎo)熱油通過(guò)導(dǎo)熱油循環(huán)泵沿著油管道被輸送至雙層保溫水箱內(nèi)的油-水換熱盤管，通過(guò)油-水換熱盤管將熱量傳遞給保溫水箱內(nèi)供暖循環(huán)水，降溫后再沿著油管道進(jìn)入集熱真空管，繼續(xù)通過(guò)槽式拋物面集熱板吸收太陽(yáng)輻射能，然后繼續(xù)循環(huán)，從而將太陽(yáng)輻射能傳遞給保溫水箱內(nèi)的水。被油-水換熱盤管加熱升溫后保溫水箱內(nèi)的供暖循環(huán)水，由供暖循環(huán)泵提升動(dòng)力，通過(guò)供暖供水管道輸送至農(nóng)宅建筑室內(nèi)的散熱器或地?zé)岜P管，通過(guò)散熱器或地?zé)岜P管對(duì)室內(nèi)散熱，降溫后的供暖循環(huán)水通過(guò)供暖回水管道回到保溫水箱繼續(xù)被加熱，形成循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)供暖目的。常溫自來(lái)水通過(guò)冷水管道進(jìn)入保溫水箱內(nèi)的水-水換熱盤管，吸收供暖循環(huán)水的熱量，變成熱水后通過(guò)熱水管道輸送至用水龍頭，從而供應(yīng)生活熱水。

當(dāng)太陽(yáng)能集熱量不能滿足用熱要求時(shí)，用輔助電加熱器加熱保溫水箱內(nèi)的水，滿足供暖和生活熱水需求。

2 系統(tǒng)的運(yùn)行及控制

利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)可為農(nóng)宅建筑供暖并提供生活用熱水，為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行設(shè)置了一套自動(dòng)控制裝置。通過(guò)設(shè)置在系統(tǒng)相應(yīng)環(huán)路、管路上的溫度傳感器和控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)溫度檢測(cè)及控制圖

2.1 集熱循環(huán)環(huán)路的運(yùn)行及控制

導(dǎo)熱油通過(guò)真空管吸收太陽(yáng)能熱量，由導(dǎo)熱油泵強(qiáng)制循環(huán)，通過(guò)油-水換熱器加熱水箱內(nèi)的循環(huán)水。當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)度較大時(shí)，為避免水箱水溫超過(guò)100 ℃造成蒸發(fā)和供熱量過(guò)多從而使室溫過(guò)高，設(shè)定保溫水箱上的溫度傳感器檢測(cè)到水箱內(nèi)循環(huán)水的溫度等于100 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉導(dǎo)熱油泵和控制閥門，停止集熱循環(huán)運(yùn)行；陰雨天或夜晚時(shí)，導(dǎo)熱油管路上溫度傳感器檢測(cè)到進(jìn)出環(huán)路上的導(dǎo)熱油溫差等于0.2 ℃時(shí)，說(shuō)明集熱量很小，控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉導(dǎo)熱油泵和閥門，避免水箱內(nèi)循環(huán)水的熱量被導(dǎo)熱油帶走；當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到水箱內(nèi)循環(huán)水的溫度小于100 ℃，且檢測(cè)到導(dǎo)熱油管路進(jìn)出環(huán)路上的導(dǎo)熱油溫差大于0.2 ℃時(shí)，集熱系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 供暖循環(huán)環(huán)路運(yùn)行及控制

保溫水箱上供暖供水管的溫度傳感器檢測(cè)到供水溫度在35～60 ℃之間時(shí)，供暖循環(huán)水由循環(huán)泵通過(guò)供水管輸送至室內(nèi)散熱末端，釋放熱量后通過(guò)供暖回水管回到保溫水箱；當(dāng)檢測(cè)到供水溫度大于60 ℃時(shí)，通過(guò)三通調(diào)節(jié)閥增加回水流量使流向散熱末端的水溫保持在60 ℃以內(nèi)；當(dāng)檢測(cè)到供水溫度小于35 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)電加熱器加熱水箱內(nèi)循環(huán)水，直至供水溫度為35 ℃以上。

2.3 生活熱水供應(yīng)管路運(yùn)行及控制

自來(lái)水通過(guò)冷水管道進(jìn)入水-水換熱器，吸收熱量后通過(guò)熱水管道輸送至用水點(diǎn)，當(dāng)熱水管路上的溫度傳感器檢測(cè)到水溫小于42 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)電加熱器加熱水箱內(nèi)的循環(huán)水。

整個(gè)供熱系統(tǒng)啟動(dòng)順序?yàn)椋合乳_(kāi)啟集熱循環(huán)環(huán)路，當(dāng)檢測(cè)到供暖供水溫度滿足要求后，啟動(dòng)供暖循環(huán)環(huán)路。

系統(tǒng)優(yōu)先保證原則：考慮到北方農(nóng)村生活習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)要求，冬季為供暖季，系統(tǒng)優(yōu)先保證供暖循環(huán)環(huán)路穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足農(nóng)宅建筑供暖需求，因此由供暖循環(huán)環(huán)路上的溫度檢測(cè)裝置控制集熱系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)的啟停。當(dāng)供暖循環(huán)環(huán)路滿足要求，而生活熱水溫度不滿足要求時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定程序不自動(dòng)開(kāi)啟電加熱器。此時(shí)若農(nóng)宅要求使用熱水，可人為開(kāi)啟電加熱器。非供暖季節(jié)供暖循環(huán)環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)由生活熱水供應(yīng)管路上溫度檢測(cè)裝置控制集熱系統(tǒng)和電加熱器的啟停，滿足人們對(duì)生活熱水的需求。

3 系統(tǒng)效益分析

以100 m2的唐山地區(qū)某農(nóng)宅建筑為例，根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，供暖參數(shù)設(shè)定如下：建筑室內(nèi)冬季供暖設(shè)計(jì)溫度取18 ℃，唐山冬季供暖室外計(jì)算溫度為-9 ℃，該農(nóng)宅建筑供暖面積約60 m2，面積熱指標(biāo)取65 W/m2，由此計(jì)算出供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約為3.9 kW。

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》得出熱水供應(yīng)參數(shù)的選取如下：熱水用水定額取每人每天60 L，按照1 戶3 口人計(jì)算，熱水用水溫度取55 ℃，唐山地區(qū)冷水平均溫度取10 ℃，根據(jù)農(nóng)村生活習(xí)慣，取熱水使用小時(shí)數(shù)為6 h。由此計(jì)算得到熱水設(shè)計(jì)耗熱量約為1.6 kW，因此該農(nóng)宅供暖和熱水供應(yīng)的總供熱量為5.5 kW。

唐山地區(qū)位于東經(jīng)118°12′，北緯39°37′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候特征，全年日照2 600～2 900 h，太陽(yáng)輻射年均值為4 960～5 200 MJ/m2[4]。

根據(jù)槽式拋物面集熱器的單塊集熱效果，經(jīng)理論分析計(jì)算，采用8 塊串聯(lián)組裝在農(nóng)宅屋頂；系統(tǒng)采用容積為1.2 m3的雙層保溫水箱，也設(shè)置在屋頂；水箱底部設(shè)置功率為4 kW 的輔助電加熱器；采用功率為100 W 的導(dǎo)熱油循環(huán)泵和供暖循環(huán)泵。

不考慮國(guó)家能源補(bǔ)貼，晚間利用低谷電價(jià)（當(dāng)?shù)匾归g電價(jià)為0.32 元/（kW·h），白天電價(jià)為0.52 元/（kW·h））的情況下，根據(jù)農(nóng)宅用戶用熱需求和生活習(xí)慣，系統(tǒng)1 d 按照20 h 運(yùn)行，白天太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)運(yùn)行8 h，集熱停止后保溫水箱有效保溫約達(dá)4 h，夜間電輔助加熱器運(yùn)行8 h。根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡闆r和氣象條件，供暖期為120 d，陰雨天氣取20 d；非供暖期，白天太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)運(yùn)行6 h 可滿足用熱水要求，夜間不用開(kāi)啟輔助電加熱器，非采暖期為240 d，陰雨天取40 d。

供暖期供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如下：集熱運(yùn)行費(fèi)用為0.1 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×100 d=41.6 元，電加熱器陰雨天運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×20 d=332.8 元，電加熱器夜間運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×8 h×0.32 元/（kW·h）×120 d=1 228.8 元。

非供暖期供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如下：集熱運(yùn)行費(fèi)用為0.1 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×240 d=74.9元，電加熱器陰雨天運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×40 d=499.2 元。

因此，系統(tǒng)運(yùn)行一年的費(fèi)用為41.6+332.8+1 228.8+74.9+499.2=2 167.3 元。

若用戶燃煤供暖，一個(gè)用戶供暖期用煤約2 t，按照2020 年煤價(jià)1 100 元/t 計(jì)算，供暖費(fèi)用約2 200 元。該供熱系統(tǒng)與燃煤供暖相比費(fèi)用相當(dāng)。但該供熱系統(tǒng)能夠提供農(nóng)宅全年的生活熱水，一套系統(tǒng)同時(shí)滿足農(nóng)宅的供暖和生活熱水供應(yīng)，所以同樣的費(fèi)用下功能增加了。該供熱系統(tǒng)供暖采用清潔能源，沒(méi)有燃煤供暖造成的顆粒及氣體污染物，室內(nèi)空氣質(zhì)量好；同時(shí)相比燃煤產(chǎn)生的CO2，減少了對(duì)環(huán)境的污染，所以該供熱系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益較好。

4 本供熱系統(tǒng)區(qū)別與普通太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 自動(dòng)追日可旋轉(zhuǎn)槽式太陽(yáng)能集熱板

普通太陽(yáng)能集熱器為固定式集熱板/管，本供熱系統(tǒng)集熱器采用的是帶有自動(dòng)追日功能可旋轉(zhuǎn)槽式太陽(yáng)能集熱板，保證陽(yáng)光垂直直射集熱板，高效收集太陽(yáng)熱量。

4.2 導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱油

普通太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱介質(zhì)為自來(lái)水，本供熱系統(tǒng)的集熱真空管內(nèi)采用導(dǎo)熱油作為吸熱介質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，吸熱后溫度可以達(dá)到100 ℃以上，具有高效吸熱、儲(chǔ)熱、換熱性能，冬天無(wú)凍結(jié)問(wèn)題。

4.3 節(jié)約礦物能源，可滿足供暖和生活熱水需求，效益好

普通農(nóng)宅燃煤供暖和生活熱水是分設(shè)太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)和燃煤供暖2 套系統(tǒng)，不僅占用空間，且供暖系統(tǒng)只在冬季被使用，系統(tǒng)利用率低，燃煤消耗礦物能源，污染大，室內(nèi)環(huán)境差。本供熱系統(tǒng)可同時(shí)滿足供暖和生活熱水需求，系統(tǒng)利用率高，污染少。

5 結(jié)論

一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)配置了槽式拋物面集熱器了利用集熱油循環(huán)集熱，實(shí)現(xiàn)農(nóng)宅建筑供暖和熱水供應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行控制安全可靠，具有節(jié)能和環(huán)保效益，值得在農(nóng)宅建筑中推廣應(yīng)用。