中國科學(xué)院電工研究所 中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室　■ 楊銘鄧杰

針對既有農(nóng)宅的太陽能熱水采暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究

中國科學(xué)院電工研究所 中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室■ 楊銘*鄧杰

通過對改造既有農(nóng)宅的太陽能熱水采暖系統(tǒng)進行設(shè)計、建設(shè)及監(jiān)測，了解太陽能熱水采暖系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的采暖效果，并針對既有農(nóng)宅使用該清潔能源采暖提出一些建議。

太陽能熱水采暖；改造既有農(nóng)宅；節(jié)能減排

0　引言

在我國北方大部分郊區(qū)縣和農(nóng)村地區(qū)，中小型燃煤采暖鍋爐使用普遍，雖然其污染源規(guī)模小但數(shù)量多，通過大氣環(huán)流作用，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成極大污染，是造成霧霾的重要原因之一。太陽能熱水采暖系統(tǒng)使用太陽能作為采暖熱源之一，能在一定程度上替代不清潔能源的使用，對我國整體環(huán)境質(zhì)量的改善起到積極作用。

1　戶用太陽能熱水采暖系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1發(fā)展概況

霧霾已給我國人民的生活和健康帶來了嚴重影響[1]。究其原因，建筑冬季燃煤供暖產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、可吸入性顆粒物等污染排放，對大氣環(huán)境的影響極大[2]。由于對環(huán)境質(zhì)量改善的重視，部分城市開始推動煤炭等傳統(tǒng)化石能源的清潔化利用，例如采用天然氣、電等逐步替代燃煤采暖。但在北方大部分中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，中小型燃煤采暖鍋爐的使用仍然極為普遍。由于燃煤鍋爐的自身特點，其燃燒效率低、污染排放強度大，極大地惡化了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量。因此，若要徹底解決冬季采暖造成的環(huán)境污染，尤其是大氣污染問題，需要大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能源等可再生能源清潔利用，從源頭上減少污染源的排放量。我國北方中小城鎮(zhèn)地區(qū)建筑體形系數(shù)大、建筑密度低、太陽能資源較好，如果能夠充分利用太陽能解決建筑供暖問題，將為北方地區(qū)乃至全國的建筑節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展做出實質(zhì)性貢獻[3]。

近幾年，我國政府已經(jīng)意識到能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與環(huán)境保護的重要性，制定了諸如《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》《中華人民共和國可再生能源法》《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等支持政策，以加快太陽能采暖的規(guī)?；肹4]。在技術(shù)推進方面，“十一五”期間，科技部部署了諸如“可再生能源與建筑集成技術(shù)研究與示范”“太陽能富集地區(qū)超低采暖能耗居住建筑設(shè)計研究”“村鎮(zhèn)小康住宅關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等一系列科技項目，重點突破了太陽能熱水采暖系統(tǒng)中的集成優(yōu)化技術(shù)問題。國家建設(shè)部于2009年頒布了工程建設(shè)標(biāo)準GB 50495-2009《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[5]，對規(guī)范太陽能熱水采暖工程的設(shè)計、施工和驗收等方面起到積極推動的作用[3]。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，鄉(xiāng)村單體居住建筑的太陽能熱水采暖系統(tǒng)補貼性示范工程進展迅速，尤其是在北京平谷、懷柔等郊區(qū)縣，已經(jīng)建立了數(shù)千戶的示范工程，其中包括平谷區(qū)將軍關(guān)、玻璃臺、掛甲峪等地區(qū)針對新建農(nóng)宅的村級示范[3]，也包括房山、昌平、延慶等地區(qū)針對既有農(nóng)宅的單戶改造示范。

1.2技術(shù)原理

戶用太陽能熱水采暖系統(tǒng)一般由以下幾部分構(gòu)成：

1)太陽能集熱系統(tǒng)：由集熱器、太陽能集熱循環(huán)水泵等組成，其作用是通過太陽能集熱器最大限度地收集太陽能量。

2)儲熱系統(tǒng)：太陽能集熱量的儲存；多數(shù)采暖示范工程采用熱水作為存貯介質(zhì)。

3)輔助能源保障系統(tǒng)：可由各種類型的可控、穩(wěn)定的常規(guī)能源組成，作為太陽能集熱系統(tǒng)的補充，在連續(xù)雨雪天氣或有其他特殊供暖需求而太陽能集熱系統(tǒng)無法保障時，啟動輔助能源系統(tǒng)，以滿足建筑物的供熱需求。一般采用燃煤爐、熱泵、電鍋爐、生物質(zhì)采暖爐等。

4)采暖末端系統(tǒng)：在太陽能供熱采暖系統(tǒng)中，采暖末端有水-空氣處理設(shè)備(如風(fēng)機盤管系統(tǒng))、低溫?zé)崴椛湎到y(tǒng)等。對于改造農(nóng)宅，一般也采用原有供熱末端，多以散熱器為主。

5)生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)：太陽能采暖熱水系統(tǒng)除滿足采暖季的采暖負荷外，還可以向建筑物提供全年的生活用熱水[6]。

根據(jù)太陽能集熱器形式，可分為真空管集熱采暖系統(tǒng)和平板集熱采暖系統(tǒng)；根據(jù)集熱、儲熱系統(tǒng)連接方式，可分為閉式系統(tǒng)(見圖1)和開式系統(tǒng)(見圖2)[7]。由于開式系統(tǒng)減少了集熱器與水箱之間的換熱器，使其初投資相對較低，但由于開式系統(tǒng)內(nèi)的水位變化，需要謹防由于系統(tǒng)運行過程中水位過低造成的水泵異響等問題。

無論開式與閉式系統(tǒng)，為了減少用戶的手動操作，提高系統(tǒng)的智能化運作。目前太陽能熱水采暖系統(tǒng)運行基本采用自動控制系統(tǒng)，運行控制模式如下：

1)太陽能集熱循環(huán)控制。

目前示范工程多采用溫差循環(huán)控制，當(dāng)集熱器輸出溫度與集熱水箱下部溫度的差值介于8～10 ℃時，集熱循環(huán)開啟，集熱循環(huán)泵啟動；當(dāng)集熱器輸出溫度與集熱水箱下部溫度的差值≤4 ℃時，集熱循環(huán)關(guān)閉，集熱循環(huán)泵關(guān)閉。

2)冬季采暖工況下的輔助熱源加熱循環(huán)控制。

當(dāng)集熱水箱下部溫度小于設(shè)定值時，啟動輔助熱源，如若輔助熱源采用空氣源熱泵，則空氣源熱泵加熱循環(huán)開啟，熱泵循環(huán)泵和空氣源熱泵開啟；當(dāng)集熱水箱下部溫度大于設(shè)定時，輔助熱源加熱循環(huán)關(guān)閉，如若輔助熱源采用空氣源熱泵，熱泵循環(huán)泵和空氣源熱泵關(guān)閉。

3)采暖循環(huán)控制。

當(dāng)室內(nèi)溫度低于采暖目標(biāo)溫度時，采暖末端給出控制信號，采暖循環(huán)泵啟動；當(dāng)室內(nèi)溫度達到采暖目標(biāo)溫度+2 ℃時，采暖循環(huán)泵停止。

4)系統(tǒng)防凍循環(huán)控制。

目前系統(tǒng)防凍措施有3種方式：管路伴熱帶、集熱系統(tǒng)排空、低速循環(huán)。

采用管路伴熱帶時，當(dāng)太陽能集熱室外管路壁面溫度＆lt;5 ℃時，啟動集熱循環(huán)泵(測溫點一般選擇在室外集熱回水管路上的任一點管壁上)，同時啟動伴熱帶；當(dāng)太陽能集熱管路溫度達到8℃時，停止集熱循環(huán)泵，同時關(guān)閉伴熱帶。

采用集熱系統(tǒng)排空防凍時，集熱系統(tǒng)中的水順管路排至水箱，當(dāng)集熱系統(tǒng)不工作時，室外集熱器及管路中一般無水，由此實現(xiàn)防凍，這種排空防凍常用于開式系統(tǒng)。

采用閉式系統(tǒng)時，當(dāng)太陽能集熱室外管路壁面溫度＆lt;5 ℃時，啟動集熱循環(huán)泵(測溫點一般選擇在室外集熱回水管路上的任一點管壁上)，通過水箱與集熱系統(tǒng)之間的低速循環(huán)防止水凍結(jié)。

5)系統(tǒng)過熱保護循環(huán)。

當(dāng)集熱水箱內(nèi)溫度＆gt;90 ℃時，集熱循環(huán)泵停止，系統(tǒng)處于悶曬狀態(tài)。

圖1　開式采暖系統(tǒng)

圖2　閉式采暖系統(tǒng)

1.3系統(tǒng)特點

戶用太陽能熱水采暖系統(tǒng)具有以下特點：

1)系統(tǒng)可控性好，室溫波動小，舒適度好。

采暖系統(tǒng)配置有自控系統(tǒng)，一般無需用戶手動操作，系統(tǒng)使用的便利性較好。此外，系統(tǒng)有短期儲熱水箱及準確的控溫系統(tǒng)，能夠確保較小的室溫波動。在系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的條件下，房間日溫度波動可控制在目標(biāo)室溫的2～5 ℃以內(nèi)。

2)系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯。

根據(jù)相關(guān)示范工程經(jīng)驗，為保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性，在我國大部分北方地區(qū)，太陽能集熱面積約為采暖面積的1/8～1/6，太陽能采暖保證率為20％～40％，每戶每年約減少燃煤1.5 t，相當(dāng)于年減排二氧化碳4.2 t、二氧化硫20.8 kg、氮氧化物10.5 kg。

3)系統(tǒng)初投資較高，投資回收期長。

根據(jù)目前示范工程的報價來看(主要針對寒冷地區(qū))，系統(tǒng)初投資在400～650元/m2。對于采暖面積在100 m2的農(nóng)宅來說，開式系統(tǒng)初投資約4～5萬元，閉式系統(tǒng)約6～7萬元。由于初投資成本高于其他常規(guī)能源采暖設(shè)施，在無政府補貼情況下，很難作為一般農(nóng)村家庭的首選采暖系統(tǒng)。雖然太陽能熱水采暖系統(tǒng)的運行費用約為常規(guī)能源采暖系統(tǒng)的一半，但由于其較高的初投資，在不考慮減排的前提下，其經(jīng)濟回收期較長，甚至?xí)霈F(xiàn)在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)無法回收初投資的現(xiàn)象。

表1　不同采暖系統(tǒng)運行費用比較

2　針對既有農(nóng)宅的示范工程建設(shè)及實際應(yīng)用效果

不同于新建農(nóng)宅，既有農(nóng)宅具有如下特點：

1)既有農(nóng)宅建筑格局已確定，多數(shù)既有農(nóng)宅沒有專門的設(shè)備間，儲熱水箱、補熱系統(tǒng)的擺放位置需要根據(jù)建筑格局具體確定。

2)基礎(chǔ)設(shè)施不完備，主要體現(xiàn)在水和電方面。多數(shù)農(nóng)宅無自來水系統(tǒng)，系統(tǒng)補水需要一定人工操作；另外，一般農(nóng)宅家庭用電最大功率為4 kW，如果采用電鍋爐或熱泵機組作為補熱系統(tǒng)，最大耗電功率達到10 kW以上，超出用電最大荷載。

3)屋頂承重荷載較小。一些農(nóng)宅屋頂為不上人屋面，在屋頂上構(gòu)架太陽能集熱器，需要確保屋頂承重荷載能夠滿足要求。

4)一般保留原有采暖系統(tǒng)。多數(shù)原有采暖系統(tǒng)使用小型燃煤爐或灶，除連接散熱器作為采暖末端外，有可能連接火炕作為采暖末端。在這種情況下，考慮用戶的多樣化需要，有可能需要保留原有采暖系統(tǒng)，使用戶實現(xiàn)隨時切換。如果原有系統(tǒng)采用散熱器作為散熱末端，其太陽能集熱側(cè)出水溫度需要達到50～55 ℃。

由于以上原因，針對改造既有農(nóng)宅的太陽能熱水采暖系統(tǒng)的設(shè)計與施工具有更高難度。為了明確太陽能熱水采暖系統(tǒng)在既有農(nóng)宅中的設(shè)計、施工及使用情況，選定在北京市延慶縣建設(shè)若干示范工程，下文以其中一戶作為實際案例進行詳細說明。

2.1示范工程概況

示范戶建筑外觀如圖3所示，建筑采暖區(qū)域如圖4所示。

圖3　建筑外觀

圖4　建筑圍護結(jié)構(gòu)布局尺寸圖

1)建筑本體概況：建筑面積118 m2，實際采暖面積共96 m2；建筑外墻370 mm(除南墻、屋頂外，其他3面外墻做6 cm厚的EPS保溫)，內(nèi)墻150 mm；窗戶為雙層塑鋼窗。

2)原有采暖系統(tǒng)概況：小型燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)采用一個爐子供6間房(一套系統(tǒng))，住宅西起第1間和第3間的末端為不銹鋼鍍搪散熱器；其他4間為老式鑄鐵散熱器(供回水支管的軸線距離650 mm)。

3)室溫需求：根據(jù)入戶調(diào)研情況，冬季室溫設(shè)定值為18～24℃。

4)系統(tǒng)一次投資：初投資費用不超過4.39萬元。

2.2采暖系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)過程

1)太陽能采光面積。

房間設(shè)計熱負荷指標(biāo)取30 W/m2，太陽能輻照度600 W/m2，設(shè)計太陽能保證率35％(此數(shù)據(jù)根據(jù)初投資限制選取)；同時考慮屋頂承重問題，采用玻璃熱管集熱器，以降低單位采光面積屋面荷載。根據(jù)計算，太陽能采光面積為14.65 m2，共5組太陽能集熱器。

圖5　示范工程中使用的玻璃熱管集熱器

圖6　示范農(nóng)戶家的太陽能熱水采暖系統(tǒng)

2)水箱容量。

由于本示范工程散熱末端仍采用原有散熱器，水箱出水溫度設(shè)定值為50～55℃，供熱回水溫度30 ℃；水箱容量取400 L。由于改造戶沒有專門的設(shè)備間，水箱放置于客廳北側(cè)(如圖4所示)，水箱盡可能靠墻設(shè)置，靠近北墻的空氣源熱泵室外機組。

3)空氣源熱泵輔熱系統(tǒng)容量。

考慮若太陽能無法工作的情況下，空氣源熱泵需滿足所有建筑供暖需求，于是，空氣源熱泵機組容量選擇為5匹。

圖7　空氣源熱泵室外機組

4)系統(tǒng)設(shè)計與控制。

太陽能采暖系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)采用并聯(lián)方式。優(yōu)先使用太陽能供暖系統(tǒng)，當(dāng)水箱溫度無法滿足50～55 ℃要求時，啟動空氣源熱泵機組加熱水箱，滿足供熱要求。

圖8　基于TRNSYS的系統(tǒng)運行原理圖[8]

系統(tǒng)全部采用自動控制，整個控制系統(tǒng)由太陽能集熱循環(huán)、輔助熱源加熱循環(huán)、采暖循環(huán)、系統(tǒng)防凍循環(huán)、過熱保護循環(huán)構(gòu)成，其控制原理如本文1.2節(jié)所述?？紤]到用戶使用的方便性，開發(fā)了簡便的小型控制器與控制箱相連。用戶僅需設(shè)定室內(nèi)溫度和水箱供水溫度即可，無需設(shè)定其他運行控制參數(shù)，明顯改善了用戶使用的便利性。

圖9　小型控制器(左側(cè)微小型控制器，與右側(cè)控制箱相連)

示范工程的建設(shè)周期約為45天(不含前期準備)。其中，30天用于水、電改造，即改進用戶側(cè)電網(wǎng)，提高最大使用容量；增加自來水系統(tǒng)，實現(xiàn)自動補水；15天用于太陽能供熱系統(tǒng)施工和調(diào)試，即集熱器屋頂支撐鋼架、熱水器、水箱、熱泵防震地基、熱泵機組等的安裝工作。

2.3采暖效果

2015年采暖季對示范農(nóng)宅進行入戶測試。根據(jù)室外環(huán)境測試數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)變化如表2所示。冬季太陽能資源條件較好，最大輻照度可以達到1000 W/m2，且晴天較多。

表2　室外溫度與太陽能輻照度

在如表2所示的資源條件下，如圖10所示，在測試期間，房間溫度變化范圍基本維持在13～23 ℃，平均室溫達到18 ℃，能夠滿足用戶對熱舒適度的要求。

根據(jù)對太陽能集熱側(cè)、空氣源熱泵運行側(cè)、末端供熱側(cè)的累計熱量及電量監(jiān)測：1)空氣源熱泵機組耗電量為4.33 MWh(電表測量)；2)空氣源熱泵機組供熱量為6.89 MWh(熱表測量)；3)太陽能供熱量為1.86 MWh(熱表測量)；4)末端循環(huán)側(cè)供熱量為7.14 MWh(熱表測量)。

圖10　房間溫度變化

根據(jù)熱表計量數(shù)據(jù)來看，太陽能供熱量與空氣源熱泵機組供熱量之和大于末端循環(huán)側(cè)供熱量，其主要原因在于水箱為開式水箱，蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致從末端循環(huán)側(cè)供入末端散熱器內(nèi)的熱量減少。但由于水箱至于房間內(nèi)，其蒸發(fā)熱量仍散入室內(nèi)，因而太陽能熱水采暖系統(tǒng)向房間的總供熱量為8.75 MWh，其中太陽能供熱量1.86 MWh，太陽能保證率21％，空氣源熱泵機組運行COP為1.6。

測試期間，用戶電價為0.55元/kWh，即熱泵機組耗電量為2381.5元。根據(jù)調(diào)研，用戶原有小型燃煤爐初投資2000元，經(jīng)政府補貼后的型煤價格為330元/t，每年使用約4 t型煤，即燃煤運行費用1320元，初投資與運行費用均低于太陽能熱水采暖系統(tǒng)，使太陽能熱水采暖系統(tǒng)很難成為農(nóng)村用戶的供暖首選系統(tǒng)。

3　結(jié)論與建議

太陽能熱水采暖系統(tǒng)能夠滿足用戶對室內(nèi)熱舒適度的要求，且通過優(yōu)化控制系統(tǒng)，可使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加便捷，便于用戶使用。但由于既有農(nóng)宅本身的特點，應(yīng)用太陽能熱水采暖系統(tǒng)前，必須確保滿足以下條件：

1)建筑保溫實施到位。根據(jù)GB/T 50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》中關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)傳熱限值的規(guī)定，確保圍護結(jié)構(gòu)具有良好的保溫性能，從而可以減少太陽能熱水采暖系統(tǒng)配置容量，減少初投資和運行費用，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

2)電網(wǎng)容量配置到位。目前一般農(nóng)村家庭配電容量在約4 kW，而采用電驅(qū)動輔助熱源(如熱泵、電鍋爐等)的啟動用電負荷達到10 kW以上，因而在實施太陽能熱水采暖系統(tǒng)前，應(yīng)增加用戶配電容量。

3)自來水入戶。有自動補水功能的采暖系統(tǒng)使用起來更加便捷，但對于沒有自動補水的用戶，需要定期自動補水，且補水水位不容易控制。尤其對于開式系統(tǒng)，用戶一旦出現(xiàn)補水過量，容易造成水箱溢水等問題。

4)有充足的設(shè)備放置區(qū)域。對于改造的既有農(nóng)宅，家中本身未設(shè)置設(shè)備放置區(qū)域，水箱、水泵等設(shè)備放置區(qū)域較為局促，在一定程度上影響施工；同時，水泵運行噪音有時會對用戶造成一定影響。

另外，與原有農(nóng)宅使用的燃煤系統(tǒng)相比，太陽能熱水采暖系統(tǒng)由于其高昂的初投資和運行費用，不具有經(jīng)濟性，很難成為用戶的首選采暖系統(tǒng)。因此，為了推進清潔可再生能源采暖系統(tǒng)的規(guī)模化使用，建議相關(guān)部門通過降低農(nóng)戶熱水采暖價格和補貼初投資等方式，繼續(xù)推進太陽能采暖等可再生能源，限制不清潔能源的使用，從根本上減少冬季霧霾情況。

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2015-12-03

中小企業(yè)發(fā)展專項資金(對歐合作部分)(SQ2013Z0G100002)；廣東引進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目(2013N070)；北京市科技計劃項目(D141100002714001)

楊銘(1982—)，女，博士、助理研究員，主要從事太陽能建筑采暖、綠色建筑相關(guān)方面的研究。yangming717@vip.qq.com