太陽能區(qū)域供熱技術的國際經(jīng)驗與啟示

太陽能區(qū)域供熱技術的國際經(jīng)驗與啟示

1sdh太陽能集熱系統(tǒng)在能源行的區(qū)域加熱（sdh）基于區(qū)域熱網(wǎng)的用戶提供加熱服務。傳統(tǒng)區(qū)域供熱主要以化石能源、工業(yè)余熱為熱源,SDH則是在原有區(qū)域供熱系統(tǒng)不變的情況下,采用太陽能集熱器吸收太陽能,通過太陽能集熱管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到區(qū)域供熱熱廠或換熱站,向市政區(qū)域熱網(wǎng)供熱,最終為熱用戶提供供暖和生活熱水所需熱量,太陽能是區(qū)域供熱系統(tǒng)熱源之一。根據(jù)集熱器鋪設規(guī)模SDH系統(tǒng)可分為集中式和分布式2種,為提高太陽能保證率,常建有季節(jié)蓄熱設施SDH在中北歐地區(qū)得到較快發(fā)展,技術已十分成熟,并且實現(xiàn)了商業(yè)化運營。截至2015年,歐洲SDH總裝機容量達745MW2太陽能供暖經(jīng)驗及投資情況國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,2015年我國城鎮(zhèn)區(qū)域供熱面積達67.22億m我國太陽能供暖發(fā)展已有10余年歷史,前期主要為太陽能戶式供暖,廣泛用于農(nóng)村地區(qū);近年來逐漸發(fā)展到利用太陽能為學校、公共建筑、小區(qū)供暖,實現(xiàn)小規(guī)模應用,主要用于無城市熱力覆蓋區(qū)域的供暖。筆者在2016年實地調(diào)研了多個太陽能供暖工程,對企業(yè)、用戶、政府進行走訪,總結當前太陽能供暖工程經(jīng)驗,探討SDH在中國發(fā)展的可行性。調(diào)研結果表明,采用太陽能供暖具有較大的節(jié)能性,北京將軍關村一戶農(nóng)村太陽能供暖用戶透露,200m國內(nèi)太陽能系統(tǒng)設備制造水平較低,太陽能企業(yè)缺乏規(guī)劃、設計、建設、運維規(guī)?；柲芄┡到y(tǒng)能力;采用太陽能供暖初投資較高,雖然政府對太陽能熱水發(fā)展給予了政策支持和財政補貼,但太陽能供暖沒有受到重視;太陽能供暖示范項目運營效果差,壽命短。從技術、經(jīng)濟、政策三方面都制約了中國太陽能供暖的發(fā)展。2.1太陽能供暖及熱水系統(tǒng)未充分利用因政府鼓勵采用清潔能源供熱,故太陽能供暖及熱水系統(tǒng)多設計為生物質(zhì)鍋爐輔助太陽能供暖,但缺乏對當?shù)厣镔|(zhì)資源的充分論證,實際使用中多為燃煤鍋爐或電鍋爐輔助太陽能供暖。農(nóng)村太陽能供暖及熱水系統(tǒng)基于最大化利用太陽能的原則設計,盡可能在屋頂最大面積鋪設集熱器,并沒有對系統(tǒng)進行優(yōu)化,夏天容易過熱,必要時需遮蓋部分集熱器。太陽能供暖及熱水系統(tǒng)中,沒有進行管網(wǎng)系統(tǒng)水力計算,依靠經(jīng)驗選取水泵,導致實際運行過程中集熱循環(huán)水泵故障較多。太陽能集熱系統(tǒng)管網(wǎng)布局較為混亂,系統(tǒng)調(diào)試、后期運維難度較大。2.2緩沖儲熱水箱布局不合理集熱器安裝缺乏規(guī)范性,與屋頂結合不夠牢固,不僅影響屋頂結構安全,而且對地面行人也構成安全威脅。緩沖儲熱水箱布局不合理,多安裝在2層,出現(xiàn)滲水、漏水,嚴重影響居民的生活。建議布置在盥洗室。太陽能集熱管網(wǎng)直接穿過建筑屋頂,造成屋頂漏水;管網(wǎng)鋪設混亂,缺乏必要的標識;水箱、集熱管網(wǎng)缺乏規(guī)范的保溫處理。2.3能供暖系統(tǒng)故障農(nóng)村太陽能供暖的運維主要由用戶個人進行,由于缺乏專業(yè)知識和規(guī)范的運維手冊,存在很多用戶對太陽能供暖系統(tǒng)的故障束手無策、強制性改變管網(wǎng)設備、采用水代替防凍劑注入太陽能集熱系統(tǒng)、私自添加電鍋爐供暖、改變溫控裝置、自己更換水泵等問題。對于農(nóng)村地區(qū)區(qū)域性太陽能供暖項目,有必要建立區(qū)域運維服務點,撰寫系統(tǒng)運維手冊供用戶學習,便于后期運維,保證太陽能供暖效率,延長太陽能供暖系統(tǒng)壽命。3中國sdh技術經(jīng)濟分析3.1高效安裝成本大型平板集熱器(見圖2)便于地面安裝和屋頂安裝,能有效降低項目建設費用,從而減小初投資;大型平板集熱器價格低、性能好,使用壽命高達25a以上太陽輻照度G為800W/m式中η單位面積大型平板集熱器安裝成本(含集熱器產(chǎn)品成本、運送、安裝等所有費用)見圖4。其總體規(guī)律為:隨集熱場規(guī)模(集熱器面積)增大,單位面積集熱器安裝成本逐漸降低。太陽輻照度為800W/m3.2儲熱設施建設太陽能能流密度(單位輻射面積所接受的太陽輻射能量)低,受天氣變化影響大,穩(wěn)定性差;冬夏供熱負荷不平衡,為提高太陽能保證率,需建設儲熱設施。SDH儲熱技術分為短期儲熱和季節(jié)蓄熱。短期儲熱一般是儲存一天到一周的熱量,常用于預熱區(qū)域供熱管網(wǎng),儲熱設施為短期儲熱水罐和區(qū)域熱網(wǎng),短期儲熱指標為單位面積集熱器220~250L。工程常用的4種季節(jié)蓄熱技術主要為蓄熱水箱、坑式蓄熱水池、地埋管鉆井蓄熱、含水土層蓄熱3.3發(fā)展可持續(xù)能源低溫區(qū)域供熱采用較低的供回水溫度,有利于減少管網(wǎng)熱損失,提高系統(tǒng)效率,促進可再生能源、熱電聯(lián)產(chǎn)等多能互補系統(tǒng)利用,推行可持續(xù)能源發(fā)展。其供水溫度介于30~70℃之間,采用預制保溫雙管,為新建建筑(每個供暖季建筑供暖負荷<25kW·h/m3.4多能互補技術國家能源技術創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃提出到2020年非化石能源占我國能源供給比例將達到15%3.5sdh系統(tǒng)熱價分析當前我國京津冀地區(qū)大力推進清潔能源供熱,本文選取北京地區(qū)氣象參數(shù)和歐洲地區(qū)技術成熟的5種SDH模式,建立虛擬模型,分析SDH在北京地區(qū)應用的經(jīng)濟性,并與傳統(tǒng)燃煤、燃氣區(qū)域供熱進行對比分析根據(jù)上述數(shù)據(jù),采用SUNSTORE4-Feasibility-Evaluation-Tool模擬軟件由圖7可以看出:SDH系統(tǒng)1的熱價為531元/(MW·h),高于燃煤區(qū)域供熱和常規(guī)區(qū)域供熱,但低于燃氣區(qū)域供熱。SDH系統(tǒng)2~5的熱價均低于常規(guī)區(qū)域供熱,其中以SDH系統(tǒng)3,5的熱價最低,為364元/(MW·h),但SDH系統(tǒng)3建有季節(jié)蓄熱裝置,能連續(xù)、穩(wěn)定供熱。由此可見太陽能區(qū)域供熱具有一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢。SDH系統(tǒng)雖然初投資較高,但由于其運維成本較低,20a動態(tài)投資回收期內(nèi)熱價較常規(guī)區(qū)域供熱要低。4中國sdh市場潛力和環(huán)境效益分析4.1供熱能力展望通過分析國家統(tǒng)計局的中國城市區(qū)域供熱數(shù)據(jù)得出:2015年中國區(qū)域供熱負荷達339326MW,供熱面積達67.22億m從圖8可以看出:中國區(qū)域供熱能力呈現(xiàn)逐年增長趨勢,這與我國經(jīng)濟發(fā)展水平相適應,居民對改善冬季室內(nèi)熱舒適需求越來越高,不僅北方地區(qū)需要供熱,南方地區(qū)供暖呼聲也十分強烈,可以預見短期區(qū)域供熱能力將進一步增長。據(jù)此對未來5a區(qū)域供熱市場進行預測,到2020年中國區(qū)域供熱能力將達到407.973GW,相比2015年增長68.647GW,見圖9。2030年中國區(qū)域供熱總能力將達到536.734GW。同時單位面積供熱負荷呈現(xiàn)逐年下降趨勢,說明我國建筑節(jié)能改造和區(qū)域供熱管網(wǎng)改造成果顯著,尤其是區(qū)域供熱管網(wǎng)改造將為低溫熱源的并入提供平臺。4.2既有區(qū)域供熱發(fā)展清潔能源供熱根據(jù)國家能源局發(fā)布的能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃,2020年區(qū)域供熱清潔能源占比將達到15%,2030年爭取達到20%。以2015年的區(qū)域供熱能力為基準,在既有區(qū)域供熱改造中,假設清潔能源承擔供熱負荷份額分別為5%,10%,15%,20%,可得到清潔能源承擔的供熱負荷,見圖10。從圖10可以看出:按照國家能源規(guī)劃提出的2020年區(qū)域供熱清潔能源占15%的目標,我國既有區(qū)域供熱改造中清潔能源供熱負荷將達50.899GW;按2030年占20%的目標,清潔能源供熱負荷將達67.863GW?，F(xiàn)階段即使只完成5%,供熱負荷也達16.966GW,清潔能源供熱市場很大。4.3年增長產(chǎn)業(yè)和能源供熱假設未來新增區(qū)域供熱負荷中清潔能源供熱負荷份額均在20%以上,根據(jù)圖9計算可得到每年新增清潔能源供熱負荷,見表5。2017年預計新增清潔能源區(qū)域供熱將達3.324GW,2020年新增清潔能源區(qū)域供熱將達4.155GW,5a總計新增17.873GW。4.4sdh在綠色能源加熱中的潛在能力和環(huán)境效益分析假設年均太陽輻照度為800W/m4.4.1設面積的確定既有區(qū)域供熱清潔能源改造發(fā)展SDH供熱負荷及集熱器鋪設面積見表6,7?？梢钥闯?清潔能源供熱占區(qū)域供熱的5%且SDH占清潔能源供熱的5%時,SDH供熱負荷為0.848GW,SDH集熱器最大鋪設面積為673萬m4.4.2積分積表1新增區(qū)域供熱SDH供熱負荷及集熱器鋪設面積見表8,9?？梢钥闯?2017年SDH占比5%的情況下,供熱負荷為166MW,SDH集熱器鋪設面積達132萬m4.4.3環(huán)境效應分析發(fā)展太陽能區(qū)域供熱不僅具有較大的節(jié)能潛力,還有很好的環(huán)境效益。根據(jù)《太陽能供熱采暖工程應用技術手冊》,單位面積集熱器年CO5太陽能區(qū)域供熱中國區(qū)域供熱市場巨大,未來一段時間區(qū)域供熱能力仍將保持增長;但我國區(qū)域供熱供回水溫度高,熱損失大,應加大區(qū)域供熱管網(wǎng)改造,發(fā)展低溫區(qū)域供熱技術,為以太陽能為主的低溫熱源并網(wǎng)區(qū)域供熱提供平