四季沐歌演講稿太陽能采暖

朱寧2013.12.071太陽能采暖系統(tǒng)實踐中的問題和解決思路111目錄背景傳統(tǒng)太陽能采暖方式新型太陽能采暖方式跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖方式2我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)采暖能源消耗巨大，污染嚴重

●北方城鄉(xiāng)建筑冬季采暖商品能消耗量為2.5億tce，占全

國建筑總能耗的43%以上，排放CO2將近7億噸3背景數(shù)據(jù)來源：中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告200834使用非清潔能源采暖使農村室內外空氣環(huán)境的惡化4

我國有豐富的太陽能資源，按國土分四類區(qū)，其中可利用面積達96%以上。圖1中國太陽能四個資源帶表1我國太陽能資源分區(qū)表名稱資源帶號指標kW·h/m2a占國土面積最豐富帶I≥175017.4%很豐富帶II1400～175042.7%較豐富帶III1050～140036.2%一般帶IV≤10503.7%太陽能建筑供熱潛在需求量達到10億m2以上（集熱面積），是目前全國太陽能熱水器保有量的4倍。56但是，太陽能具有能量密度低、不連續(xù)、不穩(wěn)定以及輻照強度與采暖負荷相矛盾等特點，將其用于建筑供暖需要解決一系列難題背景6我們已經(jīng)實施的傳統(tǒng)太陽能采暖方式—以北京平谷將軍關太陽能采暖及熱水綜合應用系統(tǒng)為例77北京平谷將軍關太陽能采暖及熱水綜合利用88項目概況：將軍關為北京新農村改造項目，共三期，由我公司設計施工第二期和第三期，目前共285套。8運行原理9生活熱水采暖供水采暖回水自來水P1P2910項目配置：此項目每戶建筑面積約200㎡，配備6塊58-1800-25集熱器，總面積30㎡，外加一臺常壓熱水燃煤采暖爐。設計思路：當太陽能可以將水箱的溫度提升到設定溫度時，例如35℃（地板采暖的要求），即可提供采暖，當溫度達不到時，利用燃煤爐加熱。運行效果：經(jīng)過幾個冬季使用，在一個采暖季用煤約2噸的情況下，室內溫度可以保持在16℃以上，農村住戶對采暖的要求不是很高，此溫度基本上可以說的過去。

每個采暖季2噸煤，煤所產生的熱量約為=29.3MJ/kg（煤的熱值）*2000kg*0.8（燃煤爐效率）=46880MJ，一個采暖季太陽能產生的熱量=30*1801*0.3（系統(tǒng)綜合效率以0.3計）=16209MJ，建筑整個采暖季實際消耗的能量=46880+16209=63089MJ,其中太陽能的產熱量約占26%。1011存在問題A.冬季太陽能供熱不足：太陽能冬季效率偏低，理論上，本系統(tǒng)水箱內溫度不會低于采暖回水溫度30℃，在此基礎上靠太陽能升溫，效率較低（經(jīng)計算進水在30℃，環(huán)境溫度5℃，太陽能輻照強度600W的情況下，太陽能58/1800-50型集熱器基于總面積的集熱效率僅為0.38，再加上系統(tǒng)管道隨時15%，系統(tǒng)效率就小于32%了。）。一旦不允許使用燃煤爐，改配空氣源熱泵作為輔助加熱，冬季在太陽能效率低的情況下，空氣源效率也會較低，因此系統(tǒng)的保障能力會很差。11B.非采暖季系統(tǒng)過熱嚴重系統(tǒng)過熱容易產生一系列問題：

一、造成一些橡膠件容易老化，增加售后的強度；二、造成真空管容易炸管，真空度降低，集熱效率降低，真空管壽命減少；三、過高的溫度也會影響管道的壽命。12總而言之一句話傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)冬季供熱不足，非采暖季總是過熱，系統(tǒng)保證率低，問題不斷。橡膠件老化真空管炸管管道銹蝕

12新型太陽能采暖方式—分層儲熱水箱+水源、空氣源雙源熱泵的采暖及生活熱水系統(tǒng)1313運行原理14P1地板采暖供水地板采暖回水分層水箱空氣源、水源兩用熱泵自來水P2P3P4P5P6熱水14設計理念這個系統(tǒng)突破了太陽能熱水的概念，而是采用了熱能綜合利用的概念以及整個系統(tǒng)熱效率達到最高的概念，其基本原理是太陽能只要生產出溫度高于15℃的熱水就可以，此熱水驅動熱泵的水源側；再由熱泵生產出35℃的熱水，滿足采暖的要求。當該天的太陽輻照特別好，可以使得水箱溫度較高（大于35℃）的情況下，則熱泵自動停止工作。當天氣確實不好，太陽能無法提供足夠的熱量驅動熱泵的水源側時，或氣候條件適合空氣源熱泵工作時（例如白天中午前后，溫度高于0攝氏度），則啟動熱泵的空氣側，將太陽能產生的熱水儲存起來供夜間使用。系統(tǒng)特點-采用太陽能，水源、空氣源雙熱源熱泵；-采用低中高三溫區(qū)合一的溫度分層水箱。1515系統(tǒng)優(yōu)勢-采用了水源、空氣源雙熱源熱泵，可以獲得更多地太陽輻照能量和空氣中的能量，也使得系統(tǒng)的保障能力大大提高。-采用低中高三溫區(qū)合一的溫度分層水箱，分層結果使得水箱上部的溫度快速提高，系統(tǒng)能夠快速啟動，滿足采暖要求，同時頂部溫度在特定時間內還可以快速提高到更高的溫度，就能滿足生活熱水的需求，而水箱底部的溫度變化不大，低溫有利于系統(tǒng)的集熱，提高集熱器的集熱效率。161617系統(tǒng)實驗及檢測數(shù)據(jù)在三月初，系統(tǒng)在早上8:40以前，均可以提供24℃的供暖熱水，保證辦公室區(qū)域的供暖要求。（早7點開始啟動熱泵。）水箱上層溫度記錄表日期3.53.63.73.83.93.103.118:40時水箱上層溫度28.2°C26.4°C25.9°C26.5°C24.4°C24.7°C25°C供暖保證性數(shù)據(jù)采樣：18水箱溫度分層實測結果（2013年3月10日）：

實驗數(shù)據(jù)表明，當系統(tǒng)開始工作時，水箱垂直方向溫度分層效果明顯，有利于保證熱泵的工作性能，提高集熱器效率，保證供暖溫度。隨著水箱內的熱量逐漸累積，水箱整體溫度逐漸上升。19冷凝器蒸發(fā)器性能時間流速入口溫度出口溫度換熱量流速入口溫度出口溫度換熱量COP3月1日8:201.3616.5526.3715.5811.4869.612.1113.0036.043月1日10:401.36521.8831.1514.7621.48610.733.8211.985.33月4日8:401.37619.5428.9215.0581.50410.963.812.5636.043月5日8:401.38721.7631.9816.5381.50413.014.9414.166.963月8日8:401.3762029.4615.1861.48611.374.1512.5175.693月8日10:401.37621.2731.9417.1291.48614.266.1514.065.583月11日8:401.46121.3231.2316.8921.47712.654.4814.07863月14日8:301.4421.731.4116.3131.4412.74.8413.2055.25對熱泵性能的分析熱泵系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)20

圖中空氣源熱泵COP為相同工況下仿真結果，實驗數(shù)據(jù)表明，水源熱泵的COP很高，平均水平可以達到6左右，遠高于空氣源熱泵，可以迅速提高水箱上層熱水的溫度。

實際系統(tǒng)與普通空氣源熱泵COP對照圖21228:56就開始集熱了控制界面2258/1800-50型集熱器效率曲線（基于采光面積）58/1800-50型集熱器效率曲線（基于總面積）分層對集熱效率的影響23以環(huán)境溫度為5℃時計，太陽能輻照強度600W,工質不同的進口溫度，此集熱器效率對比如下：基于采光面積TiTaGTi*效率10℃

5℃600W0.0080.70020℃5℃600W0.0250.66130℃5℃600W0.0420.62140℃5℃600W0.0580.582基于總面積TiTaGTi*效率10℃

5℃600W0.0080.43020℃5℃600W0.0250.40630℃5℃600W0.0420.38240℃5℃600W0.0580.357提高20%24該系統(tǒng)仍有以下不足：A.需要配一個相對較大的水箱，約3-8噸左右，在農村應該不是大問題。B.此系統(tǒng)仍然沒有解決非采暖季過熱的問題,為了避免過熱，同時也能提高太陽能的保證率，應該嘗試跨季節(jié)蓄熱。25跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖方式2626理念1.為了更好地利用非采暖季的熱量。以北京為例，非采暖季的太陽輻照量占到全年的71%，采暖季才占到全年的29%。我們總不能舍棄71%而僅僅采用29%。2.太陽能系統(tǒng)非常怕過熱，我們必須避免過熱，因此人們提出了季節(jié)性儲熱太陽能采暖方式，即將非采暖季的熱量儲存起來供采暖季使用，提高采暖季太陽能的保證率，避免非采暖季的過熱，再配備輔助熱源實現(xiàn)系統(tǒng)供熱。2727

ARCON季節(jié)性儲熱工程位于丹麥奧爾堡的Dronninglund（多寧隆德），是ARCON為當?shù)匾凰鶡釓S建設的太陽能采暖+熱水工程，是目前全球最大的季節(jié)性儲熱項目，總集熱面積37000㎡，儲熱水池為60000m3，供應5000戶區(qū)域居民冬季采暖和全年的生活熱水，集熱采用換熱方式，集熱器中走防凍液。

ARCON季節(jié)性儲熱工程介紹2828太陽能集熱系統(tǒng)29293030儲熱水池正好建設在一個小山上，很好的利用了地形，水箱為一個梯形結構，底面為10000*10000，基本結構如下：3131儲熱水池32323333設備間設備間里面主要包括泵和控制器3434單家單戶的季節(jié)性儲熱太陽能采暖35項目基本情況：本項目位于北京順義，建筑面積約為200㎡，采暖面積約140㎡，安裝太陽能集熱面積30㎡，配置5匹地源熱泵，實現(xiàn)冬季采暖，夏季空調，和全年全天候的生活熱水，地源熱泵+太陽能雙U管井，一年四季太陽能的熱量不斷的存儲到土壤中，冬季采暖使用時，熱泵和太陽能工作使用的管井為同一管井，增加冬季采暖的效率；夏季空調制冷式，太陽能和熱泵工作使用不同的管井，避免太陽能太陽能儲熱對制冷的影響。采用承壓供熱水箱，通過換熱，保證水質清潔。36系統(tǒng)運行原理

P1采暖供水自來水緩沖水箱地源熱泵采暖回水生活熱水P2P3P4地熱A井地熱B井系統(tǒng)特點：1.可以實現(xiàn)冷、暖、水三聯(lián)供；2.系統(tǒng)簡潔，控制簡單；3.A/B熱井切換，熱泵效率更高。37節(jié)能計算建筑面積約200㎡，配備6塊58-1800-25集熱器，總集熱面積30㎡，以節(jié)能建筑熱負荷標準35W/㎡計，采暖季太陽能輻照量累計為1801MJ/㎡,采暖時間為125天，則采暖季每天的平均輻照量為14.41MJ/㎡，太陽能系統(tǒng)效率以0.3計，若采用傳統(tǒng)太陽能采暖，太陽能的保證率f1：

-太陽能系統(tǒng)的產熱量：14.41*30*0.3=130MJ-建筑采暖所需熱量：200*35*24*3.6/1000=604.8MJ經(jīng)計算太陽能的保證率為f1=0.21。3838此項目采用季節(jié)性儲熱方式采用季節(jié)性采暖方式，將非采暖季的熱量進行儲存，全年累計輻照量為6257MJ/㎡，采暖季的輻照量為1801MJ,非采暖季太陽能系統(tǒng)平均效率為0.4，太陽能可儲存的熱量以50%計，則太陽能的保證率f2=(6257-1801)*30*0.4*50%/125+130=343MJ=605MJ39計算太陽能的保證率為f2=0.57。再配備地源熱泵，以COP=4計算，系統(tǒng)的保證率就可以達到75%。系統(tǒng)投資項目正在施工過程中，系統(tǒng)投資估算7萬元。39由上述單家單戶的太陽能采暖設計及節(jié)能計算可知季節(jié)性儲熱方式可大大提高太陽能的保證率，并解決了夏季過熱的問題。對于新農村建設或者農村城鎮(zhèn)化建設，可以考慮采用集中的季節(jié)性儲熱采暖，即辟出一塊土地下面建儲熱水箱，上面建集熱供熱的熱力站的方式還是比較容易實現(xiàn)的，當然也可以采取做地埋管，利用土壤蓄熱，采用地源熱泵取熱供熱的方式也是完全可以實現(xiàn)的，此方式較單家單戶季節(jié)性儲熱方式具有系統(tǒng)投資低，各戶用熱互補等特點。40采用集中的季節(jié)性儲熱太陽能采暖4041擬將軍關120戶采用集中季節(jié)性儲熱采暖方式414243造價分析以將軍關120戶住宅系統(tǒng)為例：A.當前采用傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)，太陽能+熱泵部分造價為5,5萬/戶*120戶=660萬元。（有利潤，約100萬元）B.若采用地埋管季節(jié)性儲熱系統(tǒng)成本如下:其中：地埋管系統(tǒng)造價；地源熱泵主機造價;系統(tǒng)管道造價；太陽能集熱部分造價；水泵造價；控制系統(tǒng)造價；以上合計總成本約為600萬元（未計算集熱、供熱管路刨溝和埋溝的費用）,平均每戶的價格為5.0萬元。43經(jīng)濟對比此200㎡的建筑每戶一年采暖需要的熱量為6