光伏/光热+热源+储热系统 高效太阳能采暖的实现途径

日前印发的《河北省2018年冬季清洁取暖工作方案》称，在全省试“光伏+”、“光热+”0.85万户，预计投资3.4亿元。

 

去年十部委印发的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》要求，配合其他清洁供暖方式，到2021年，实现太阳能供暖面积目标5000万平方米。

 

常见太阳能供暖系统主要由热量提供部分（集热器和辅助热源）、储热蓄热部分、热量使用部分（采暖末端设备）与控制部分这四个部分组成。为提高集热效率，降低系统成本，更加高效可靠的太阳能采暖系统往往重视集热器和辅助热源的选择，并辅以蓄热系统进行优化。

 

 

目前对太阳能供暖系统中集热器的研究主要集中在集热器的面积优化、在不同地区的最佳倾角和最佳安装角度、供暖温度对集热器效率的影响等。

 

根据实际情况，不同项目对集热器选择不同。集热器按照是否聚光分为两大类，即非聚光集热器与聚光集热器。

 

图：阿坝州人民医院太阳能采暖项目（真空管集热器）

 

平板集热器与真空管集热器常见于太阳能热水+采暖系统，其结构简单可靠，但容易结垢，严寒环境下易结冰。北方地区众多办公与住宅太阳能采暖项目均使用这两种集热器，例如北京就有诸多案例。

 

北京市太阳能办公采暖应用——办公项目

（来源：中国太阳能采暖现状与趋势分析报告）

 

北京市太阳能采暖项目——住宅应用

（来源：中国太阳能采暖现状与趋势分析报告）

 

聚光集热器能将阳光会聚在面积较小的吸热面上，可获得较高温度，但只能利用直射辐射，且需要跟踪太阳。

 

目前在中温热利用领域，已有不少采用槽式聚光集热器的太阳能采暖项目建成。

 

一个典型案例是，内蒙古旭宸新能源有限公司在包头建成了10万平方米的太阳能槽式光热镜场，可以满足50万平方米的供热面积。该项目采用太阳能槽式聚光，通过导热油输送到地下的热交换系统，经过油水换热设备，把太阳能储存在保温水箱，加热后的热水直接输送到用户家中，实现全程零排放、零污染，经济成本只有燃煤的四分之一，而且后期维护费用很少。

 

图：内蒙古旭宸光热供暖项目供热的温室

 

今年8月1日，成都博昱新能源有限公司（简称“博昱新能”）3400余平米高原型槽式集热器开始装车发往西藏，计划在西藏阿里地区建设当地最大规模的槽式太阳能中温热利用项目，于今年十月投运。而在此前，博昱新能已在宁夏、陕西、西藏等多地建成槽式太阳能供暖项目。其产品可提供60摄氏度以上热水到250摄氏度蒸汽的热源，尤其适合太阳能资源好，电和燃气供需不平衡或者传统供热成本过高的用户。

 

图：博昱西藏日喀则太阳能槽式中温项目

 

在线性菲涅尔式集热器利用方面，兰州大成科技股份有限公司新区厂房提供了一个案例。经测算，其屋顶菲涅尔式系统在2017年共承担2万平米厂房供暖和7000㎡办公、生活设施供暖需求，采用太阳能作为主要供热能源，低谷电作为辅助能源，在一个供暖季整体运营费用低于60万元，运营费用比燃煤供暖降低75%，较天然气供暖降低80%以上，极大节省了公司供暖成本。

 

图：兰州大成屋顶菲涅耳太阳能供暖系统

 

太阳能是一种不稳定的能源，一个稳定的太阳能采暖系统通常有经济可靠的辅助热源。目前常用的辅助热源有电加热器、燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉、生物质锅炉、热泵等。

 

今年初，河北省住房和城乡建设厅下发了《河北省农村地区太阳能取暖试点实施方案》。目前，“光伏+”“光热+”的取暖模式正在河北地区推广。

 

“光伏+空气源热泵”取暖系统实现光伏电站、空气能热泵、能源管理平台三者的适配组合，使用光伏电站作为空气能热泵的电能补充，空气能热泵通过空气能、电能进行供暖，光伏电站将太阳能转化为电能，补充空气能热泵所需的电力，能源管理平台实现智能控制，提高能源利用效率，真正实现清洁取暖与能源投资的双重目标。

 

从河北保定市阜平城南庄、雄安新区安新县马村两个示范项目的试运行情况看，效果理想。以阜平县城南庄的“光伏+空气源热泵”示范项目为例，面积为123.5平方米的农户家中，安装了功率为5.4千瓦的屋顶光伏电站，以及功率5千瓦的空气源热泵及地暖系统。合计每个采暖季每平方米的采暖成本为23.2元。在采暖期外，光伏电站生产的电能，还能卖给国家电网，享受国家政策补贴。年可发电14万度，相当于节省标煤48吨，减排二氧化碳约125吨、氮氧化物0.7吨、二氧化硫1.1吨。

 

光热+电辅供暖系统晴天时，主要采用室外太阳能集热器模块提供热源采暖，夜间或白天温度达不到供暖要求的温度时，电辅系统自动加热送暖，冬季室内温度设计温度时，电辅系统自动停止。

 

作为中关村产业园首批落户雄安的12家高新技术企业之一，北京首航艾启威节能技术股份有限公司在安新县“太阳能光热+电辅+储热”采暖案被评选为优秀典型案例。

 

该项目供热侧为单户100㎡采暖，2018年3月建成，用热侧为单户建筑面积100平方米，非节能建筑（房龄20年），末端为暖气片。该项目将收集的热水储存在专利分层式结构储水箱中，有效的将不同温度的水分层储存，降低热损失。在太阳能储热量不足的前提下，以谷区低电价进行电辅助加热蓄能，从而户温不低于18度的采暖需求，系统设置为全区和谷区两种模式，满足不同用电补贴政策。

 

该系统太阳能供暖比例约40%，自动调节保证室内温度在18度以上。进水温度不低于55度，回水温度不低于45度。建设费用单位采暖面积260元/㎡（单户），一个采暖季(120天)理论用电量约4000度，折合标准煤12.81kg/㎡。一个采暖季的运行费用不高于1500元。

 

利用太阳能进行供热，需要克服太阳能周期性和不稳定的缺点，研究解决太阳能蓄热技术，努力提高太阳能贡献率，才能降低运行费用。

 

太阳能采暖蓄热方式主要分为短期蓄热和长期蓄热。对应同一蓄热系统形式，有两种以上可选择的蓄热方式时，需要根据工程投资规模，当地的气象、水文、土壤条件进行选择。

 

短期蓄热以天或周为蓄热周期，其目的是为了维持一天（或一周）的热能供需平衡。短期蓄热主要有蓄热水箱和相变蓄热两种。目前常用蓄热方式为储热水箱和卵石蓄热。储热水箱蓄热时储热水箱的材质和构造强度应满足要求，能够满足所贮存水的容积，并且与系统最高工作压力相匹配，确保不渗，不漏；水箱应选择耐腐蚀材料制作，并做内表面防腐处理；还要做好水箱的保温。空气蓄热系统的蓄热装置通常采用卵石蓄热堆，卵石蓄热堆可水平或垂直放在箱内，卵石堆得热分层可提高蓄热性能，宜优先选用垂直方式。

 

长期蓄热以季节或年为储存周期，其目的是为了调节季节（或年）的热量供需关系。长期蓄热以季节蓄热为主。跨季节太阳能蓄热系统根据蓄热系统分为：水箱蓄热、埋管蓄热、蓄水层蓄热和砾石-水蓄热。

 

河北经贸大学太阳能季节性蓄热综合利用项目是国内最大的商业化跨季节储热采暖及热水综合利用项目。该学项目与国外太阳能采暖的储热方式，如土壤储热、水池储热(地表之下)和一个整体大水罐储热、相变材料储热相比均不相同，采用228个大水箱进行跨季节储热。

 

图：河北经贸河北经贸大学太阳能季节性蓄热采暖及热水应用综合项目

 

该项目由四季沐歌太阳能总体设计，总投资7000余万元，采用横双排全玻璃真空管集热器1380组，铺设在14个楼面(宿舍楼楼面)，共使用真空管6.9万支，总计集热面积1.16万㎡，总储热容量2万余吨，末端采用翅片式散热器采暖，采暖面积为48万㎡。在节能减排方面，以系统运行寿命15年计算，扣除非采暖季的热能消耗，该项目可节电7006万余度，节约标准煤近1万吨。