太陽能供熱采暖工程案例分析：北京門頭溝區妙峰山鎮櫻桃溝村民居太陽能熱水采暖項目

北京天鳴陽光太陽能科技有限公司 ■ 羅鳴

一 項目概況

項目名稱：北京門頭溝區妙峰山鎮櫻桃溝村民居太陽能熱水采暖項目

建設背景：北京門頭溝區妙峰山鎮櫻桃溝村是北京社會主義新農村建設改造首批示范村，改造建筑總面積16000m2。改造后的82套民居建筑依山坐落，洋溢著淳樸的北方鄉村民俗建筑風情，百姓生活硬件設施條件改善有了質的飛躍。平均200m2的二層獨棟式建筑，雙衛生間設計，熱水及采暖配套由清潔能源——太陽能集熱電輔助熱源供給。

項目業主單位：北京門頭溝區妙峰山鎮櫻桃溝村村委會

承建單位：北京天鳴陽光太陽能科技有限公司

項目建設時間：2005年9月～2008年10月

項目規模：總建筑面積16000m2，最大單戶建筑面積947m2，最小單戶建筑面積104m2，平均單戶建筑面積200m2，安裝太陽能集熱面積3200m2，平均單戶安裝太陽能集熱面積40m2。

建筑類型和節能措施：二層獨棟式磚混結構建筑，建筑面積平均200m2，現澆坡屋頂，雙層玻璃塑鋼窗，外墻為370mm黏土空心磚墻，二層坡屋頂內吊石膏板平頂，上面滿鋪50mm巖棉板保溫。供暖末端采用低溫熱水地板輻射采暖系統。

二 工程概況

以櫻桃溝村200m2單體民居建筑為例，采用低溫熱水地板輻射采暖，熱源形式為太陽能集熱電加熱輔助復合分體系統，該系統同時提供用戶全年生活熱水供應。

1 設計參數

采暖面積及采暖負荷：本項目低溫熱水地板輻射采暖設計供回水溫度為30～40℃，室內設計溫度為16℃，室外設計溫度為?9℃，節能建筑采暖設計熱負荷為50W/m2，建筑耗熱量指標為20.6W/m2。北京地區采暖期為125d。

本建筑采暖面積按160m2計算，采暖設計熱負荷為50W/m2，電輔助加熱功率應配置8kW；建筑耗熱量指標為20.6W/m2，采暖期建筑日平均耗熱量為3296W/d。

熱水負荷：建筑戶均人數按3.0人/戶計算，設計最高日用熱水定額取100L/人，設計平均日用熱水量取50L/人，設計熱水溫度為45℃。

當地環境溫度、自來水溫度：當地冬季環境溫度平均為?2.2℃，冬季最低環境溫度為?9.2℃，自來水溫度按10℃設計。

2 太陽能供熱系統

目前，太陽能集熱器主要有平板集熱器、全玻璃真空管集熱器、金屬－玻璃真空管集熱器三大類別。

太陽能集熱系統采用真空管集熱器，南北向豎置式真空管集熱器與建筑坡屋面結合相比橫排真空管集熱器更加美觀，同時有利于防止積雪覆蓋及減少真空管積塵影響。平板集熱器在同樣安裝條件下易積雪、積塵，影響系統集熱。金屬－玻璃真空管集熱器性能較好，但造價偏高。

結合本項目特點，系統選用豎置式三防三腔全玻璃真空管集熱器，集熱器性能參數如表1所示。

集熱器性能特點：集熱器采用聯箱式微承壓設計，適用于自然循環、強制循環太陽能集熱系統；集熱器采用國標全玻璃真空管高效集熱，真空保溫，全年運行，投資較經濟；集熱器的真空管南北豎向放置，內置玻璃芯管，強化自然循環集熱，使真空管內的存水量減少，系統有效得熱量提高；集熱器的真空管全天自動跟蹤陽光，集熱器安裝與地面夾角在30?～75?范圍任意設置；集熱器可采用循環防凍/介質防凍措施保證在寒冷地區運行。

系統集熱器面積：綜合考慮建筑采暖負荷及生活熱水負荷，系統配置集熱面積為40m2，集熱器傾角設置按建筑坡屋面角度為28?，朝向正南。

水箱容積：水箱容積按生活熱水配置要求為150L，SUS304不銹鋼內膽，聚氨酯整體發泡，敞開式水箱，內置生活熱水換熱器。

3 系統運行方案

系統分夏季熱水模式和冬季采暖模式，雙模式手動控制轉換，系統原理圖如圖1所示。

夏季熱水模式下，太陽能集熱運行：T1?T3≥8℃時，集熱循環泵P1啟動循環；T1?T3≤2℃時，集熱循環泵P1停止循環。

夏季熱水模式下，電輔助加熱運行：電加熱在設定時間段內運行。設定時間段內，T3達到設定下限溫度值40℃時，電加熱B輸出加熱；T3達到設定上限溫度值50℃時，電加熱B停止加熱。

冬季采暖模式下，太陽能集熱采暖：T1?T3≥8℃時，集熱循環泵P1啟動循環，同時采暖循環泵P2啟動循環；T1?T3≤2℃時，集熱循環泵P1停止循環，同時采暖循環泵P2停止循環。

冬季采暖模式下，電輔助加熱運行：電加熱在設定時間段內運行。設定時間段內，T4達到設定下限溫度值20℃時，電加熱A輸出加熱，同時采暖循環泵P2啟動循環；T4達到設定上限溫度值30℃時，電加熱A停止加熱，同時采暖循環泵P2停止循環。

冬季采暖模式下，系統防凍保護：T2達到設定下限溫度值4℃時，系統防凍保護輸出，系統防凍循環或管路防凍伴熱輸出；T2達到設定上限溫度值8℃時，系統防凍保護停止。

系統補水：系統儲熱水箱滿液位運行，當水箱液位低于設定液位下限時，自動補水輸出；達到設定液位上限時，系統補水停止。

生活熱水：生活熱水利用自來水通過水箱內置換熱器即時換熱供給。

三 系統運行和監測

1 太陽能資源

按《中國氣象輻射資料年冊》2001年冊的氣象資料統計數據給出的水平面月平均日輻照值換算成與水平面成當地緯度角的太陽輻射月平均值見表2，太陽能集熱器效率按50%計算。

表2

2 建筑耗熱量

本項目無建筑熱工計算數據，按節能50%建筑估算，則建筑設計熱負荷取50W/m2，建筑耗熱量指標取20.6W/m2，采暖室外計算溫度T為?9℃；

計算采暖期的耗熱量時應折算為面積平均熱指標q=Q×[(t?t1)/(t?T)]

其中：q為面積平均熱指標，W/m2；Q為采暖設計耗熱量，按30W/m2計算；t為采暖室內計算溫度，按16℃計算；t1為月平均溫度，℃；T為采暖室外計算溫度，按?9℃計算。

根據采暖設計熱負荷，按照各月的平均面積熱指標(W/m2)，計算結果見表3。

表3

根據每個月的采暖天數計算出各月的采暖耗熱量，計算結果見表4。

表4

3 太陽能采暖保證率

根據表2和表4所得數據，可以計算出采暖期各月太陽能采暖保證率及能量盈缺的情況，計算結果見表5。

表5

4 輔助加熱耗電量

太陽能采暖不足部分由輔助電加熱補充，各月所需耗電量見表6，電加熱效率按95%計算。

表6

四 系統特點

從上述逐月計算分析可見，對于太陽能采暖系統來說，相對常規能源采暖模式延長采暖期，可有效利用采暖初期太陽日照條件較好、室外環境溫度還不低的條件，通過太陽能集熱系統獨立對建筑及采暖系統進行初始預熱，從而減少正常采暖期到來后建筑采暖的初始耗熱量，平衡整個采暖系統的耗熱量，有效提高太陽能采暖貢獻率。

尤其在12月及2月期間，實際計算所得建筑耗熱量指標(面積平均熱指標)較大，按最不利因數設計太陽能集熱面積將導致初投資過大，且對采暖品質保證十分不利。本系統仍按建筑耗熱量指標參數設計太陽能集熱面積，采暖期建筑耗熱量偏大時由輔助熱源補償，綜合考慮系統的經濟合理性。

考慮采暖初期與末期實際可減少輔助加熱使用消耗因素，以及地板采暖良好的熱穩定性對室溫保持的有利因素，系統實際運行過程中，通過合理管理控制輔助加熱時段，可實現預期運行費用控制目標。

本系統室內設計溫度按16℃計算，室內溫度的提高將導致建筑實際耗熱量增大。在太陽能集熱面積已確定、免費得熱量即已固定上限的情況下，增加的熱負荷只能通過輔助熱源提供，因此本系統使用運行過程中應加強對用戶室內溫度的監測控制，從而合理節省采暖運行費用。

本系統供暖末端采用低溫熱水地板輻射供暖方式，采暖水循環行程相對較長，系統熱容量相對較大，因此采暖循環連續運行，熱補充定時分段投入，對各個區域熱循環平衡、節省耗能有利。本系統的采暖循環泵為低耗電量的節能泵，長期運行耗電量少。

本系統為復合節能采暖熱水系統，包括太陽能集熱采暖熱水系統、輔助加熱保障供暖系統、低溫熱水地板輻射供暖系統、建筑外保溫低熱耗系統、免費生活熱水供給系統，通過各系統的相互作用，自動運行，實現滿足用戶采暖溫度不低于16℃，生活熱水不低于50℃的條件下最低能耗的目的。

太陽能集熱采暖熱水系統：自動利用太陽能轉換熱量，提供給室內采暖及制備生活熱水需要，系統自動判別有效熱能，及時得到并轉換到室內及熱水箱內，對用戶而言所得即所省。受太陽光照條件和時間的限制，以及所配置的太陽集熱面積大小決定，不能無條件及時提供需要的“無限”熱量，因此太陽能集熱采暖熱水系統滿足采暖及熱水還需要建筑外保溫低熱耗系統幫助。當建筑實際耗熱量與太陽能得熱量匹配時，太陽能就獨立滿足了采暖基本需要，這段時間也就實現了相對其他采暖形式而言的“零能耗”概念。太陽能集熱采暖熱水系統對于采暖期的建筑采暖來說，其作用是一定條件下維持室溫、補充熱量。太陽能集熱面積可依據滿足節能建筑耗熱量指標設計計算，以控制過大的初投資及非采暖期系統過熱。

輔助加熱保障供暖系統：當太陽能得熱量與建筑實際耗熱量供小于求時，為滿足用戶采暖條件的快速輔助保障系統。電加熱保障供暖系統串聯于太陽能采暖熱水系統中，可根據用戶需要決定啟動、停止動作，可根據采暖供水回水溫差自動運行。

低溫熱水地板輻射供暖系統：低溫熱水地板輻射供暖系統散熱面積大，散熱均勻，有很好的蓄熱能力，設計供水溫度50℃，回水溫度40℃，地盤管供水溫度不超過60℃，實際運行時供水溫度30～40℃，回水溫度20～30℃，即可達到良好的供暖效果，地表溫度保持24℃左右，室內溫度保持15～18℃。采暖所需熱量是通過供、回水溫差來攜帶轉換的，不能僅看溫度值。低溫熱水地板輻射供暖系統的這種溫度特性可以使太陽能集熱采暖熱水系統充分發揮效率，減少系統外的無效熱損失，實現最大得熱量。

建筑外保溫低熱耗系統：有效隔絕建筑內部能量與外部能量的相互傳遞，使建筑內部空間有效保溫隔熱，最大程度地減少建筑在采暖期向外部環境散失的熱量。本建筑按節能50%住宅估計，單位面積建筑耗熱量指標應不超過20.6W/m2，本項目太陽能集熱面積的得熱量依據單位面積建筑耗熱量計算，考慮投資經濟性及屋面可利用面積，實際集熱面積按負偏差記取。由此可見單位面積建筑實際耗熱量對太陽能采暖系統效用體現非常關鍵。

免費生活熱水供給系統：太陽能全年全天候提供用戶生活熱水的承壓供給系統。為了方便用戶使用，系統采用承壓換熱即熱供水方式，等于為每戶配置了一套大容量分體承壓太陽熱水系統，可以免費保障用戶全年正常熱水使用。用戶在使用太陽能熱水時無需擔心上水、熱水壓力不足、屋頂炸管跑水、集熱管結水垢、冬季熱水器防凍等問題。

由于太陽能集熱面積計算按冬季采暖需求考慮，因此夏季必然出現系統過熱狀況。本項目太陽能集熱系統采用開式系統設計，可以避免閉式系統由于過熱而導致系統過壓損壞。系統熱水箱及地暖供水通過控制系統防高溫過熱溫度設置功能避免供水超溫。對于采用真空管集熱器的系統，包括全玻璃真空管集熱器和金屬－玻璃真空管集熱器，在非采暖期可采用被動遮蓋方式避免系統過熱。對于采用平板集熱器的系統，在非采暖期可以采用被動空曬方式避免系統過熱。