蒙古國太陽能采暖的可行性研究

■ 竇建清 李延柱 龔耀光 劉姚

一 前言

在我國華北地區采用太陽能輔助采暖已有多年的實踐經驗，但在我國東北地區及蒙古國等高寒地區采用太陽能輔助采暖是否可行尚需驗證。作者通過在蒙古國烏蘭巴托市的3個太陽能采暖項目驗證了太陽能采暖的可行性，同時也驗證了普通暖氣散熱片同樣適應于太陽能采暖，并闡述了太陽能采暖集熱器集熱面積的合理選擇及儲熱水箱最佳容積的計算方法。

二 工程介紹

1 工程系統組成和工作原理

該采暖工程共有3個采暖系統組成，分別是位于蒙古國烏蘭巴托市郊區的6m直徑的蒙古包和木質平房，以及離烏蘭巴托100kmHUSTA地區的2層木質辦公室。采暖工作原理圖分別為圖1、2、3。集熱器和水箱之間采用溫差循環控制方式，集熱系統采用全玻璃熱管式集熱器，通過內置式換熱器或外置式換熱器(辦公室采暖系統)和儲熱水箱間換熱；水箱采用開式非承壓帶內置翅片換熱器水箱；末端散熱器分別是PEX盤管散熱器和金屬暖氣片，輔助能源都是內置電加熱。詳細配置數據見表1。

表1 太陽能輔助采暖系統具體設計參數表

烏蘭巴托市位于蒙古高原中部，肯特山南端，鄂爾渾河支流圖拉河畔，海拔1351m，北緯48?，地處內陸，屬典型大陸性氣候，光照充足，紫外線較強，早晚溫差大，冬季最低氣溫達-40℃，夏季最高氣溫達35℃，年平均氣溫-2.9℃。供暖時間為當年9月15日到次年5月15日，長達8個月240多天。

當集熱器內工質溫度比水箱溫度高7℃時集熱循環泵開始工作，當水箱溫度接近集熱器溫度時集熱循環泵停止工作；當水箱溫度低于下限溫度時啟動輔助能源，當水箱溫度達到50℃時停止輔助能源。

這3套采暖系統水箱內部都有用來提供生活熱水的翅片式換熱器，在采暖的同時用來提供生活熱水。翅片換熱器的換熱面積為7m2，當水箱溫度達到55℃換熱功率達到15kW，每分鐘可提供溫升30℃熱水7L，可以滿足洗浴要求。圖4、5、6分別為蒙古包、木質平房和辦公室安裝太陽能集熱器后的照片。

圖4 蒙古包安裝集熱器效果

圖5 木質平房坡屋頂安裝集熱器效果

圖6 二層帶地下室辦公室安裝太陽能集熱器效果

2 設計計算數據

根據建筑物的維護結構情況及甲方提供的數據，計算出3種建筑物的太陽能采暖數據如表2所示。表格中設計太陽能保障率指全部采暖能量都由太陽能集熱系統提供；計算集熱面積指計算出的集熱器輪廓集熱面積；集熱和采暖效率指太陽輻射能量轉化成室內采暖能量的效率，是集熱系統和管路系統的綜合效率。

表2 3種建筑物設計計算數據表

冬季太陽能獲得的能量不足夠用來采暖，如果再用來洗浴，采暖的保證率就更低，因此采暖系統做兩個水箱是不合理的。本設計只考慮一個水箱，通過換熱來提供生活熱水，因為夏天不采取保護措施水箱總有過熱現象。設計水箱中水的上限溫度比當地水的沸點低20℃，水的下限溫度比室內溫度高20℃。為簡化計算，白天8h的采暖熱量按總熱量的1/4考慮。

3 散熱器面積選擇

每種散熱器在出廠時都有標準散熱量(名義散熱量)，標準散熱量是指供暖散熱器按我國國家標準(GB/T13754-1992)在封閉小室內按規定條件所測得的散熱量，單位W。它規定熱媒為熱水，進水溫度95℃，出水溫度是70℃，平均溫度為(95+70)/2=82.5℃，室溫18℃，計算溫差△T=82.5℃-18℃＝64.5℃。這是散熱器的主要技術參數，散熱器廠家在出廠或售貨時所標稱的散熱量一般都指標準散熱量。

太陽能采暖工程要對標準散熱量進行工程處理，太陽能采暖的供回水溫度和國標規定的密閉小室的實驗條件不可能相同，室內溫度也不一定為18℃，這時散熱器的散熱量為工程上實際散熱量，數值肯定與標準散熱量不同。因此必須按照工程實際情況進行換算。

三 實際運行情況

烏蘭巴托的平房及蒙古包在太陽能和輔助電加熱的聯合作用下室內溫度都能達到設定的18℃，能滿足用戶的使用要求。

我們在平房采暖系統中記錄了太陽輻照強度、累計輻照量、環境溫度、水箱溫度、集熱器溫度、室內溫度等。系統防凍性能良好。從測控系統得到的數據曲線可看出，白天環境溫度在-15℃時系統運行正常，而當夜晚環境溫度降至-26℃，第二天集熱器還能正常工作，如圖7所示。

圖8是2012年1月7～18日期間水箱溫度、集熱器溫度、室內溫度、環境溫度、太陽輻照量歷史曲線，可看出室內溫度穩定在設定室內溫度上下限范圍內。

如果設定溫度區間較小，則室內溫度變化頻率大，說明供暖泵啟動頻繁。因此為延長供暖泵的壽命，應把室內溫度區間盡量設定的寬一些，一般設定為2℃比較合適。根據1月7～18日的運行情況可斷定，采暖的熱負荷遠大于甲方提供的35W/m2，據測算，平房和蒙古包的實際熱負荷應為65W/m2；辦公室的熱負荷約為45W/m2，設計時100%的太陽能保證率不能保證，要靠輔助能源補充。

根據現場測試，烏蘭巴托地區在45?平面上的日最大輻照量為11MJ，一般天氣在9MJ左右。HUSTA地區日太陽輻照量可達18MJ，由于該地區的辦公室夜間不住人，夜晚無需保持18℃溫度，故可以不使用輔助能源只靠太陽能采暖，其保證率還可以認為是100%。而蒙古包和平房則需要靠輔助能源來補充。

四 總結

太陽能輔助采暖系統在高寒地區是可以推廣應用的。通過2012年1～5月及2012年11月～2013年5月的運行可證明，只要集熱系統施工質量有保證，循環系統中灌裝的工質預充壓力保持合理數值，夏季有過熱保護措施，系統是可以全天候運行的。

在太陽能采暖中使用暖氣片做散熱器是可行的。通過2個采暖季的運行，證明在高寒地區用暖氣片作為太陽能采暖的末端散熱系統是完全可行的，這為在已安裝暖氣片的既有建筑上推廣太陽能采暖提供了方便和經驗支持。只是在做低溫太陽能采暖時要校核暖氣片的散熱能力，合理選擇散熱片的片數(面積)。

儲熱水箱容積的合理選擇。儲熱水箱用來儲存白天未用完的太陽能量，理論上如果太陽能只滿足白天采暖負荷，可無需儲熱水箱。只有安裝太陽能集熱器面積較多，滿足白天的采暖需求后還有富余熱量需保存的系統才需儲熱水箱，為了系統工作平穩且保證非采暖季使用生活熱水，需要綜合考慮儲熱水箱的容積。通過實驗發現影響水箱容積的主要因素是非采暖季生活用水需求，而不是用來防止夏季過熱，而且水箱容積增大后其水容量大，冬季采暖時白天水箱溫升很小，不利于提高采暖效率。實際設計時應按本文表1提供的公式選擇水箱容積。