一種利用光熱技術的供熱系統＊

趙金秀，田克沖，付梓峰，呂 喜，劉天雨，鄭紀龍

（唐山學院土木工程學院，河北 唐山 063000）

為了促使全球生態發展和構建人類命運共同體，在第75 屆聯合國大會上，國家主席習近平鄭重表示中國力爭2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和。“雙碳目標”的直接指向是改變能源結構，即改變以往主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風力、光伏和水電轉換[1]。北方農宅建筑中占比較高的燃煤取暖爐、天然氣壁掛爐等傳統供熱形式將逐漸被取締，按照國家政策要求，要加快農村地區能源使用改革，推進清潔可再生能源的利用，加快發展清潔供暖技術，可再生能源從補充能源變為主體能源[2]。所以探索適宜的清潔供熱技術和系統，已成為國家和各地政府以及相關領域技術人員亟需解決的問題。太陽能是一種可再生的清潔能源[3]，具有取之不竭、安全環保的優勢，正逐步替代傳統能源成為未來的主要新能源。

目前，農村對太陽能的應用主要是熱水，部分地區發展了太陽能供暖，但調查發現，農宅用戶的太陽能供暖和太陽能熱水器是2 個獨立的系統，太陽能供暖系統只在一年的冬季被使用，其余季節閑置；北方冬季氣溫較低時，太陽能集熱器集熱管內如果發生水凍結則會損壞集熱器，出現漏水問題，也存在一些如集熱系統集熱效率低以及夜間無法有效供暖等問題。基于以上問題，本研究提出一種利用光熱技術的供熱系統。

1 系統的組成及工作原理

1.1 系統組成

一種利用光熱技術的供熱系統主要由太陽能集熱循環環路、供暖循環環路、生活熱水供應管路和輔助電加熱器等組成，如圖1 所示。

太陽能集熱循環環路包括吸收太陽輻射熱的槽式拋物面集熱板和安裝在其上的集熱真空管、導熱油循環泵、設置在雙層保溫水箱下部的油-水換熱盤管、油管道及閥門等；供暖循環環路包括農宅房間內的供暖末端散熱器或地暖盤管、雙層保溫換熱水箱、供暖循環泵、供回水管道及閥門等；生活熱水供應管路包括用水龍頭、設在雙層保溫水箱上部的水-水換熱盤管、冷熱水管道及閥門等；輔助電加熱器為設置在雙層保溫水箱底部的電加熱棒。

圖1 一種利用光熱技術的供熱系統原理圖

1.2 系統工作原理

槽式拋物面集熱板設有自動追日控制裝置，保證集熱板始終垂直追蹤太陽光，把太陽光聚焦成一條焦線，利用太陽能對真空管內的導熱油進行加熱，吸熱的高溫導熱油通過導熱油循環泵沿著油管道被輸送至雙層保溫水箱內的油-水換熱盤管，通過油-水換熱盤管將熱量傳遞給保溫水箱內供暖循環水，降溫后再沿著油管道進入集熱真空管，繼續通過槽式拋物面集熱板吸收太陽輻射能，然后繼續循環，從而將太陽輻射能傳遞給保溫水箱內的水。被油-水換熱盤管加熱升溫后保溫水箱內的供暖循環水，由供暖循環泵提升動力，通過供暖供水管道輸送至農宅建筑室內的散熱器或地熱盤管，通過散熱器或地熱盤管對室內散熱，降溫后的供暖循環水通過供暖回水管道回到保溫水箱繼續被加熱，形成循環，從而實現供暖目的。常溫自來水通過冷水管道進入保溫水箱內的水-水換熱盤管，吸收供暖循環水的熱量，變成熱水后通過熱水管道輸送至用水龍頭，從而供應生活熱水。

當太陽能集熱量不能滿足用熱要求時，用輔助電加熱器加熱保溫水箱內的水，滿足供暖和生活熱水需求。

2 系統的運行及控制

利用光熱技術的供熱系統可為農宅建筑供暖并提供生活用熱水，為保證系統安全可靠運行設置了一套自動控制裝置。通過設置在系統相應環路、管路上的溫度傳感器和控制開關實現自動控制系統，如圖2所示。

圖2 系統溫度檢測及控制圖

2.1 集熱循環環路的運行及控制

導熱油通過真空管吸收太陽能熱量，由導熱油泵強制循環，通過油-水換熱器加熱水箱內的循環水。當太陽光強度較大時，為避免水箱水溫超過100 ℃造成蒸發和供熱量過多從而使室溫過高，設定保溫水箱上的溫度傳感器檢測到水箱內循環水的溫度等于100 ℃時，控制系統會關閉導熱油泵和控制閥門，停止集熱循環運行；陰雨天或夜晚時，導熱油管路上溫度傳感器檢測到進出環路上的導熱油溫差等于0.2 ℃時，說明集熱量很小，控制系統會關閉導熱油泵和閥門，避免水箱內循環水的熱量被導熱油帶走；當溫度傳感器檢測到水箱內循環水的溫度小于100 ℃，且檢測到導熱油管路進出環路上的導熱油溫差大于0.2 ℃時，集熱系統正常運行。

2.2 供暖循環環路運行及控制

保溫水箱上供暖供水管的溫度傳感器檢測到供水溫度在35～60 ℃之間時，供暖循環水由循環泵通過供水管輸送至室內散熱末端，釋放熱量后通過供暖回水管回到保溫水箱；當檢測到供水溫度大于60 ℃時，通過三通調節閥增加回水流量使流向散熱末端的水溫保持在60 ℃以內；當檢測到供水溫度小于35 ℃時，控制系統啟動電加熱器加熱水箱內循環水，直至供水溫度為35 ℃以上。

2.3 生活熱水供應管路運行及控制

自來水通過冷水管道進入水-水換熱器，吸收熱量后通過熱水管道輸送至用水點，當熱水管路上的溫度傳感器檢測到水溫小于42 ℃時，控制系統也會啟動電加熱器加熱水箱內的循環水。

整個供熱系統啟動順序為：先開啟集熱循環環路，當檢測到供暖供水溫度滿足要求后，啟動供暖循環環路。

系統優先保證原則：考慮到北方農村生活習慣和經濟要求，冬季為供暖季，系統優先保證供暖循環環路穩定運行，以滿足農宅建筑供暖需求，因此由供暖循環環路上的溫度檢測裝置控制集熱系統和電加熱系統的啟停。當供暖循環環路滿足要求，而生活熱水溫度不滿足要求時，系統默認設定程序不自動開啟電加熱器。此時若農宅要求使用熱水，可人為開啟電加熱器。非供暖季節供暖循環環路處于關閉狀態，此時由生活熱水供應管路上溫度檢測裝置控制集熱系統和電加熱器的啟停，滿足人們對生活熱水的需求。

3 系統效益分析

以100 m2的唐山地區某農宅建筑為例，根據《實用供熱空調設計手冊》，供暖參數設定如下：建筑室內冬季供暖設計溫度取18 ℃，唐山冬季供暖室外計算溫度為-9 ℃，該農宅建筑供暖面積約60 m2，面積熱指標取65 W/m2，由此計算出供暖設計熱負荷約為3.9 kW。

根據《建筑給水排水設計規范》得出熱水供應參數的選取如下：熱水用水定額取每人每天60 L，按照1 戶3 口人計算，熱水用水溫度取55 ℃，唐山地區冷水平均溫度取10 ℃，根據農村生活習慣，取熱水使用小時數為6 h。由此計算得到熱水設計耗熱量約為1.6 kW，因此該農宅供暖和熱水供應的總供熱量為5.5 kW。

唐山地區位于東經118°12′，北緯39°37′，屬于暖溫帶半濕潤季風大陸性氣候特征，全年日照2 600～2 900 h，太陽輻射年均值為4 960～5 200 MJ/m2[4]。

根據槽式拋物面集熱器的單塊集熱效果，經理論分析計算，采用8 塊串聯組裝在農宅屋頂；系統采用容積為1.2 m3的雙層保溫水箱，也設置在屋頂；水箱底部設置功率為4 kW 的輔助電加熱器；采用功率為100 W 的導熱油循環泵和供暖循環泵。

不考慮國家能源補貼，晚間利用低谷電價（當地夜間電價為0.32 元/（kW·h），白天電價為0.52 元/（kW·h））的情況下，根據農宅用戶用熱需求和生活習慣，系統1 d 按照20 h 運行，白天太陽能集熱系統運行8 h，集熱停止后保溫水箱有效保溫約達4 h，夜間電輔助加熱器運行8 h。根據當地供暖情況和氣象條件，供暖期為120 d，陰雨天氣取20 d；非供暖期，白天太陽能集熱系統運行6 h 可滿足用熱水要求，夜間不用開啟輔助電加熱器，非采暖期為240 d，陰雨天取40 d。

供暖期供熱系統運行費用計算如下：集熱運行費用為0.1 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×100 d=41.6 元，電加熱器陰雨天運行費用為4 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×20 d=332.8 元，電加熱器夜間運行費用為4 kW×8 h×0.32 元/（kW·h）×120 d=1 228.8 元。

非供暖期供熱系統運行費用計算如下：集熱運行費用為0.1 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×240 d=74.9元，電加熱器陰雨天運行費用為4 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×40 d=499.2 元。

因此，系統運行一年的費用為41.6+332.8+1 228.8+74.9+499.2=2 167.3 元。

若用戶燃煤供暖，一個用戶供暖期用煤約2 t，按照2020 年煤價1 100 元/t 計算，供暖費用約2 200 元。該供熱系統與燃煤供暖相比費用相當。但該供熱系統能夠提供農宅全年的生活熱水，一套系統同時滿足農宅的供暖和生活熱水供應，所以同樣的費用下功能增加了。該供熱系統供暖采用清潔能源，沒有燃煤供暖造成的顆粒及氣體污染物，室內空氣質量好；同時相比燃煤產生的CO2，減少了對環境的污染，所以該供熱系統節能環保效益較好。

4 本供熱系統區別與普通太陽能供熱系統的特點

4.1 自動追日可旋轉槽式太陽能集熱板

普通太陽能集熱器為固定式集熱板/管，本供熱系統集熱器采用的是帶有自動追日功能可旋轉槽式太陽能集熱板，保證陽光垂直直射集熱板，高效收集太陽熱量。

4.2 導熱介質導熱油

普通太陽能集熱系統的集熱介質為自來水，本供熱系統的集熱真空管內采用導熱油作為吸熱介質，熱穩定性好，吸熱后溫度可以達到100 ℃以上，具有高效吸熱、儲熱、換熱性能，冬天無凍結問題。

4.3 節約礦物能源，可滿足供暖和生活熱水需求，效益好

普通農宅燃煤供暖和生活熱水是分設太陽能熱水器系統和燃煤供暖2 套系統，不僅占用空間，且供暖系統只在冬季被使用，系統利用率低，燃煤消耗礦物能源，污染大，室內環境差。本供熱系統可同時滿足供暖和生活熱水需求，系統利用率高，污染少。

5 結論

一種利用光熱技術的供熱系統配置了槽式拋物面集熱器了利用集熱油循環集熱，實現農宅建筑供暖和熱水供應，系統運行控制安全可靠，具有節能和環保效益，值得在農宅建筑中推廣應用。