某工業園區太陽能供暖系統設計

朱政宣 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司

玉門某工業園區位于玉門東鎮，經初步的系統分析和經濟模擬，玉門某工業園區實施太陽能供暖的投資成本，總體可以與當前河北、北京等地盛行的“煤改電” “煤改氣”持平，甚至更有優勢，在現行的清潔能源供暖政策范圍內即可承受，并達到更為舒適安全的運行效果。

1 背景與意義

目前，玉門某工業園區和公共租賃房的供暖面積共計25000 ㎡，根據2018 ～2019 年供暖電費統計，共計耗電2201515kWh，供暖費用共計939343.4 元。通過統計2018～2019 年, 玉門某工業園區供暖季平均供暖費用為37.57 元/m2，高于目前市場統一的供暖費用。

玉門某工業園區所在地區是我國太陽能資源最豐富地區（一類地區），比我國太陽能應用最好的太陽能大省——山東省的太陽能輻射高很多，太陽能供暖的基礎條件很好。該項目位于玉門某工業園區北側，辦公及公租房具有集中管網，用熱住戶集中，項目采用規模化清潔供暖，集熱技術上構成集熱工作溫度從80 ～250℃多類系列化集熱器；蓄熱技術上對應不同運行溫度，發展了從顯相蓄熱-相變蓄熱-“固態+相變復合蓄熱”等多種蓄熱技術。運行控制方面，基于先進的能源物聯網技術，開發了基于遠程控制、遠程監視并且可以遠程診斷故障的可視化物聯網控制技術，為整個大規模社區級采暖系統的推廣打下了堅實基礎。

2 太陽能供暖項目設計

2.1 設計概述

玉門屬大陸性中溫帶干旱氣候，降水少，蒸發大，日照長，年平均氣溫6.9℃。1 月最冷，極端最低溫度可達零下28.7℃；極端最高溫度達36.7℃。年日照時數3166.3h，年平均降水量為63.3mm，年平均風速為4.2m/s。綜合該地區的氣象資料，需要注意的是，當地是大風和風沙較多的一個地區。從時間分布上看，影響玉門市的大風主要分布在春、秋季，占全年大風曰數的80%以上，夏季常是與強雷陣雨相伴隨的短時大風 ，需要在集熱器周邊布置相關防風裝置。項目所在地周圍（500m 以內）無空氣源排污工廠，各季節上游風口（5km 內）無空氣源排污工廠。建筑物周圍（500m 以內）無大面積水源，夏季水蒸氣干擾極小。設備安裝地點，光照方向無高層建筑物及高株植物等可能產生遮擋的物體。房屋為按照新建筑標準建設，節能效果較好，單位面積供暖熱負荷較低。

2.2 主要參數

2.2.1 系統選型

本項目系統設計將結合玉門當地部分閑置太陽能系統進行整合(見表1)，并按照國際最新最先進的太陽能采暖設計理念進行總體規劃，從而在大幅度降低初始投入的基礎上，盤活閑置設備，最大限度地提高清潔供暖的太陽能保證率。

表1 閑置集熱器面積統計

2.2.2 系統設計

經過對3 種集熱器的充分論證，對已經考察上述3 類集熱器的特性進行經濟可行性，為了節約投資成本，本次設計方案充分盤活已有集熱器鏡場。3 部分鏡場分別獨立運行，將熱量存入季節性蓄熱水池，通過大數據的監控智能分析，跨季節的熱量調度，輔助以專業化的運行維護方法，從而保證太陽能采暖系統高保證率，供熱端無故障的運營。

2.2.3 集熱面積和熱負荷核算

設定平均地表水溫為5℃；日均輻照總量取18MJ；集熱器全天集熱效率； RP 型槽，80℃時效率η1=0.50；歐洲5.77m 槽，80℃時效率η1=0.60； cpc 集熱器，80℃時效率η1=0.38；管道及蓄熱池熱損失率ηL為0.2；設計太陽能保證率f 為1。根據本方案的計算，盤活現有集熱器后，需要在12 月、1 月、2 月份進行輔助能源補充，預計需要增加66 萬kWh 的輔助能源進行供熱平衡(見表2)。

表2 設計太陽能集熱供熱平衡表

2.2.4 大冗余儲熱池

根據上述計算，儲熱水箱需要根據總的集熱面積，滿足白天集熱采暖消耗剩余熱量存儲要求，由于地板采暖的供熱溫度不宜高于60℃。因此，本方案設計中建議蓄熱水體的溫度上限溫度不超過85℃，下限溫度45℃計算，大規模的蓄熱水體可以實現跨月、甚至跨季蓄熱，通過增大總的蓄熱體體積達到13000T時，其蓄熱能量超過60 萬kWh，基本滿足整個采暖季用能需求，不需要輔助能源補充。

2.2.5 輔助能源系統

通常情況下，太陽能系統已經能夠保證全季的供暖需求，輔助能源系統是應付極端天氣（長時間的陰天、暴雪天等）配備的子系統。本輔助系統采用園區已有的電鍋爐進行補充，在逐步增大蓄熱體體積的情況下，其也可以作為用于應對緊急備用，維修備用，極端天氣等突發性事件的備用手段。

2.3 經濟、社會效益

根據計算，經過2 年的運行，兩者的總投入就基本接近，第3 年以后，太陽能供暖的經濟性即超過“煤改電”的總成本，且太陽能供暖的供暖周期可以任意延長，而運行費用不會明顯增加，這是“煤改電”“煤改氣”所不及的。該產業落地玉門以后，一方面，能夠迅速在示范效應的帶動下，以玉門為中心快速擴張，形成10 億級別以上的產業發展集群，快速成為玉門發展的新經濟名片，同時形成良好的社會和環保效應。另一方面，太陽能供暖系統與“煤改電”“煤改氣”的應用條件有區別，它要求太陽能資源較好且占地較大，在我國以酒泉為代表的西北地區，土地面積充裕，且大部分建筑都為2 ～6 層，因此可以充分利用屋頂節省空間，大幅縮減土地占用，如工業園、中小學校等，最大可以縮減90%的占地。

3 結語

玉門某園區太陽能供暖項目作為甘肅省集中式太陽能供暖工程的 “排頭兵”，對于改進玉門市乃至酒泉市的清潔能源供暖狀況，促進新產業跨越式發展起到重要的促進作用。在發展太陽能供暖的同時，玉門還可積極引入和實踐國際先進的其他技術與業務模式。例如，運用夏季太陽能（占全年的65%）向城市賓館、洗浴等售熱水的業務，提高資源的綜合利用率和項目的收益。從中長遠目標看，太陽能供暖項目的投資回報期將縮短至5 年以內，成為能源投資領域的優質項目，并最終實現不依賴政府補貼實現商業化的目標，這在甘肅地區將是一個新能源經濟清潔發展的嶄新篇章。