針對既有農宅的太陽能熱水采暖系統的應用研究

中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用及光伏系統重點實驗室　■ 楊銘鄧杰

針對既有農宅的太陽能熱水采暖系統的應用研究

中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用及光伏系統重點實驗室■ 楊銘*鄧杰

通過對改造既有農宅的太陽能熱水采暖系統進行設計、建設及監測，了解太陽能熱水采暖系統在實際應用中的采暖效果，并針對既有農宅使用該清潔能源采暖提出一些建議。

太陽能熱水采暖；改造既有農宅；節能減排

0　引言

在我國北方大部分郊區縣和農村地區，中小型燃煤采暖鍋爐使用普遍，雖然其污染源規模小但數量多，通過大氣環流作用，對當地環境造成極大污染，是造成霧霾的重要原因之一。太陽能熱水采暖系統使用太陽能作為采暖熱源之一，能在一定程度上替代不清潔能源的使用，對我國整體環境質量的改善起到積極作用。

1　戶用太陽能熱水采暖系統發展現狀

1.1發展概況

霧霾已給我國人民的生活和健康帶來了嚴重影響[1]。究其原因，建筑冬季燃煤供暖產生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、可吸入性顆粒物等污染排放，對大氣環境的影響極大[2]。由于對環境質量改善的重視，部分城市開始推動煤炭等傳統化石能源的清潔化利用，例如采用天然氣、電等逐步替代燃煤采暖。但在北方大部分中小城鎮和農村地區，中小型燃煤采暖鍋爐的使用仍然極為普遍。由于燃煤鍋爐的自身特點，其燃燒效率低、污染排放強度大，極大地惡化了當地的環境質量。因此，若要徹底解決冬季采暖造成的環境污染，尤其是大氣污染問題，需要大力發展太陽能、風能、生物質能源等可再生能源清潔利用，從源頭上減少污染源的排放量。我國北方中小城鎮地區建筑體形系數大、建筑密度低、太陽能資源較好，如果能夠充分利用太陽能解決建筑供暖問題，將為北方地區乃至全國的建筑節能減排和可持續發展做出實質性貢獻[3]。

近幾年，我國政府已經意識到能源結構調整與環境保護的重要性，制定了諸如《節能中長期專項規劃》《中華人民共和國可再生能源法》《可再生能源中長期發展規劃》等支持政策，以加快太陽能采暖的規模化利用[4]。在技術推進方面，“十一五”期間，科技部部署了諸如“可再生能源與建筑集成技術研究與示范”“太陽能富集地區超低采暖能耗居住建筑設計研究”“村鎮小康住宅關鍵技術研究與示范”等一系列科技項目，重點突破了太陽能熱水采暖系統中的集成優化技術問題。國家建設部于2009年頒布了工程建設標準GB 50495-2009《太陽能供熱采暖工程技術規范》[5]，對規范太陽能熱水采暖工程的設計、施工和驗收等方面起到積極推動的作用[3]。經過近幾年的發展，鄉村單體居住建筑的太陽能熱水采暖系統補貼性示范工程進展迅速，尤其是在北京平谷、懷柔等郊區縣，已經建立了數千戶的示范工程，其中包括平谷區將軍關、玻璃臺、掛甲峪等地區針對新建農宅的村級示范[3]，也包括房山、昌平、延慶等地區針對既有農宅的單戶改造示范。

1.2技術原理

戶用太陽能熱水采暖系統一般由以下幾部分構成：

1)太陽能集熱系統：由集熱器、太陽能集熱循環水泵等組成，其作用是通過太陽能集熱器最大限度地收集太陽能量。

2)儲熱系統：太陽能集熱量的儲存；多數采暖示范工程采用熱水作為存貯介質。

3)輔助能源保障系統：可由各種類型的可控、穩定的常規能源組成，作為太陽能集熱系統的補充，在連續雨雪天氣或有其他特殊供暖需求而太陽能集熱系統無法保障時，啟動輔助能源系統，以滿足建筑物的供熱需求。一般采用燃煤爐、熱泵、電鍋爐、生物質采暖爐等。

4)采暖末端系統：在太陽能供熱采暖系統中，采暖末端有水-空氣處理設備(如風機盤管系統)、低溫熱水輻射系統等。對于改造農宅，一般也采用原有供熱末端，多以散熱器為主。

5)生活熱水供應系統：太陽能采暖熱水系統除滿足采暖季的采暖負荷外，還可以向建筑物提供全年的生活用熱水[6]。

根據太陽能集熱器形式，可分為真空管集熱采暖系統和平板集熱采暖系統；根據集熱、儲熱系統連接方式，可分為閉式系統(見圖1)和開式系統(見圖2)[7]。由于開式系統減少了集熱器與水箱之間的換熱器，使其初投資相對較低，但由于開式系統內的水位變化，需要謹防由于系統運行過程中水位過低造成的水泵異響等問題。

無論開式與閉式系統，為了減少用戶的手動操作，提高系統的智能化運作。目前太陽能熱水采暖系統運行基本采用自動控制系統，運行控制模式如下：

1)太陽能集熱循環控制。

目前示范工程多采用溫差循環控制，當集熱器輸出溫度與集熱水箱下部溫度的差值介于8～10 ℃時，集熱循環開啟，集熱循環泵啟動；當集熱器輸出溫度與集熱水箱下部溫度的差值≤4 ℃時，集熱循環關閉，集熱循環泵關閉。

2)冬季采暖工況下的輔助熱源加熱循環控制。

當集熱水箱下部溫度小于設定值時，啟動輔助熱源，如若輔助熱源采用空氣源熱泵，則空氣源熱泵加熱循環開啟，熱泵循環泵和空氣源熱泵開啟；當集熱水箱下部溫度大于設定時，輔助熱源加熱循環關閉，如若輔助熱源采用空氣源熱泵，熱泵循環泵和空氣源熱泵關閉。

3)采暖循環控制。

當室內溫度低于采暖目標溫度時，采暖末端給出控制信號，采暖循環泵啟動；當室內溫度達到采暖目標溫度+2 ℃時，采暖循環泵停止。

4)系統防凍循環控制。

目前系統防凍措施有3種方式：管路伴熱帶、集熱系統排空、低速循環。

采用管路伴熱帶時，當太陽能集熱室外管路壁面溫度＆lt;5 ℃時，啟動集熱循環泵(測溫點一般選擇在室外集熱回水管路上的任一點管壁上)，同時啟動伴熱帶；當太陽能集熱管路溫度達到8℃時，停止集熱循環泵，同時關閉伴熱帶。

采用集熱系統排空防凍時，集熱系統中的水順管路排至水箱，當集熱系統不工作時，室外集熱器及管路中一般無水，由此實現防凍，這種排空防凍常用于開式系統。

采用閉式系統時，當太陽能集熱室外管路壁面溫度＆lt;5 ℃時，啟動集熱循環泵(測溫點一般選擇在室外集熱回水管路上的任一點管壁上)，通過水箱與集熱系統之間的低速循環防止水凍結。

5)系統過熱保護循環。

當集熱水箱內溫度＆gt;90 ℃時，集熱循環泵停止，系統處于悶曬狀態。

圖1　開式采暖系統

圖2　閉式采暖系統

1.3系統特點

戶用太陽能熱水采暖系統具有以下特點：

1)系統可控性好，室溫波動小，舒適度好。

采暖系統配置有自控系統，一般無需用戶手動操作，系統使用的便利性較好。此外，系統有短期儲熱水箱及準確的控溫系統，能夠確保較小的室溫波動。在系統正常運轉的條件下，房間日溫度波動可控制在目標室溫的2～5 ℃以內。

2)系統節能減排效果明顯。

根據相關示范工程經驗，為保證系統的經濟性，在我國大部分北方地區，太陽能集熱面積約為采暖面積的1/8～1/6，太陽能采暖保證率為20％～40％，每戶每年約減少燃煤1.5 t，相當于年減排二氧化碳4.2 t、二氧化硫20.8 kg、氮氧化物10.5 kg。

3)系統初投資較高，投資回收期長。

根據目前示范工程的報價來看(主要針對寒冷地區)，系統初投資在400～650元/m2。對于采暖面積在100 m2的農宅來說，開式系統初投資約4～5萬元，閉式系統約6～7萬元。由于初投資成本高于其他常規能源采暖設施，在無政府補貼情況下，很難作為一般農村家庭的首選采暖系統。雖然太陽能熱水采暖系統的運行費用約為常規能源采暖系統的一半，但由于其較高的初投資，在不考慮減排的前提下，其經濟回收期較長，甚至會出現在系統壽命周期內無法回收初投資的現象。

表1　不同采暖系統運行費用比較

2　針對既有農宅的示范工程建設及實際應用效果

不同于新建農宅，既有農宅具有如下特點：

1)既有農宅建筑格局已確定，多數既有農宅沒有專門的設備間，儲熱水箱、補熱系統的擺放位置需要根據建筑格局具體確定。

2)基礎設施不完備，主要體現在水和電方面。多數農宅無自來水系統，系統補水需要一定人工操作；另外，一般農宅家庭用電最大功率為4 kW，如果采用電鍋爐或熱泵機組作為補熱系統，最大耗電功率達到10 kW以上，超出用電最大荷載。

3)屋頂承重荷載較小。一些農宅屋頂為不上人屋面，在屋頂上構架太陽能集熱器，需要確保屋頂承重荷載能夠滿足要求。

4)一般保留原有采暖系統。多數原有采暖系統使用小型燃煤爐或灶，除連接散熱器作為采暖末端外，有可能連接火炕作為采暖末端。在這種情況下，考慮用戶的多樣化需要，有可能需要保留原有采暖系統，使用戶實現隨時切換。如果原有系統采用散熱器作為散熱末端，其太陽能集熱側出水溫度需要達到50～55 ℃。

由于以上原因，針對改造既有農宅的太陽能熱水采暖系統的設計與施工具有更高難度。為了明確太陽能熱水采暖系統在既有農宅中的設計、施工及使用情況，選定在北京市延慶縣建設若干示范工程，下文以其中一戶作為實際案例進行詳細說明。

2.1示范工程概況

示范戶建筑外觀如圖3所示，建筑采暖區域如圖4所示。

圖3　建筑外觀

圖4　建筑圍護結構布局尺寸圖

1)建筑本體概況：建筑面積118 m2，實際采暖面積共96 m2；建筑外墻370 mm(除南墻、屋頂外，其他3面外墻做6 cm厚的EPS保溫)，內墻150 mm；窗戶為雙層塑鋼窗。

2)原有采暖系統概況：小型燃煤鍋爐供暖系統采用一個爐子供6間房(一套系統)，住宅西起第1間和第3間的末端為不銹鋼鍍搪散熱器；其他4間為老式鑄鐵散熱器(供回水支管的軸線距離650 mm)。

3)室溫需求：根據入戶調研情況，冬季室溫設定值為18～24℃。

4)系統一次投資：初投資費用不超過4.39萬元。

2.2采暖系統設計與建設過程

1)太陽能采光面積。

房間設計熱負荷指標取30 W/m2，太陽能輻照度600 W/m2，設計太陽能保證率35％(此數據根據初投資限制選取)；同時考慮屋頂承重問題，采用玻璃熱管集熱器，以降低單位采光面積屋面荷載。根據計算，太陽能采光面積為14.65 m2，共5組太陽能集熱器。

圖5　示范工程中使用的玻璃熱管集熱器

圖6　示范農戶家的太陽能熱水采暖系統

2)水箱容量。

由于本示范工程散熱末端仍采用原有散熱器，水箱出水溫度設定值為50～55℃，供熱回水溫度30 ℃；水箱容量取400 L。由于改造戶沒有專門的設備間，水箱放置于客廳北側(如圖4所示)，水箱盡可能靠墻設置，靠近北墻的空氣源熱泵室外機組。

3)空氣源熱泵輔熱系統容量。

考慮若太陽能無法工作的情況下，空氣源熱泵需滿足所有建筑供暖需求，于是，空氣源熱泵機組容量選擇為5匹。

圖7　空氣源熱泵室外機組

4)系統設計與控制。

太陽能采暖系統與空氣源熱泵系統采用并聯方式。優先使用太陽能供暖系統，當水箱溫度無法滿足50～55 ℃要求時，啟動空氣源熱泵機組加熱水箱，滿足供熱要求。

圖8　基于TRNSYS的系統運行原理圖[8]

系統全部采用自動控制，整個控制系統由太陽能集熱循環、輔助熱源加熱循環、采暖循環、系統防凍循環、過熱保護循環構成，其控制原理如本文1.2節所述。考慮到用戶使用的方便性，開發了簡便的小型控制器與控制箱相連。用戶僅需設定室內溫度和水箱供水溫度即可，無需設定其他運行控制參數，明顯改善了用戶使用的便利性。

圖9　小型控制器(左側微小型控制器，與右側控制箱相連)

示范工程的建設周期約為45天(不含前期準備)。其中，30天用于水、電改造，即改進用戶側電網，提高最大使用容量；增加自來水系統，實現自動補水；15天用于太陽能供熱系統施工和調試，即集熱器屋頂支撐鋼架、熱水器、水箱、熱泵防震地基、熱泵機組等的安裝工作。

2.3采暖效果

2015年采暖季對示范農宅進行入戶測試。根據室外環境測試數據，氣象數據變化如表2所示。冬季太陽能資源條件較好，最大輻照度可以達到1000 W/m2，且晴天較多。

表2　室外溫度與太陽能輻照度

在如表2所示的資源條件下，如圖10所示，在測試期間，房間溫度變化范圍基本維持在13～23 ℃，平均室溫達到18 ℃，能夠滿足用戶對熱舒適度的要求。

根據對太陽能集熱側、空氣源熱泵運行側、末端供熱側的累計熱量及電量監測：1)空氣源熱泵機組耗電量為4.33 MWh(電表測量)；2)空氣源熱泵機組供熱量為6.89 MWh(熱表測量)；3)太陽能供熱量為1.86 MWh(熱表測量)；4)末端循環側供熱量為7.14 MWh(熱表測量)。

圖10　房間溫度變化

根據熱表計量數據來看，太陽能供熱量與空氣源熱泵機組供熱量之和大于末端循環側供熱量，其主要原因在于水箱為開式水箱，蒸發量較大，導致從末端循環側供入末端散熱器內的熱量減少。但由于水箱至于房間內，其蒸發熱量仍散入室內，因而太陽能熱水采暖系統向房間的總供熱量為8.75 MWh，其中太陽能供熱量1.86 MWh，太陽能保證率21％，空氣源熱泵機組運行COP為1.6。

測試期間，用戶電價為0.55元/kWh，即熱泵機組耗電量為2381.5元。根據調研，用戶原有小型燃煤爐初投資2000元，經政府補貼后的型煤價格為330元/t，每年使用約4 t型煤，即燃煤運行費用1320元，初投資與運行費用均低于太陽能熱水采暖系統，使太陽能熱水采暖系統很難成為農村用戶的供暖首選系統。

3　結論與建議

太陽能熱水采暖系統能夠滿足用戶對室內熱舒適度的要求，且通過優化控制系統，可使得系統調節更加便捷，便于用戶使用。但由于既有農宅本身的特點，應用太陽能熱水采暖系統前，必須確保滿足以下條件：

1)建筑保溫實施到位。根據GB/T 50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》中關于圍護結構傳熱限值的規定，確保圍護結構具有良好的保溫性能，從而可以減少太陽能熱水采暖系統配置容量，減少初投資和運行費用，提高系統運行經濟性。

2)電網容量配置到位。目前一般農村家庭配電容量在約4 kW，而采用電驅動輔助熱源(如熱泵、電鍋爐等)的啟動用電負荷達到10 kW以上，因而在實施太陽能熱水采暖系統前，應增加用戶配電容量。

3)自來水入戶。有自動補水功能的采暖系統使用起來更加便捷，但對于沒有自動補水的用戶，需要定期自動補水，且補水水位不容易控制。尤其對于開式系統，用戶一旦出現補水過量，容易造成水箱溢水等問題。

4)有充足的設備放置區域。對于改造的既有農宅，家中本身未設置設備放置區域，水箱、水泵等設備放置區域較為局促，在一定程度上影響施工；同時，水泵運行噪音有時會對用戶造成一定影響。

另外，與原有農宅使用的燃煤系統相比，太陽能熱水采暖系統由于其高昂的初投資和運行費用，不具有經濟性，很難成為用戶的首選采暖系統。因此，為了推進清潔可再生能源采暖系統的規模化使用，建議相關部門通過降低農戶熱水采暖價格和補貼初投資等方式，繼續推進太陽能采暖等可再生能源，限制不清潔能源的使用，從根本上減少冬季霧霾情況。

[1] 吳萍，余文周. 霧霾成因、危害、工種反應及治理對策的探討[J]. 中國公共衛生管理，2014, 6(30): 453-454.

[2] 魏嘉，呂陽, 付柏淋. 我國霧霾成因及防控策略研究[J]. 環境保護科學，2014, (5): 51-56.

[3] 楊銘，王志峰，楊旭東, 等. 我國農村地區太陽能利用方式和原則[J]. 建設科技，2012, (9): 33-35.

[4] 中國太陽能建筑應用發展研究報告課題組. 中國太陽能建筑應用發展研究報告2009[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2009.

[5] GB 50495-2009,太陽能供熱采暖技術工程技術規范[S].

[6] 何梓年. 太陽能熱利用[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2009.

［7］ Duffie J A， Beckman W. Solar engineering of thermal processes [M]. New York: John Wiley＆amp; Sons, 1991.

[8] Duggin C R. A study of combined energy simulations using eQuest and TRNSYS [M]. MI，USA：ProQuest, UMI Dissertation Publishing, 2012.

2015-12-03

中小企業發展專項資金(對歐合作部分)(SQ2013Z0G100002)；廣東引進創新創業團隊項目(2013N070)；北京市科技計劃項目(D141100002714001)

楊銘(1982—)，女，博士、助理研究員，主要從事太陽能建筑采暖、綠色建筑相關方面的研究。yangming717@vip.qq.com