高寒地區以太陽能利用為主的供暖系統設計探討

2017-06-01 12:24:20鄒秋生徐永軍

制冷與空調 2017年2期

關鍵詞：系統

鄒秋生徐永軍王曦

鄒秋生徐永軍王曦

（四川省建筑設計研究院成都 610000）

分析了四川高寒地區供暖現狀，介紹了該區域以太陽能利用為主的供暖系統設計方法。討論了蓄熱水箱體積對太陽能實際利用率的影響，并分析了風冷熱泵在高海拔地區的適應性；以實際工程為例，介紹了在當地進行供暖設計時系統的防凍等安全措施實施方法以及以最大化利用太陽能為目標的運行控制策略。

高寒地區；太陽能供暖；控制策略；防凍

0 引言

川西大部分位于高海拔、寒冷（或嚴寒）地區（以下簡稱高寒地區），個別地方冬季室外極端最低可達到-30℃以下，居民生活條件十分艱苦。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736的規定，該區域均應設置供暖設施。然而由于經濟基礎較差，川西高寒地區基本沒有成規模的供暖系統，當地居民采用的柴火、牛糞取暖方式對當地環境造成較大破壞。隨著經濟發展和人們生活水平的提高，居民生活供暖需求越來越大，該區域陸續出現的一些供暖系統由于沒有結合當地資源、經濟、文化情況，均出現一定的問題。

圖1 阿壩州某城市的集中供暖鍋爐房

圖1為阿壩州某城市的集中供暖鍋爐房，采用燃煤鍋爐。由于設計時沒有考慮當地煤炭（褐煤）無法滿足該燃煤鍋爐使用的情況，該系統只能依靠長途汽車從山西、陜西運來燃煤，大大增加了運行費用。

圖2為阿壩另一城市的城市液化氣站，建立該站的目的是為了解決當地居民生活及供暖用氣。采用槽車從甘肅運來的液化氣經本站氣化后，通過城市管道供給居民。長途運輸加上運營成本導致液化氣價格昂貴，當地居民無法承擔液化氣供暖費用。

圖2 阿壩州某城市液化氣站

圖3為甘孜州某機場供暖系統，為利用當地豐富的太陽能資源，本系統采用了平板型太陽能集熱器供暖，并設置了電鍋爐作為輔助熱源。實際調研發現，由于自控系統并未落實，采用手動控制過于復雜，加上系統未處理好防凍、防過熱超壓等問題，該太陽能供熱系統并未正常運行，平時基本依靠電鍋爐供暖，輔助熱源成為主要的供暖熱源，實際并未實現利用可再生能源的初衷。

圖3 甘孜州某機場太陽能供暖系統

從以上案例可以看出，高寒地區供暖系統如果不能充分利用當地資源情況、工程實施不考慮系統實際運行所需安全措施、不顧及當地實際操作能力設置過于復雜的系統切換控制要求，都會使系統實際運行情況偏離設計初衷。如何根據當地實際情況和資源稟賦，保證工作生活條件情況下，使供暖系統較少消耗化石能源，保護生態環境，成了一個重要的課題。

1 太陽能供暖系統組成形式

川西大部分地區太陽能資源豐富，充分利用太陽能供暖，能減少當地對化石能源的使用和對外界能源的依賴，在降低運行費用的同時，起到保護環境、節能減排的目的。在川西高寒地區，以太陽能為主的供暖系統應得到推廣。

太陽能具有能量密度低、產能不連續的特點，極易受到時間、氣候、地形等條件影響。為滿足末端連續的供暖負荷需求，供暖系統除了集熱系統、用戶側供暖末端以外，還應配置換熱系統、蓄熱系統、輔助熱源及散熱系統（如圖4）。

圖4 太陽能供暖系統圖

根據集熱系統、輔助熱源與用戶側的關系，供暖系統可分為輔助熱源直接接入水箱、輔助熱源與集熱系統并聯接入末端、輔助熱源與集熱系統串聯接入末端等方式。根據各系統的形式，設計應采用不同的運行策略配合運行，優化供暖模式，最大化利用太陽能。

2 太陽能供暖系統（高寒地區）設計要點

2.1 負荷計算

計算太陽能供暖系統的熱負荷時，集熱器及輔助熱源熱設備負荷應分別計算。采用動態負荷計算法可以為太陽能集熱器面積確定、蓄熱水箱容積選取、供暖系統優化控制策略提供依據。輔助熱源設備的熱負荷可按穩態負荷計算，計算時可適當降低室內計算溫度，具體計算方法可參見《四川省高寒地區民用建筑供暖通風設計標準》（DBJ51