帶輔能的分布式太陽能大平板供熱方案*

董昌偉馮婧恒盧大為劉誠鵬趙斌,

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

2018年，西藏地區的城鎮除了熱電聯產集中供熱外，仍存在大量小鍋爐房供熱，農村冬季供熱則主要以單戶小爐灶燃燒牛糞為主，并沒有實現集中供熱。能源利用效率較低，生態環境被破壞[1]。由于西藏地區生態環境脆弱，能源的清潔利用已備受關注，西藏屬太陽能資源一類地區，并且太陽能供熱已得到初步推廣應用[2]。太陽能作為公認的清潔能源，以其清潔、可持續、來源豐富和用之不竭等優點，逐步成為人類開發利用的重點。加強對太陽能熱利用技術應用和示范對中國西藏地區有深遠意義。但太陽能具有分散性、隨機性、間歇性等不穩定性因素，遇到季節變化或較長時間陰雨天氣時，供熱系統運行不穩定，限制了太陽能熱利用的發展進程[3]。若將太陽能與常規供熱技術集成耦合，研發帶輔能的太陽能分布式供熱系統，優選高效供熱設備，在保證供熱質量的同時保護生態環境。分析表明以多能互補的供熱方式構成西藏地區的供熱熱源，將有效提高綠色公共建筑和居民建筑舒適的生活品質。

1 太陽能供熱現狀

由于可再生能源大多都具有不穩定、不能連續供熱的特點，因此很多學者和研究機構都在探討如何更好地利用可再生能源。而實現多種能源互補分布式供熱，將是解決這一難題的有效途徑之一。能源互補利用主要有太陽能與熱泵、太陽能與生物質能、太陽能與電鍋爐等方法[4,5]。

1.1 太陽能+熱泵

太陽能熱泵是將太陽能集熱技術與熱泵技術有效地結合，太陽能為蒸發器提供主要熱源，把經熱泵技術提升品質后的能源作為輔助熱源。曹文普等[6]初步分析了太陽能復合熱泵的節能效果，得到將太陽能熱泵系統與其他熱泵相結合，既可使熱泵熱源的平均溫度提高，又可有效提高能源利用率。但由于熱泵設備的運維等原因，已投運的藏醫院等供熱系統運行效果不佳。

1.2 太陽能+生物質

生物質固體成型燃料指在一定溫度和壓力作用下，把農林廢棄物經過粉碎后，壓縮成一種可以直接燃燒的固體顆粒燃料，其能流密度與中值煙煤相當，燃燒時CO2零排放，NOX、SO2等排放量遠低于煤。將生物質作為燃料為西藏阿里地區居民提供供熱熱源，已投入運行，但因為成本，不能持續。王澤龍等[7]建立了生物質+太陽能系統經濟分析模型，使用線性規劃對系統設計參數進行優化，適合中小用戶使用；原世杰等[8]從實現優勢互補、易于控制、保證供熱連續性和穩定性的角度，建立了一種太陽能+生物質互補供熱系統，可通過自動控制單元按照設定的控制模式運行。

1.3 太陽能+電鍋爐

電鍋爐是電能轉化為熱能，通過鍋爐形式向外輸送蒸汽、高溫水或有機熱載體。劉新雨[9]對太陽能和電鍋爐聯合供熱系統性能進行了優化設計研究，通過建立各個部件的動態數學模型，使用MATLAB編程軟件模擬分析，得出供熱季運行特性；馮俊芝[10]針對蘭州地區對太陽能熱泵和電鍋爐互補系統進行了分析，探討了太陽能集熱器在不同保證率情況下，互補供熱系統在供熱季各部分的供熱量。此種供熱方式適合供電可靠的地區。

2 太陽能集熱器和輔助熱源

結合拉薩市豐富的太陽能資源優勢，以天然氣作為輔助熱源，實現更好地滿足居民供熱和生活用熱水需求為主要目標，提出了帶輔能的分布式多能互補的無煤化供熱系統方案，探討太陽能熱利用技術和天然氣集成的工藝。

2.1 大平板集熱器

很多地區集熱器通常選用真空管集熱器，此方案雖節省運行成本，保護了環境，但使用的真空管集熱器卻存在著一定弊端，其易碎、易破損，維護成本較高，不易運輸和安裝；同時沒有過熱保護功能，抗凍能力較差，-20℃以下無法正常使用；玻璃管間隙較大，單位有效集熱面積小，得熱量低，需要占用更大的建筑空間。因此，供熱系統選用高效大平板集熱器，見圖1?；境叽鐬?920×2224×130mm，使用防凍傳熱介質集熱，在太陽光的照射下，光能轉化為熱能，進而通過板式換熱器把熱量傳遞給冷水，使冷水溫度逐漸升高。

圖1 高效大平板集熱器

系統選用天普新能源科技有限公司的高效大平板集熱器不僅彌補了真空集熱管的不足，而且與普通小平板集熱器相比，其主要優點有：①與西班牙森索公司合作設計的平板集熱器，采用進口藍膜，吸收比為0.94（國標要求≥0.92），發射率為0.033（國標要求≤0.2）；②采用高透低鐵布紋鋼化玻璃，透光率≥95%；瞬時效率可達0.80，吸熱快，熱效率提高20%以上，熱性能更高；③采用超厚保溫，熱損小，優于國標25%，滿足不同工況下高效集熱需求。熱力持久，空曬溫度可達208℃；④采用本色超高強度鋁合金邊框，耐腐蝕；⑤單塊集熱面積大于12m2，減少了單位面積相對表面積，降低熱損失；⑥系統安全性高：單塊集熱器自成陣列，去除小集熱器之間的連接，密封可靠，安全性能高；⑦吸熱流道一體化設計，焊接少，耐腐蝕，安全性能高。

2.2 輔助熱源

太陽能供熱系統常用輔助熱源包括燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣壁掛爐、電鍋爐、空氣或水源熱泵、生物質鍋爐等。燃煤鍋爐、燃油鍋爐作為傳統的供暖方式，發展時間長、技術水平較高，但對生態環境不利。生物質鍋爐雖可有效降低能耗，減少環境污染，但因發展時間短，設備技術水平相對較低，可調性差等因素，使用相對受限。結合西藏地區的地理位置，資源分布和環境保護等因素，該供熱方案采用燃氣壁掛爐，由于太陽能的能流密度較低，且不便儲存，須轉化為其他形式才可以儲存利用。將燃氣壁掛爐和太陽能集熱技術結合互補應用，能夠緩解天然氣資源不足的缺陷。

3 帶輔能的太陽能分布式供熱系統集成

以西藏自治區能源研究示范中心辦公樓為例，該辦公樓為面北朝南的3層建筑，其供熱面積為570m2，通常只需白天進行供熱。帶輔能的太陽能分布式供熱系統已經在辦公樓應用，并實現了依靠于太陽能為單一熱源的初步供熱。供熱效果較為理想，辦公樓各個房間室溫均能達到設計溫度。

3.1 供熱系統

帶輔能的太陽能分布式供熱系統將太陽能作為主要熱源，燃氣作為輔助熱源，天然氣可在太陽能不滿足需求的情況下為系統提供熱源支持，是太陽能和燃氣的最佳耦合方式。同時，蓄熱水箱既可以克服太陽能的缺點，又可降低常規能源消耗和保護環境。該系統工作原理見圖2。

圖2 帶補燃的太陽能分布式供熱系統簡圖

3.2 多模式分析

帶輔能的太陽能分布式供熱系統可以通過全自動供熱模式和手動供熱模式進行控制。其中，手動供熱模式包含以下四種：

全太陽能供熱模式。使用溫差控制方式，當太陽能充足時，太陽能系統為熱用戶提供熱量直接進行供熱；當室溫高于最高限值時，收集的熱量過多，此時多余的熱量將存儲于蓄熱水箱，燃氣壁掛爐不工作，無化石能源消耗；

雙能源耦合供熱模式。在太陽能減少、室溫低于設定值時，太陽能無法滿足居民需求，蓄熱水箱將提供熱量，若仍無法滿足需求，此時啟動燃氣壁掛爐，將供熱水溫提高到設定值；

全壁掛爐供熱模式。當室溫低于最低限值時，將不再與太陽能集熱系統進行換熱，系統熱量全部由燃氣壁掛爐提供；

太陽能集熱器防凍模式。當夜間或低溫天氣不需供熱時，為防止平板集熱器凍裂，只使太陽能集熱系統中傳熱介質循環運行，達到保護集熱系統的目的。

對帶輔能的太陽能分布式供熱系統，采用多模式聯合控制，同時可通過手機APP進行遠程監控；集熱系統采用高效大平板集熱器，且安裝角度可調節，最大限度利用太陽能，提高集熱效率。在確保供熱質量的情況下，充分利用清潔能源，優化其控制運行方法，增加供熱系統經濟性。

4 結語

帶輔能的太陽能大平板供熱系統，結構簡單、操作便捷，采用多模式聯合控制，同時通過手機APP進行遠程監控，集熱系統采用高效大平板集熱器，最大限度地利用了太陽能，提升了供熱系統太陽能保證率?？蛇m應多種復雜工況的供熱環境，實現西藏地區清潔供熱。

提高城鎮供熱質量是改善民生的關鍵問題之一。通過對一種帶輔能的太陽能分布式供熱系統及優化控制方法進行研究，在確保供熱質量的情況下，充分利用清潔能源，減少供熱期天燃氣等能源消耗，降低成本，保護生態環境。