應(yīng)用于西藏農(nóng)村地區(qū)的分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)

陳卓輝，李保國(guó)，李亞倫，羅權(quán)權(quán)，蘇樹(shù)強(qiáng)，肖洪海

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué)；2.223814 江蘇省 宿遷市 江蘇蓄能谷實(shí)業(yè)有限公司）

0 引言

西藏自治區(qū)地處我國(guó)西南邊陲，采暖季室外常年溫度較低，長(zhǎng)期以來(lái)大部分農(nóng)村地區(qū)沒(méi)有集中供暖設(shè)施[1]以及合理的供暖方式，主要采暖方式為火爐等，熱效率低，能耗大，污染環(huán)境。太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源。西藏地區(qū)的太陽(yáng)能資源豐富，居全國(guó)首位，在西藏地區(qū)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能采暖既可有效解決采暖問(wèn)題，又能保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善居民生活條件。

太陽(yáng)能采暖是利用太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能[2-4]，但太陽(yáng)能有不連續(xù)及輻照量不穩(wěn)定的不足，需要把太陽(yáng)能與其它清潔能源結(jié)合組成聯(lián)合供暖系統(tǒng)，以保證室內(nèi)供暖的穩(wěn)定、連續(xù)。有關(guān)研究中，藺瑞山[5-6]等設(shè)計(jì)了一套分布式可再生能源采暖系統(tǒng)，將太陽(yáng)能和地源熱泵結(jié)合，研究其在西北寒冷氣候地區(qū)的供熱性能。結(jié)果表明，在室外溫度為-6.2 ℃的情況下，室內(nèi)平均溫度可達(dá)到19.1 ℃，且室內(nèi)溫度維持穩(wěn)定，該系統(tǒng)在西部寒冷地區(qū)具有可行性；藺瑞山[7]等還利用設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能短期蓄熱系統(tǒng)為寒冷地區(qū)供暖，在11 月～2 月平均室內(nèi)溫度達(dá)到16.54 ℃，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱效率達(dá)到51.65 %，表明帶有短周期儲(chǔ)熱系統(tǒng)的可再生能源系統(tǒng)供暖效果穩(wěn)定；許國(guó)強(qiáng)[8-9]等設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能熱水地板輻射供熱采暖系統(tǒng)，將太陽(yáng)能和生物質(zhì)能結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較高，對(duì)改善草原牧區(qū)住宅的室內(nèi)環(huán)境效果良好，是解決該地區(qū)冬季采暖的一種有效途徑；于曄[10]等設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能為主、電鍋爐為輔的雙熱源供暖系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)立保溫蓄熱水池提高太陽(yáng)能利用率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；賀生云[11]研究了被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)在西北地區(qū)民居住宅的應(yīng)用，得出西北地區(qū)采用集熱墻的被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)可以有效地減少電能消耗；清華大學(xué)濰坊太陽(yáng)能基地采用樓頂橫排式熱管集熱器，外加一臺(tái)電鍋爐作為輔助熱源，完全可以維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定[12]。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶所需熱負(fù)荷并及時(shí)輸送熱量的功能，且傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較差。針對(duì)西藏農(nóng)村地區(qū)太陽(yáng)能豐富、建筑分散的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，通過(guò)在西藏加措鄉(xiāng)應(yīng)用，驗(yàn)證該系統(tǒng)在西藏農(nóng)村地區(qū)的可行性，為太陽(yáng)能采暖在西藏地區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)原理

在各個(gè)建筑房頂放置空氣式太陽(yáng)能集熱器，針對(duì)不同的區(qū)域設(shè)置合適的熱力站，通過(guò)每一個(gè)分散的熱源將熱量輸送到熱力管網(wǎng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到各個(gè)用戶所需的熱負(fù)荷，并通過(guò)控制換熱循環(huán)泵變頻工作，控制水流量，由熱力站根據(jù)用戶的實(shí)際需求統(tǒng)一分配輸送熱量。供暖系統(tǒng)采用空氣式太陽(yáng)能分布式熱網(wǎng)供熱，通過(guò)太陽(yáng)能集熱、蓄能罐儲(chǔ)熱、分布式熱網(wǎng)供熱的形式保證室內(nèi)要求的供暖溫度。分布式太陽(yáng)能系統(tǒng)具備3 種工作模式：太陽(yáng)能供熱模式、太陽(yáng)能輔助蓄能罐供熱模式以及蓄能罐供熱模式[13]，工作原理如圖1 所示。

圖1 分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of distributed solar heating system

當(dāng)太陽(yáng)能輻射充足時(shí)，太陽(yáng)能供熱模式啟動(dòng)，熱空氣經(jīng)換熱器與水進(jìn)行換熱進(jìn)而供暖，同時(shí)相變蓄能芯儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能；當(dāng)太陽(yáng)輻射能不足時(shí)，蓄能芯釋放出熱量加熱空氣，向室內(nèi)供暖，延長(zhǎng)了太陽(yáng)能供暖的時(shí)間。當(dāng)太陽(yáng)能不足以滿足室內(nèi)供暖所需的熱量時(shí)，即進(jìn)入太陽(yáng)能輔助蓄能罐供熱模式，由蓄能罐熱釋放能量，保持水溫，太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行輔助供暖。在夜晚或者陰雨天時(shí)，蓄能罐供熱模式啟動(dòng)。蓄能罐將在谷電時(shí)貯存蓄能材料內(nèi)的熱量釋放，為用戶提供所需的熱量。分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶所需熱負(fù)荷的功能，并且本系統(tǒng)結(jié)合了蓄能罐與PCM 空氣式太陽(yáng)能集熱器的使用，提高了系統(tǒng)的能效比。

1.2 分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)構(gòu)成

所研制的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)主要由PCM 空氣式太陽(yáng)能集熱器、蓄能罐、壓差旁通閥、換熱循環(huán)泵、膨脹罐、板式換熱器等組成。

1.2.1 PCM 空氣式太陽(yáng)能集熱器

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器以水為傳熱介質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易產(chǎn)生結(jié)垢、泄漏等問(wèn)題，在低溫環(huán)境會(huì)發(fā)生真空管凍堵和炸裂等問(wèn)題。PCM 空氣式太陽(yáng)能集熱器由螺旋結(jié)構(gòu)雙通真空集熱管和高性能蓄能芯組成，以空氣作為傳熱介質(zhì)，當(dāng)真空管吸收太陽(yáng)能，加熱空氣，被加熱后的空氣由出風(fēng)聯(lián)箱輸出，真空管內(nèi)部裝有的PCM蓄能芯吸收貯存過(guò)剩的太陽(yáng)能，在太陽(yáng)輻射不足時(shí)釋放出熱量。采用相變（PCM）蓄能芯并使用空氣作為傳熱介質(zhì)，不僅可提高太陽(yáng)能的利用率，還能延長(zhǎng)太陽(yáng)能集熱器的使用壽命，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2，蓄能型空氣式太陽(yáng)能集熱器參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 空氣式太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of air solar collector

表1 蓄能型空氣式太陽(yáng)能集熱器參數(shù)Tab.1 Parameters of energy storage air solar collector

1.2.2 谷電蓄能罐

谷電蓄能罐內(nèi)置相變蓄能芯與電熱管，蓄能芯裝有高貯能密度相變蓄能材料，電熱管直接加熱水。當(dāng)熱水溫度升高時(shí)，蓄能芯吸收熱水熱量貯能；當(dāng)熱水溫度降低時(shí)，蓄能芯向熱水供熱釋放熱量，保持水溫。谷電蓄能罐在低電價(jià)的谷電時(shí)段，電熱管啟動(dòng)，相變蓄能芯吸收熱能，貯存在蓄能材料中；在電價(jià)高時(shí)段，電加熱停止，蓄能罐內(nèi)相變蓄能材料開(kāi)始釋放熱量[14]。谷電蓄能罐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3，蓄能芯參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 谷電蓄能罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of valley electric storage tank

表2 蓄能芯參數(shù)Tab.2 Parameters of energy storage rod

2 應(yīng)用案例分析

加措鄉(xiāng)政府供暖建筑總面積4 428 m2。選取太陽(yáng)能集熱器194 組，集熱面積776 m2。采用ZN-90GDE-2200 型蓄能罐6 組，采暖系統(tǒng)的散熱末端具有37 組風(fēng)機(jī)盤(pán)管、115 組暖氣片。設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18 ℃。

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西藏地區(qū)處于我國(guó)的嚴(yán)寒地帶，參照J(rèn)GJ 26-2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，選取采暖設(shè)計(jì)負(fù)荷。考慮到建筑的保溫性能以及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，本項(xiàng)目中西藏日喀區(qū)采暖季平均熱負(fù)荷為Pn=60.85 W/m2，系統(tǒng)總耗熱量Q的計(jì)算公式為[15]：

式中：S——采暖面積，m2；Pn——采暖平均熱負(fù)荷，W/m2；h——采暖時(shí)間，h。

計(jì)算可得，該建筑白天12 h 采暖的總能耗Q=11 639.97 MJ。

2.1.1 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

建筑物供暖所需太陽(yáng)能集熱器總面積為

式中：AC——太陽(yáng)能集熱器面積，m2；f——太陽(yáng)能保證率，取60 %；Jt——采暖季日均輻照量，MJ/(m2· d)，取24.19 MJ/(m2· d)；ηt——管路及貯熱裝置熱損失率，取20 %；ηcd——太陽(yáng)能集熱器全日集熱效率，取46.5 %。

根據(jù)計(jì)算及系統(tǒng)管路要求，設(shè)計(jì)并安裝194 組空氣式集熱器，每臺(tái)集熱器的面積為4 m2，集熱器總面積776 m2。

2.1.2 太陽(yáng)能集熱器的布置

太陽(yáng)能集熱器的布置主要考慮集熱器的安裝傾角和方位對(duì)太陽(yáng)能吸收的影響。加措鄉(xiāng)位于北緯28.8°，集熱器布置在便民服務(wù)中心、辦公樓、宿舍樓等建筑屋頂，方位朝南。

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)集熱器安裝傾角遵循規(guī)則[16]：盡可能讓集熱器的吸收面垂直在當(dāng)?shù)氐恼鐣r(shí)分陽(yáng)光照射，最大程度地獲得太陽(yáng)輻射量，即

式中：θ——集熱器安裝傾角；La——工程所在地的緯度，取值28.8°；d——太陽(yáng)赤緯角，即太陽(yáng)直射光線與地球赤道平面之間的夾角，集熱器為冬季使用，平均赤緯角為-10°。加措鄉(xiāng)地區(qū)集熱器的傾角應(yīng)該比當(dāng)?shù)氐木暥雀?0°，即取38.8°。

2.2 谷電蓄能罐蓄熱量

考慮到加措鄉(xiāng)地區(qū)建筑的保溫性能及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，夜間采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為14.04 W/m2。根據(jù)式（1）計(jì)算可得加措鄉(xiāng)地區(qū)的夜晚采暖總能耗Q=1 819.584 MJ。

在夜間，由谷電蓄能罐承擔(dān)供暖熱負(fù)荷，為此選用6 組ZN-90GDE-2200 型谷電蓄能罐，每組的輸入功率為90 kW,每組的總蓄熱量為2 200 MJ，可滿足夜間供暖熱負(fù)荷要求。

3 結(jié)果與分析

測(cè)試時(shí)間為2019 年4 月18 日15 時(shí)—4 月22日11 時(shí)，共計(jì)92 小時(shí)，總耗電量為4 779 kW·h，總供暖量為14 564 kW·h，得能耗比EER=3.05。供熱系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 各日期對(duì)應(yīng)的用電量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of electricity consumption corresponding to each date

在測(cè)試期間，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18℃左右。

式中：Qc——采暖系統(tǒng)供熱量；Wc——采暖系統(tǒng)耗電量。

3.1 供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，由于采用的PCM 太陽(yáng)能集熱器的傳熱介質(zhì)為空氣，在運(yùn)行期間并未出現(xiàn)凍堵、炸裂等問(wèn)題，分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以滿足建筑的熱量需求。測(cè)試期間的室內(nèi)、外溫度見(jiàn)圖4。

圖4 室內(nèi)室外溫度隨各個(gè)時(shí)間段的變化Fig.4 Changes of temperature of indoor and outdoor with each time period

選取4 月20 日的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，間隔3 h統(tǒng)計(jì)，得出各個(gè)時(shí)段的供暖量與耗電量如圖5 所示。由圖5 可以看出，除了3:00-6:00 的耗電量大于供暖量，其余時(shí)段耗電量均小于供暖量。3:00-6:00 的耗電量之所以大于供暖量，是因?yàn)榇藭r(shí)谷電蓄能罐處于電加熱階段，此時(shí)耗電量較之供暖量大；6:00-9:00，蓄能罐電加熱逐漸停止，此時(shí)PCM 太陽(yáng)能集熱器開(kāi)始工作，并在開(kāi)始階段作為輔助熱源為用戶提供所需的熱量；9:00-18:00，由于此時(shí)太陽(yáng)輻射能較大且所需的供暖量也相對(duì)較低，此時(shí)太陽(yáng)能集熱器能基本滿足用戶所需的熱量；18:00-24:00，蓄能罐作為主要熱源，提供用戶所需的熱量。

圖5 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)耗電量及供暖量在各個(gè)時(shí)段的變化Fig.5 Changes of power consumption and the amount of heating of solar heating system in each period

根據(jù)所劃分的時(shí)段，可計(jì)算出各個(gè)時(shí)段的EER 值，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，3:00-6:00，因?yàn)榇藭r(shí)段的蓄能罐處于電加熱階段，所以耗電量較大，EER 值較低；6:00-18:00，因?yàn)樘?yáng)能集熱器開(kāi)始工作，蓄能罐電加熱逐漸停止，系統(tǒng)的EER 值開(kāi)始穩(wěn)步上升；18:00-24:00，太陽(yáng)能集熱器停止工作，貯存了熱量的蓄能罐的蓄能芯開(kāi)始放出熱量，此時(shí)的耗電量最小，對(duì)應(yīng)的EER 也越來(lái)越高?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)不同用戶當(dāng)前時(shí)刻所需的熱負(fù)荷進(jìn)行不同模式的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)調(diào)節(jié)換熱循環(huán)泵的頻率，向用戶輸送當(dāng)前所需要的熱量，維持室內(nèi)溫度恒定。

圖6 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)段下的EER 值Fig.6 EER of solar heating system in each time period

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率

根據(jù)供暖系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器運(yùn)行情況分析，輻照正常的情況下，單組集熱器日均產(chǎn)熱量約為10 kW·h，加措鄉(xiāng)供暖系統(tǒng)共計(jì)194 組集熱器，日均產(chǎn)熱量約為1 940 kW·h，系統(tǒng)輔助電熱日均用電量為620 kW·h。

式中：f——太陽(yáng)能保證率；Qt——太陽(yáng)能日均產(chǎn)熱量；Qh——系統(tǒng)輔助電熱的用電量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出在測(cè)試期間太陽(yáng)能保證率75.7%,符合方案太陽(yáng)能保證率設(shè)計(jì)值60%的要求。

3.2.2 太陽(yáng)能采暖與電采暖運(yùn)行費(fèi)用比較

按照加措鄉(xiāng)政府供暖建筑面積4 428 m2計(jì)算，電價(jià)為0.7 元/(kW·h)，采用該系統(tǒng)供熱日均運(yùn)行費(fèi)用為588 元。根據(jù)DBJ 540001-2016《西藏自治區(qū)民用建筑 節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中附錄A 關(guān)于西藏自治區(qū)主要城市氣象參數(shù)規(guī)定，加措鄉(xiāng)處于高寒高海拔地區(qū)，全年供暖天數(shù)為208 天，采暖季總運(yùn)行費(fèi)用為122 304 元。一個(gè)采暖周期，單位面積運(yùn)行費(fèi)用為27.6 元/m2。

根據(jù)加措鄉(xiāng)電地暖使用情況分析：40 m2供暖建筑一天用電量為32 kW·h。電熱轉(zhuǎn)換效率按照95%選取，則整個(gè)加措鄉(xiāng)政府電地暖日均運(yùn)行費(fèi)用約為2 610.2 元。全年供暖天數(shù)為208 天，采暖季總運(yùn)行費(fèi)用為542 922 元。

電地暖系統(tǒng)在一個(gè)采暖周期，單位面積運(yùn)行費(fèi)用為122.6 元/m2。綜上所述，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在同一采暖周期時(shí)，單位面積的運(yùn)行費(fèi)用要少于電地暖系統(tǒng)77.5 %左右。

3.2.3 太陽(yáng)能采暖與鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用比較

該項(xiàng)目在西藏加措鄉(xiāng)地區(qū)已穩(wěn)定運(yùn)行1 個(gè)采暖季，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，太陽(yáng)能集熱器及蓄能罐內(nèi)的相變蓄能芯能滿足天氣變化所需的供熱量。通過(guò)測(cè)試，室內(nèi)溫度可維持在18 ℃左右，可滿足取暖要求。

太陽(yáng)能采暖及熱水系統(tǒng)提供的總熱量Qsave為

式中：Ac——空氣式太陽(yáng)能總集熱面積，m2，取4 428 m2；JT——西藏采暖期內(nèi)集熱器采光面上總太陽(yáng)輻射量，MJ/m2，取3 628.5 MJ/m2；ηc——采暖循環(huán)管路及水箱的熱損失率，取20%；ηcd——太陽(yáng)能集熱器年平均集熱效率，取46.5%。

以西藏加措鄉(xiāng)政府太陽(yáng)能保證率為60%，采暖天數(shù)為150 天計(jì)算，每年可提供的總熱量Qsave=5.98×106 MJ，相當(dāng)于貢獻(xiàn)了166.03 萬(wàn)kW·h電能產(chǎn)生的熱量，與燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐相比，年運(yùn)行費(fèi)用如圖7 所示。

圖7 不同采暖方式運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比Fig.7 Comparison of operating costs of different modes of heating

由圖7 可以看出，在使用前期，空氣式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用高于燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐，主要是由于空氣式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的初投資高于燃?xì)夂腿济哄仩t，但隨著使用年限的增長(zhǎng)、燃?xì)夂腿济哄仩t設(shè)備化，年運(yùn)行成本逐年遞增，空氣式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)則更加明顯。

4 結(jié)論

加措鄉(xiāng)太陽(yáng)能聯(lián)合蓄能罐供暖系統(tǒng)從竣工至今運(yùn)行情況良好，能全天候滿足室內(nèi)供暖需求，且根據(jù)房間供熱及用戶舒適性可按需采暖末端配置。選用適應(yīng)高寒高海拔地區(qū)的空氣式太陽(yáng)能集熱器，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）在實(shí)驗(yàn)工況下，系統(tǒng)可維持室內(nèi)溫度在16～20 ℃，溫度穩(wěn)定，基本不受環(huán)境工況的影響。

（2）測(cè)試期間，分布式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的日均EER約為3.05，較其他采暖系統(tǒng)能效比較高。

（3）該系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)于電采暖，采暖周期單位面積采暖費(fèi)用節(jié)約95 元/m2。采暖費(fèi)用顯著降低。與燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐采暖相比，隨著運(yùn)行年限的增加，空氣式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的節(jié)能效果更為明顯。