分析村鎮(zhèn)太陽能供熱采暖組合式熱力站應(yīng)用

中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院/聶晶晶、李愛松、李忠

　　摘要：隨著村鎮(zhèn)建筑用能需求的不斷增長，太陽能熱利用系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)目前村鎮(zhèn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平，開發(fā)了一種適用于村鎮(zhèn)建筑的太陽能供熱采暖組合式熱力站。該熱力站將系統(tǒng)的動力部分、配電部分、控制部分和水處理部分等大部分設(shè)備部件集成為一體，可以實現(xiàn)與儲熱水箱、太陽能集熱系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)的完美對接，其操作簡便，而且有效降低施工量與成本，對促進(jìn)村鎮(zhèn)地區(qū)太陽能供熱采暖系統(tǒng)的推廣應(yīng)用有重大意義。

　　1引言

　　目前，村鎮(zhèn)地區(qū)太陽能熱利用形式仍以太陽能熱水器提供生活熱水為主。近年來，隨著農(nóng)民生活水平日益提高，居住條件不斷改善，使用太陽能提供生活熱水在節(jié)能、方便、安全、無污染等方面的優(yōu)點也逐漸被認(rèn)識和接受。雖然太陽能熱水在村鎮(zhèn)地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，村鎮(zhèn)居民太陽能熱利用意識有所提高，但是太陽能熱利用形式單一，利用尚不充分。為提高能源利用率，節(jié)省常規(guī)能源消耗，村鎮(zhèn)地區(qū)迫切需要鼓勵推廣太陽能供熱采暖系統(tǒng)。

　　2技術(shù)現(xiàn)狀

　　近些年，我國開展了多項村鎮(zhèn)建筑主動式太陽能供熱采暖系統(tǒng)研究和示范，先后在北京市平谷區(qū)掛甲峪村、將軍關(guān)村、玻璃臺村示范建設(shè)了太陽能供熱采暖系統(tǒng)新民居，有效推進(jìn)了太陽能熱利用技術(shù)在村鎮(zhèn)地區(qū)的應(yīng)用，并已經(jīng)取得了一定的示范效果。

　　目前，太陽能供熱采暖系統(tǒng)多由建設(shè)單位委托設(shè)計單位及太陽能產(chǎn)品設(shè)計、安裝，建設(shè)流程與一般建筑工程大致相同。針對村鎮(zhèn)地區(qū)，由于存在著各用戶建筑形式不統(tǒng)一、用戶經(jīng)濟(jì)條件和實際需求、日常維護(hù)管理要求簡單等多方面的限制，且村鎮(zhèn)建筑多為自建房，一般無設(shè)計圖紙和專業(yè)施工隊伍，技術(shù)力量薄弱。如村鎮(zhèn)地區(qū)推廣應(yīng)用太陽能供熱采暖系統(tǒng)完全按照一般工程建設(shè)思路進(jìn)行，在建設(shè)過程中用戶與專業(yè)技術(shù)人員需長時間溝通配合，并且系統(tǒng)各組件受供貨周期影響，可能導(dǎo)致施工周期較長、用戶可接受性降低等問題。

　　目前市場上已有的太陽能熱力站相關(guān)產(chǎn)品，主要是為了滿足城鎮(zhèn)居住建筑使用需求，為節(jié)約居住空間，熱力站集成度非常高，因此采用了小型化高效循環(huán)泵和高效換熱部件，內(nèi)部管路多采用銅管或不銹鋼管材質(zhì)，控制模塊功能復(fù)雜，且設(shè)置有多個電動閥，導(dǎo)致熱力站產(chǎn)品價格較高，不適合在村鎮(zhèn)地區(qū)推廣使用。

　　綜上所述，探索開發(fā)適合村鎮(zhèn)地區(qū)推廣應(yīng)用的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，應(yīng)具備功能簡單、性能可靠、模塊化安裝、施工簡易、成本低廉、運行操作簡便、后期免維護(hù)等特點。

　　3產(chǎn)品開發(fā)思路及技術(shù)特點

　　3.1產(chǎn)品開發(fā)思路

　　在傳統(tǒng)集中供暖系統(tǒng)中，熱力站是熱源與用戶的連接站。

　　為提高系統(tǒng)集成度，節(jié)約機(jī)房占地面積，降低熱損失及輸送能耗，在集中供暖系統(tǒng)中引入了組裝式熱力站成套裝置概念。通過在傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)中設(shè)置組裝式熱力站成套裝置，對于提高傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的集成度、優(yōu)化控制以及降低施工安裝周期等具有顯著的效果。

　　太陽能供熱采暖組合式熱力站開發(fā)時借鑒熱力站成套裝置設(shè)計思路，即通過集成整合核心部件，形成太陽能供熱采暖系統(tǒng)中集熱系統(tǒng)、儲熱水箱、輔助熱源系統(tǒng)、生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)及供暖系統(tǒng)的連接站。但是，與該裝置相比，由于太陽能供熱采暖系統(tǒng)增加了集熱裝置、儲熱水箱及輔助熱源，其形式復(fù)雜，控制系統(tǒng)繁瑣，對施工工藝要求較高，對成套產(chǎn)品開發(fā)有一定影響。

　　綜上，結(jié)合太陽能供熱采暖系統(tǒng)自身特點，太陽能供熱采暖組合式熱力站按以下思路進(jìn)行：

　　1.對太陽能供熱采暖系統(tǒng)組成的核心部件進(jìn)行整合，形成模塊化產(chǎn)品，以提高系統(tǒng)集成度，簡化系統(tǒng)形式;

　　2.預(yù)留與集熱系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)及輔助熱源系統(tǒng)管路接口，以簡化施工工藝，方便現(xiàn)場安裝；

　　3.控制系統(tǒng)簡單，以方便用戶操作使用；

　　4.價格低廉，符合村鎮(zhèn)地區(qū)的消費水平。

　　3.2具體實現(xiàn)形式

　　太陽能供熱采暖組合式熱力站采用角鋼焊接搭建整體框架，產(chǎn)品框架外圍預(yù)留與貯熱水箱、集熱系統(tǒng)、供熱采暖系統(tǒng)接口，與相關(guān)系統(tǒng)安裝時通過油任即可實現(xiàn)管道直接連接。核心部件集熱循環(huán)泵、采暖循環(huán)泵、溫度采集控制系統(tǒng)等在產(chǎn)品框架中預(yù)留安裝位置，通過利用管道支架、螺栓對設(shè)備及部件進(jìn)行固定。產(chǎn)品框架中預(yù)留的安裝位置能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號設(shè)備靈活連接，滿足村鎮(zhèn)用戶不同建筑面積供暖及生活熱水需求。控制箱與水泵等設(shè)備分層布置，控制箱應(yīng)位置于其他設(shè)備上方，并在水平方向與垂直方向預(yù)留一定間距，防止漏水電擊?？刂葡到y(tǒng)集中位于控制箱中，主要由成型的溫度控制模塊及溫差控制模塊構(gòu)成，可實現(xiàn)溫度及溫差設(shè)定與控制、設(shè)備啟停等自動或手動控制功能。

　　筆者在中國建筑科學(xué)研究院內(nèi)自行組裝搭建了太陽能供熱采暖組合式熱力站，該產(chǎn)品由集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵、供暖循環(huán)泵、控制箱、補(bǔ)水定壓裝置等設(shè)備構(gòu)成，適用于建筑面積為150m2的村鎮(zhèn)住宅。該產(chǎn)品整體框架外圍預(yù)留管道接口，方便與其他系統(tǒng)連接、安裝?？刂葡鋬?nèi)的溫度控制模塊采用HS-611+升降溫兩用溫控表，溫差控制模塊選用HS-652型溫差比較循環(huán)溫控表，兩類控制模塊均可顯示實時采集溫度，并可手動設(shè)置設(shè)定溫度（溫差），溫度探頭采用3380型熱敏電阻，測溫誤差均為±0.5℃。太陽能供熱采暖組合式熱力站裝配及實物如圖1～圖2所示，產(chǎn)品選用的溫度控制模塊和溫差控制模塊如圖3所示。

　　3.3產(chǎn)品技術(shù)特點

　　太陽能供熱采暖組合式熱力站具有體形緊湊、安裝方便、操控簡單、價格低廉、配置靈活等特點。

　　該產(chǎn)品將系統(tǒng)的動力部分、配電部分、控制部分和水處理部分等大部分設(shè)備部件集成一體。產(chǎn)品框架外形尺寸長510mm、寬370mm、高1670mm，占地面積約0.19m2，占用空間少，大大節(jié)約了安裝占地面積。

　　該產(chǎn)品預(yù)留管道接口，可以實現(xiàn)與儲熱水箱、太陽能集熱系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)的完美對接，施工安裝方便,建設(shè)過程要求專業(yè)人員參與度小。

　　該產(chǎn)品設(shè)計人性化，溫度控制可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)定調(diào)節(jié)，全部控制操作均可實現(xiàn)手自動轉(zhuǎn)換，簡單實用，便于用戶操作?？刂葡到y(tǒng)中采用的溫度控制模塊及溫差控制模塊可直接采購，控制系統(tǒng)無需程序開發(fā)，控制穩(wěn)定可靠，精度符合運行要求，進(jìn)一步降低了成本。

　　該產(chǎn)品以150m2建筑面積為基礎(chǔ)設(shè)計計算，適用于一般村鎮(zhèn)家庭。該組合式熱力站可根據(jù)不同建筑形式、不同采暖末端以及不同集熱器產(chǎn)品，靈活配置內(nèi)部設(shè)備及配件，并可根據(jù)不同規(guī)模形成系列，在形成產(chǎn)品樣本手冊后，用戶可自行訂制相應(yīng)產(chǎn)品，具有非常好的產(chǎn)業(yè)化前景。

　　3.4實際工程應(yīng)用

　　3.4.1應(yīng)用系統(tǒng)介紹

　　太陽能供熱采暖組合式熱力站組裝搭建完成后，基于簡單、經(jīng)濟(jì)、實用的原則，筆者在中國建筑科學(xué)研究院內(nèi)將該產(chǎn)品應(yīng)用于太陽能供熱采暖系統(tǒng)中，并與相應(yīng)的集熱系統(tǒng)、儲熱水箱等進(jìn)行了連接與安裝。

　　與該產(chǎn)品匹配的太陽能集熱系統(tǒng)、儲熱水箱采用直接連接方式，集熱系統(tǒng)熱媒為水，選用的平板型集熱器總面積10m2，儲熱水箱容積1180L；生活熱水供應(yīng)依靠自來水頂水方式供水，系統(tǒng)預(yù)留輔助熱源接口，供暖末端采用散熱器。用于實現(xiàn)太陽能供熱采暖系統(tǒng)控制功能的所有控制設(shè)備和配電系統(tǒng)集成在該產(chǎn)品的控制箱內(nèi)，設(shè)備的啟停均可實現(xiàn)手自動轉(zhuǎn)換?？刂葡鋬?nèi)的溫度控制模塊、溫差控制模塊及集熱系統(tǒng)、儲熱水箱內(nèi)設(shè)置的溫度測點，用于實現(xiàn)集熱系統(tǒng)運行控制、高溫保護(hù)控制、輔助熱源控制及落水式防凍實施控制等。太陽能供熱采暖系統(tǒng)原理如4所示，集熱系統(tǒng)安裝如圖5所示。

　　與太陽能供熱采暖組合式熱力站匹配的系統(tǒng)建成后，對整套系統(tǒng)通水通電，并進(jìn)行了調(diào)試。經(jīng)過長時間運行，結(jié)果表明：該組合式熱力站可滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求，在整個太陽能供熱采暖系統(tǒng)中起到提供循環(huán)動力、補(bǔ)水定壓、水質(zhì)保證作用。該產(chǎn)品的控制箱可有效實現(xiàn)對溫度、溫差控制功能，集中控制設(shè)備啟動、停止；同時能夠按照需要自行設(shè)定溫度及溫差，控制精度滿足村鎮(zhèn)地區(qū)要求。

　　應(yīng)用了太陽能供熱采暖組合式熱力站的太陽能供熱采暖系統(tǒng)在全天運行，白天太陽輻照充足時充分集熱，經(jīng)由組合式熱力站將熱量蓄存至儲熱水箱，為采暖系統(tǒng)及生活熱水系統(tǒng)提供熱源；夜晚有凍結(jié)風(fēng)險或太陽能輻照不足時，可手動開啟防凍功能，實施落水式防凍控制；輔助熱源與供暖循環(huán)泵按照設(shè)定溫度自動或手動控制啟停，便于用戶根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　系統(tǒng)運行一段時間后，為驗證太陽能供熱采暖系統(tǒng)運行效果，在系統(tǒng)上安裝溫度傳感器、流量計、輻射表、風(fēng)速儀等裝置；在未設(shè)置輔助熱源的情況下，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，檢測數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表1所示。

　　根據(jù)表1測試數(shù)據(jù)表明，在室外環(huán)境溫度0℃~7℃，太陽輻照量7MJ/m2~16MJ/m2范圍內(nèi)，僅依靠太陽能集熱系統(tǒng)為房間進(jìn)行供暖，室內(nèi)平均溫度至少可達(dá)到10℃~13℃，基本滿足白天生活起居需要，系統(tǒng)運行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期效果。如村鎮(zhèn)用戶實際使用時結(jié)合生物質(zhì)鍋爐或電鍋爐等設(shè)備作為系統(tǒng)輔助熱源，可有效改善冬季供暖室內(nèi)熱環(huán)境、提高熱舒適度。

　　4經(jīng)濟(jì)性分析

　　太陽能供熱采暖組合式熱力站由2臺水泵、2個溫度控制模塊、1個溫差控制模塊、1套定壓補(bǔ)水設(shè)備、若干閥門及油任等設(shè)備及組件構(gòu)成，所有設(shè)備及組件均為市場成熟產(chǎn)品，整套產(chǎn)品造價約1500元。其中，控制系統(tǒng)無需程序開發(fā)，產(chǎn)品選用的溫度控制模塊與溫差控制模塊價格僅為45~59元，價格低廉，簡單實用，控制穩(wěn)定，完全滿足村鎮(zhèn)居民使用需求。

　　應(yīng)用了該組合式熱力站的太陽能供熱采暖系統(tǒng)總投資約為2萬元，折合每平方米集熱器面積為2000元，每平方米建筑面積約為133元，平均增投資約為33元/m2。該組合式熱力站可靈活配置相關(guān)設(shè)備，形成產(chǎn)品系列后，用戶可以直接采購。

　　產(chǎn)品運抵現(xiàn)場后方便用戶快速安裝，有效地降低了施工安裝量，對太陽能供熱采暖系統(tǒng)降低造價具有顯著的作用，并且有利于在村鎮(zhèn)地區(qū)推廣使用太陽能供熱采暖系統(tǒng)。

　　5結(jié)語

　　1.太陽能供熱采暖組合式熱力站可滿足太陽能資源在三類地區(qū)以上，建筑面積為100m2~150m2的村鎮(zhèn)住宅供暖和生活熱水一般需求，其應(yīng)用可推廣到我國大部分北方供暖地區(qū)。

　　2.該組合式熱力站集成度高，安裝方便，使用簡單，價格低廉，可有效調(diào)動村鎮(zhèn)地區(qū)居民應(yīng)用太陽能供熱采暖的積極性，促進(jìn)村鎮(zhèn)地區(qū)太陽能供熱采暖系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

　　3.該組合式熱力站可與生物質(zhì)燃燒設(shè)備等熱源配合使用，可進(jìn)一步降低傳統(tǒng)能源消耗，減少污染物排放。

　　4.該組合式熱力站可按照不同建筑形式及使用需求形成產(chǎn)品系列，用于集成化生產(chǎn)，具有非常好的產(chǎn)業(yè)化前景。