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观察 | 从典型案例看我国太阳能采暖的技术进步

编辑:admin     来源:陕西省绿色节能技术推广服务协会    点击数:51次     时间:2019年06月06日

一、概述

1.太阳能+

太阳能采暖也称“太阳能+采暖”,是指利用太阳辐射直接转换的热能,辅助配合的能源,共同完成采暖的方式(以下简称“太阳能+”)。

太阳能是可再生能源,发展“太阳能+”采暖,符合实现化石能源体系向低碳能源体系的转变,最终进入以可再生能源为主的全球能源转型趋势.因此,太阳能利用被列入我国《可再生能源发展“十三五”规划》,和其他领域太阳能热利用一起,承担着到2020年实现年替代亿吨标煤的重任,是国家实施能源变革依赖的高比例可再生能源之一。除去低碳环保以外,“太阳能+”采暖还具有来自太阳的能源使用免费的特点。

2.资源禀赋

图片来源:百度经验

地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔、地理状况和气候条件有关。我国属太阳能资源丰富的国家之一,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区,而且除西藏和新疆两个自治区外,基本上是南部低于北部。全国大致可分为五类地区,普遍具有开发利用价值。国际上太阳能供热发展较好的丹麦平均太阳能资源与我国四类地区相当。

“太阳能+”采暖需要的辅助能源可以因地制宜选用气、电、生物质、地热、洁净煤等,各地具备什么条件,就选择什么辅助能源,灵活性大。因此在我国,“太阳能+”资源具有较好的普遍性。

3.产业基础

我国连续十多年装机量保持全球第一,具备大规模推广应用“太阳能+”采暖的产业基础。

我国采暖核心器件之一的全玻璃真空集热管产业成熟度全球第一。采暖专用的平板集热器近年来也取得较大进步。

行业通过转型升级,采暖技术已取得质的进步,较多的企业掌握了太阳能短期蓄热采暖技术,一批企业开始跨季节蓄热技术工程实践。

雄厚的产业基础使我国太阳能+”采暖的经济性,特别是短期蓄热采暖经济性,与国际同行比较具有明显的优势。

图片(左1)来源:德州新闻网

4.技术分类

短期蓄热。充分利用采暖季太阳辐射能的蓄热技术。具有建设周期短、占地面积少、适用于分散供暖等的特点;

季节蓄热。将非采暖季的太阳辐射能储存起来与采暖季太阳辐射能共同用于采暖季供热的技术。具有更高的太阳能贡献率、更好的长期经济性、适合分布式区域供热等特点。国际上已有项目综合供热太阳能贡献率超过区域供热量的50%,单一供暖甚至达到100%,利用的蓄热体有水池、土壤等。

联供系统。具有全年综合利用率高的特点。

各类工程建设可相互结合、分步实施。


二、成功案例

1.户用短期蓄热

①河北省保定市阜平县龙王庙村31户太阳能+热泵采暖案例

河北省阜平县位于太行深山区、革命老区,是十八大后,习近平总书记考察扶贫开发工作的第一站。老一辈革命家聂荣臻曾留下“阜平不富,死不瞑目”的遗训。2017年农村居民人均可支配收入达7405元。

在2017年进行5户“太阳能+热泵”采暖示范,取得了较单一热泵采暖费用下降70%以上的效果后,县委县政府决定2018年将“太阳能+”采暖示范,扩大到龙王庙整村。该村62户,每户100m2,是当地政府出资新建的住宅,建筑节能达到当地65%的要求。改造前用空气源热泵采暖。

系统由太阳能集热器、空气源热泵(原有)、储热水箱、控制器、生活用水、地暖末端(原有)等组成。太阳能集热器由定制的300支全玻璃真空管组成,储热水箱容积1t,材料食品级不锈钢,内置有铜制换热盘管,能够满足四季生活热水,5P空气源热泵一台(前期安装)等。具有满足100m2采暖、常年生活热水、夜间排空、数据远程监控等功能。太阳能贡献率进一步提升。

设备总造价:29880元/户(不含空气源热泵),全部政府出资。2018年10月17日完工投入运行,供暖温度18~20℃。全采暖季(4个月)电费9.7元/㎡。虽然改造费让设备成本提高(不得已),但太阳能贡献率的提高,让运行电费大幅度降低,舒适度高,百姓幸福感强,助力了脱贫。

运行维护模式:村中代表户纳入商业化物联网监控系统,用户通过培训和指导能进行基本维护。政府示范项目企业按要求派专业人员进行,商业推广项目依据合同,必要时可设立办事处。

②河北省邢台市临城县北孟村、邢台市清河县西野庄村、沧州市献县伊庄村太阳能+采暖项目

邢台市清河县西野庄村166户

沧州市献县伊庄村100户

按补贴政策导向,降低设备初投资。采用太阳能热风+电暖风机采暖方案,且仅控制70m2常用房间(卧室和客厅)。全套设备造价:11000元/户,采用政府出资每户7400元(参照电采暖补贴)+1200元(电代煤当年运行补贴),用户自筹2400元。

三个示范村,供计509户。系统标准配置:每户WTF-C-40型与WTF-C-60型太阳能热风供暖系统两套,2KWPTC热风机两台,系统运行满负荷4kW。每个村安装一套数据采集监测系统。

使用情况:项目2018年11月15日投入运行。正常使用用户室温平均在12~16℃。12月中旬前和2月中旬后,电辅助基本不使用,12月中旬至2月中旬之间,使用电辅助。据企业走访用户的调查,用户使用效果满意度达到80%左右,对采暖费支出水平能够接受。核算采暖季运行费10.5元/m2,与当地采用燃煤采暖的费用水平相当。

目前,省级验收尚未完成。该方案技术特点是初装费低,利于政府推广;利于施工;利于防冻,可靠性提升;但蓄热能力和舒适度略显不足。

③北京延庆区唐家堡农户采暖和生活热水项目(2018北京山区清洁能源采暖试点项目)

唐家堡村位于北京东北部延庆区。北京是最早开展农村清洁供暖的地区,具有风向标的意义,平原地区的工作2016年基本完成,山区继2017年试点后,2018年进一步深入开展。本案例是其中的一个项目。

延庆地区冬冷夏凉,年平均气温8℃。太阳能资源相对丰富。

示范建筑为东西联排的两户农户自建1层砖混结构,面积均为90㎡,无外墙保温,东户单层铝合金,西户木制窗户;末端为铸铁暖气片。建筑采暖热指标为110W/㎡。

系统采用高效抗冻太阳能集热系统+储能系统+电,除为建筑提供冬季采暖外,其余季节还提供生活热水,太阳能热量不足以满足建筑采暖时,由储能系统和电辅联合提供热量。

项目户均投资3.5万元,计算单位面积投资389元/㎡(此价格为单户示范项目价格,批量施工价格可下降)。

截止3月12日,监控系统显示,室内温度控制在18~22℃,东户总耗电量为1283kWh,西户总耗电量为1705.8kWh。推算整个采暖季(4个月)户均电费240元(享受谷电优惠),每月电费成本0.665元/㎡,全采暖季2.66元/㎡。与电锅炉相比节能率达92%,投资回收期2.1年。用户十分满意。纳入了企业物联网监控系统,培训和指导用户进行基本维护。运维费示范项目按政府要求进行,商业推广项目依据合同。

2.公共建筑采暖

①内蒙古前旗黑柳镇黑柳茶叶库太阳能采暖项目

内蒙古前旗黑柳镇黑柳茶叶库太阳能采暖项目位于包头市西60公里前旗黑柳镇。建筑面积为580㎡,层高4米,37砖结构,无墙体保温,屋顶有10公分泡沫彩钢板;采暖末端为铸铁暖气片。原来没有采暖设施,为加快茶叶熟化,降低成本,保护大气环境,新建太阳能+采暖。系统为库房提供春、秋、冬季采暖,日采暖时间24小时。共计300天。2018年建成并投入运行。



系统包括太阳能集热系统、储能系统、控制系统、管道、保温等。设计当无光照,太阳能集热量不足以满足需求时,由储能系统提供需求。

实际监控系统显示,采暖期(10个月)室内温度可保持在20~25℃之间。

系统改造总投资费用23.2万元,单位面积投资400元/㎡。580㎡建筑整个采暖期电费用3480元,单位面积采暖电费6元/㎡。与电锅炉相比节电达93%,静态投资回收期1.8年。

②秦皇岛市抚宁区下新庄小学新建教学楼太阳能供暖项目

秦皇岛市抚宁区下新庄小学教学楼是采暖项目2018年10月建成投入供暖运营。教学楼为二层砖混结构,面积610m2,建筑节能达到当地65%的标准要求。在此类建筑上实现太阳能+供暖,利于保证效果,实现设计、施工同步,节省改造费。当地供暖期为6个月。初投资330(元)/㎡。

采暖系统为太阳能集热+电锅炉辅助。集热单元采用该企业自主研发的模块化产品,36组集热器分三排,每排12组,放置在屋顶。系统配备1吨水箱,采暖末端是地暖。

2018年采暖季实测室内平均温度18℃,整个采暖期一次也未启动电锅炉,全由太阳能供暖。项目供暖季运行费包括电费和运行维护费。电费根据实际发生收取。2018年测算为1.69元/m2,没有运行维护费。第二年起将增加1元/㎡的运行维护费,假设2019年用电量相同,则年运行费为2.69/㎡。610m2建筑运行费1640元。

运行维护模式:质保期内免费,质保期后收取1元/㎡的运行维护费,直至寿命期止(企业承诺15年)。

3.联供系统(含采暖)

利用太阳能集热、短期蓄热、溴化锂制冷等技术,在适宜地区实施采暖、制冷、热水联供,是国内外提高太阳能全年综合利用的常用方法。多年来,我国做了较多示范项目,如北京太阳能研究所办公楼、皇明太阳能集团公司、力诺瑞特太阳能集团、大连希奥特太阳能有限公司综合楼、内蒙古包头市稀土高新区滨河新区企业办公楼、中国建筑科学研究院零碳办公楼、廊坊市智慧环境生态产业研究院、敦煌市首航节能光热发电站厂前区综合楼、宿舍等,技术不断进步,日渐成熟,成功案例推动联供系统进入商业化阶段。

敦煌市首航节能光热发电站厂前区综合楼太阳能供热/采暖/制冷三联供项目

基本情况:项目位于敦煌市七里镇,属敦煌戈壁区域无集中供热系统。2017年11月竣工,模式为太阳能+谷电。设计冬季供暖室温20℃,夏季制冷室温度25~26℃,全年年均日供(45℃热水)24吨。2017、2018年分别对采暖、制冷性能进行了项目验收,达到设计要求。

建筑概况:综合办公楼、宿舍建筑面积7480m2。

系统配置:太阳能集热模块:187组(785.4㎡),13度安装;分层蓄热水箱:105m3;500kW电磁辅助加热系统;500kW低温热源溴冷机组。(上述部件涵盖了建设单位多项专利技术,基于上述技术的前期公司综合楼联供示范于2013年获得建设部科技成果奖。)

图片来源:中装希奥特

验收实测:溴化锂吸收式冷(温)机组,运行温度9~12℃,室温设置25~26℃,实测室温达24.4℃。供暖温度也达到20℃设计要求。系统运行安全平稳、操控可靠、便捷。

经济指标:初装费388元/m2。

计算谷区辅助加热系统电能消耗量289,610kWh(年总量)。谷区电价为0.24元/kWh,系统年运行费用为:69506元(约7万元),折全年运行费9.3元/m2。

计算非太阳能系统(如空调+热泵)年运行费用为:781589元(约78万元)(该厂峰谷综合电价为0.8元/kWh),折全年运行费104元/m2。

项目建设方负责人说:目前虽然各项数据指标与经济节能性极佳,甲方也给予高度评价,但采暖期实际热负荷未达设计负荷,节能量数据还需要进一步积累。

4.季节蓄热采暖

地球上季节的变化是太阳辐射能量变化的结果,解决人类冬季采暖也要依靠阳光。采暖期阳光能量密度是一年中较低的。将非采暖期太阳辐射转换的热能储存下来用于采暖期采暖称为太阳能季节蓄热技术,该技术的应用有利于进一步提升太阳能的贡献率,提升太阳能+采暖的经济性。丹麦人工湖季节蓄热技术已进入大规模应用阶段。加拿大土壤季节蓄热技术也相对成熟,著名的(DLSC)社区2016年全系统供暖COP值达到17,获得太阳能贡献100%的世界纪录。我国近两年,清华大学承担的科技支撑项目“基于太阳能长周期蓄热的区域性建筑集中供暖系统集成与示范”阶段性项目结题。四季沐歌、北京天普、维克莱恩、河北聚日等多家民营企业也开始不同类型的项目示范研究。

西藏浪卡子县城太阳能集中供暖项目

项目为西藏浪卡子县城15.6万㎡建筑提供冬季供暖,设计一期解决县城住宅、学校、医院、宾馆、部分办公建筑等8.26万㎡建筑,二期解决全部15.6万㎡,同时还具有为县城学校宾馆等单位提供洗浴热水的能力。项目建设方为北京市热力工程设计公司、(中丹合资)日出东方阿康桑马克大型太阳能系统工程技术公司、太阳雨集团公司联合体。

项目可研原批复总投资1.7344亿元,一期投资1.2044亿元。按总投资每平米初投资1118元/㎡(含热源厂、10km供暖管网、建筑节能改造等全部内容)。设计采用太阳能系统+水体蓄热+电锅炉(其中太阳能提供92%的采暖能源,不足部分由电锅炉补充)。太阳能集热器总面积2.43万m2。全城达到当地建筑节能设计要求的采暖建筑,室内温度在18~22℃;未做节能改造的采暖建筑,室内温度在11~14℃,(建筑节能改造属于二期工程)。

依据截至到2019年元月22日的数据,测算8个月采暖耗电平均成本3.63元/㎡。预测二期工程完成后,8个月采暖期平均耗电成本可控制在3元/㎡以下。

根据系统供暖运行前50多天数据,每天可以得到90~100MWh有效热能;多云天每天可以得到50~70MWh有效热能。供热管网每天需要60~80MWh的热能(该平板集热器瞬时效率截距0.85,总热损系数3.5W/m2·℃,国标/行标分别为0.72/0.74和6.0/5.5)。虽然项目完工时已到采暖季节,前期水池蓄热量不能供暖,截至2019年1月22日,供暖能量仍然全部来自太阳能。昨天我看到实施监控数据,蓄热水池水温已经达到设计温度。

该项目是全球海拔最高的太阳能集中供暖项目。是中国第一个商业化太阳能集中供暖项目。(资料:十三五规划重点任务:到2020年,在适宜区域建设大型区域供热站数量达到200座以上,集热面积总量达到400万平方米以上。《2016年全球可再生能源现状报告》统计,全球2017年新增太阳能区域供暖15个,集热器面积75万m2,平均每个系统集热器面积5万m2。世界在运区域供热系统总量达到296个。)

三、技术进步要点

1.四个认识

从发展过程看近几年我国太阳能行业采暖技术伴随至少四个方面的讨论。

①太阳能贡献率认识。是不是越高越好?国际同行经验是否适宜中国?如何衡量经济性?

②建筑保温的认识。要不要考虑建筑保温?建筑保温与采暖系统是什么关系?怎么实施?(从不与考虑到一分采暖、九分保温再到是产品的一部分)

③户用和分布式集中的认识。农村一定要用户用方式吗?如何确定宜户用还是分布集中式?

④太阳能资源差异的认识。太阳能+采暖是否具有普便适用性?国际同行给我们什么启示?

2.七项技术

①设计。有企业已掌握需要多少热量,能够提供多少热量,使设计达到预期。

②集热。需求引导器件创新。多数企业使用的是专用的集热器(真空管、平板、空气)。

③储热与供热。多家企业的保温、防冻、分层等技术研究成果已经开始应用。

④全年综合利用。在确保采暖效果基础上,热水、制冷、其他供热应用在一些案例中体现。

⑤辅助能源利用。因地制宜、灵活多样,有的有多种+,有的已把辅助能源变为保障能源。

⑥系统集成。由硬件设备的简单集成向协同、优化、高效、便利、软硬件结合发展。

⑦基于物联网的运行维护。应用物联网技术运维(甚至调试)的企业数量增加(平台有企业专用和公共)。

伴随技术进步,标准体系也在不断完善。国标《太阳能供热采暖工程技术规范》,行标《北方农村户用太阳能采暖系统技术条件》、《北方农村户用太阳能采暖系统性能测试及评价方法》、《太阳能供热系统实时监测技术规范》2018年相继形成了报批稿,吸收了企业多项技术成果,做好采暖必须认真学习。

学习相关术语、概念、热工知识、掌握总体要求、安全要求、性能数据、衡量指标;学习设计思想,掌握热负荷、气象参数利用、集热和蓄热器计算方法、定量把握设计指标;学习性能测试方法、掌握评价方法和判定分级指标;需要更多企业掌握和不断提高太阳能采暖技术水平,有更多的示范工程达到设计预期。

四、不利的影响因素

我国太阳能采暖技术发展也存在着不容忽视的不利因素。

1.恶性竞争。不是所有太阳能热利用企业(包括工程商)都掌握了太阳能采暖技术。有产业环节不同,有技术差异,更有市场上的虚假宣传,虚假业绩,低价标,关系标等干扰技术发展,干扰技术进步,影响行业形象。

2.政策歧视。不应把可再生能源补贴政策限制在传统能源补贴政策水平内。

清洁供暖要算:设备费和运行费整体账;短期投入和长期补贴综合账;基础、配套设施投资的国家账;后期环境治理费用的长远账;国家能源体系的安全账;百姓生活改善的幸福账。

3.支撑滞后。国家科技支撑相对滞后,存在短视和轻视倾向,如季节蓄热。广大企业要积极开展产学研合作。

小结

近年来我国“太阳能+”采暖技术进步呈加快趋势,理论指导、数据支撑、工程验证、技术细化明显。

短期蓄热、季节蓄热、联供、系统集成等技术进步尤为突出,有人说,我国部分短期蓄热的太阳能采暖项目已经达到国际水平,但包括许多骨干企业技术进步还不够快。

“太阳能+”普遍适用于北方住宅和公共建筑清洁供暖。在相同建筑保温条件下,取暖效果优于燃煤,经济性优于常规能源,环保效益突出,还具有延长采暖期的灵活性,部分项目还有提供生活热水功能。

高保证率的“太阳能+”运行费已远低于当地电、气单一能源费用,是居民可承受、具有幸福感的采暖模式,不依赖长期补贴,不会“停补反煤”,已催生出对单一电、气清洁取暖项目再次改造的市场需求。

“太阳能+”的初投资随着技术进步和规模扩大在逐步降低。各地政策应正确引导。

因地制宜的供热站和户用分布式相结合的布局或许是未来趋势。

大量示范工程证实,“太阳能+”能够达到15~30年寿命,配合市场化的供暖服务,具备大面积推广的必要条件,市场前景不可限量。

国家和行业需要更多的企业掌握和提高技术水平。

特别鸣谢案例信息提供单位:(排序不分先后)

河北维克莱恩太阳能开发有限公司

日出东方太阳能股份有限公司

包头汉诺威工业装备科技有限责任公司

秦皇岛市北戴河兰德科技有限责任公司

北京天普太阳能工业有限公司

中装希奥特阳光能源科技有限公司等

责编:张建苹

供稿:中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会

          中国节能协会太阳能专业委员会  

来源:中国太阳能工程

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