主被动结合太阳能+谷电辅热供暖系统分析 以北京桃花地新村太阳能供热采暖工程为例
发布者:dxh | 来源:中国太阳能产业资讯 | 0评论 | 1013查看 | 2018-12-10 10:59:55    

本文首先介绍了北京农村适合的太阳能供热采暖形式,然后详细介绍了主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统。接着分析了系统设计目标、系统组成及运行原理、系统技术特点等,为北方农村“散煤替代”供热采暖措施提供技术支持。


然后以北京密云区石城镇桃花地新村太阳能供热采暖工程为例,进行了详细设计和节能经济环保效益分析,通过合理的设计真正达到了节能减排的目的。


最后得出结论:使用太阳能采暖技术确实是符合北方农村“散煤替代”供热采暖的有效措施之一,同时,主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统,可以最大限度降低投资,提高运行经济性,在现阶段最具有推广价值,建议重点推广应用。


绪论


太阳能作为可再生能源的一种,取之不尽,用之不竭,同时又不会增加环境负荷。因此,太阳能供暖行业的产业化升级对破解北方“供暖性雾霾”意义重大,将成为未来能源结构中的重要组成部分。


我国北方地区普遍太阳能资源条件较好,如果能够充分利用太阳能解决建筑供暖问题,将为北方地区乃至全国的建筑节能减排和可持续发展做出实质性贡献。


农村地区在太阳能利用上具有得天独厚的优势。首先,农村住宅以单体建筑为主,且布局相对分散,为太阳能集热系统的布置提供了充足的空间。其次,农村生活方式与城市不同,在生活生产过程中需要频繁进出房间,调研数据显示,冬季室内温度控制在10℃-15℃左右能更好的满足农村居民的需求。较低的室内温度,有利于提高太阳能集热效率。因此,农村地区更适宜作为太阳能建筑供暖的突破点,也将成为未来太阳能采暖应用的主要市场。


农村住宅利用太阳能供暖与区域气候、建筑保暖围护密切相关,围护结构直接决定了系统负荷和供暖能耗,系统负荷决定了设备选型,供暖能耗决定了系统运行费用。主被动太阳能供暖形式结合才是有效的解决方案。


村镇太阳能供暖有效实施的关键,在于太阳能供暖方式的技术可行性和经济适用性。太阳能主动供暖技术形式中,适合北京气候条件的主要有四种,分别是太阳能热水供暖技术(包含太阳能+谷电辅热,太阳能+燃气等形式),太阳能结合热泵供暖技术,太阳能热水跨季节蓄热供暖技术,太阳能空气集热供暖技术。


受到地理条件、经济条件限制,并结合北京目前的优惠政策,其中主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统可以最大限度降低投资,提高运行经济性,在现阶段最具有推广价值,建议重点推广应用。


1.系统设计目标


1.项目在实施前,按照要求对太阳能供暖系统与建筑保温围护进行相结合的科学设计,达到节能建筑标准。


2.提供冬季采暖部分供热量,达到部分节能的目的。太阳能系统冬季提供的热量一般为采暖季总共耗热量的50%左右,其所占比例的大小根据用户建筑形式、建筑热负荷、初投资及用户的使用情况等条件酌情考虑的。


3.本系统考虑到采暖的季节性,因而确定的设计原则是:在采暖期,太阳能供热采暖系统主要用于采暖,同时提供少量的生活热水;在非采暖期,太阳能供热采暖系统为住宅提供生活热水,做到全年综合利用,从而使整个系统产生更大的经济效益。


2.系统组成及运行原理


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 太阳能+低谷电辅热供热采暖系统原理图


该系统由太阳能集热器、储热水箱(含电加热器)、循环管路、控制系统、末端采暖系统、常规热源辅助供热设备等组成。


系统供热部分主要由两部分构成:太阳能集热部分、常规热源供热设备。住宅采暖和热水需求热量由太阳能集热器和常规热源供热设备提供。冬季,太阳能提供部分采暖热量需求,太阳能和常规热源供热设备均同时工作,白天供暖几乎靠太阳能,晚上可以靠谷电加热供热或者储热;春夏秋,晴天,太阳能系统提供全部热水需求热量,连续阴天,由常规热源提供热水热量需求。


太阳能循环系统采用开式-排空-温差强制循环系统。天气晴好的情况下,白天优先利用太阳能供暖,低谷电时段开启电加热供热并为水箱蓄热。


储热水箱内置换热器,利用自来水压力顶水使用热水,同时保证生活用水水质。


(1)集热温差循环控制


太阳能循环系统采用温差强制循环,即当太阳能集热器最高点温度T1与采暖水箱水温T2的差值高于设定温度△T1,即T1-T2≥△T1(5-10℃),启动太阳能集热循环泵P1;当T1-T2≤△T2(1-4℃)时,停止太阳能集热循环泵P1,即温差强制循环。


(2)辅助电加热控制


冬季,当太阳能满足不了使用的需求,则采用辅助电加热装置。辅助电加热控制启用定时加热,低谷电时段开启蓄热水箱内电加热为系统供热和水箱蓄热。


春夏秋,晴天,太阳能系统提供全部热水需求热量,连续阴天,由电加热提供热水热量需求。


(3)室温控制


根据室温要求,控制器自动启停采暖循环泵,保证采暖舒适度。室温可以分时段和运行模式人工设定,也可以利用与云监控平台连接,利用手机app控制或平台智能控制,从而实现智能化和行为节能。


设有“自动模式/节能模式/上班模式”三种模式取暖工作方式供用户选择。以下为散热器或风盘末端的控制策略,对于低温地板辐射采暖末端,应减小温度调节范围。


①自动模式:打开开关,在水箱温度大于等于40℃时;当实际室内环境温度低于设置环境温度2℃时,启动循环泵持续运行;当实际室内环境温度大于等于设置环境温度时,循环泵停止运行。如果水箱温度低于40℃时禁止循环泵运行。


②节能模式:在打开开关时,当水箱温度大于等于40℃时,室内环境温度低于时段规定值1度时,循环泵启动运行,高于时段规定值1℃时停止运行。


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表1节能模式的室内环境温度设定及水泵控制


③上班族模式:与节能模式的工作方式相同,循环泵按下列的上班模式的“时段温度—环境温度”表所列的状态工作。


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表2上班模式的室内环境温度设定及水泵控制


④防冻功能:只要电源有电,并且处于关机状态,只要室内环境温度≤2℃时,水泵运行,当室内环境温度≥7℃时,循环泵运行停止,如果水箱温度低于8℃时开始加热,升到12℃时停止加热。


(4)采暖供水温度控制


为了实现不同采暖系统末端和室外环境变化,系统设置温度控制单元调节供水温度。末端为散热器时,供水温度初始设定温度为55℃;风机盘管时,设定为50℃;地暖时,设定为45℃。供水温度可根据建筑保温情况及室外环境温度在35-70℃范围内调节。


(5)云监控平台远程监控(可选配)


控制器带有485通讯接口,可以与云监控平台连接,利用手机app人工开关机、设定控制参数。在运行一段时间后,可以根据用户需求情况并结合环境温度变化,智能优化控制参数,设置合理蓄热量,从而实现智能化,节能运行。


3.系统技术特点


(1)垂直分层复合储热水箱


太阳能供热采暖系统采用复合水箱,属国内首创技术应用,该水箱将开式储热水箱和闭式生活热水水箱嵌套在一起。储热水箱设计成开式水箱适宜于落空式太阳能系统;闭式生活热水水箱利用水箱壁面进行换热,省去换热系统,并利用自来水管网压力提供洗浴用水,系统结构简单,成本低。生活热水水箱与太阳能集热系统和采暖系统隔开,并采用搪瓷水箱,保证生活热水达到饮用水水质;嵌套水箱还可以大大提高非采暖季的热水供应量;太阳能系统与采暖系统为直接系统,不设置换热装置,可降低太阳能系统工作温度,提高太阳能的集热效率。


储热水箱另一个显著特点是设计成垂直分层水箱。垂直分层水箱工作原理是利用水在不同温度下的密度差,实现同一水箱可以产生不同的温度分区,即低温的水位于水箱底部,高温的水位于水箱上部,相互不掺混。


储热水箱沿高度分三个区:底部为太阳能循环工作区,太阳能集热器与分层水箱下部相连;中部为电加热蓄热工作区,采暖系统与水箱中部相连;水箱上部水温最高,布置生活热水水箱。


对于节能建筑,低温地板辐射采暖的供水温度较低,一般在30-40℃;太阳能集热系统一般根据水箱底部温度决定其工作温度,工作温度越低,太阳能系统集热效率越高;生活热水要求供水温度较高,一般在50-60℃,尤其为了避免军团菌滋生,不允许生活热水长期处在30-40℃温度范围内。垂直分层水箱可以满足以上不同用途水的温度要求。


(2)节能


采用分时段和运行模式控制室温,根据供暖舒适度要求控制热能供给。


(3)回流防过热防冻措施


太阳能供热采暖系统冬季采用回流防冻,同时,水泵一停或者意外停电情况下,水自动回流到水箱,避免系统结冻和过热造成系统故障,并减小夜晚的热损失。


(4)适应性强


采用温度控制单元调节采暖供水温度,并能保持供水温度恒定,不受蓄热水箱温度的影响,因此可适配不同采暖末端,并在不同时段保证供暖需求。


(5)全自动运行,操作方便


太阳能供热采暖系统可以全自动运行,用户在不更改设定参数情况下无需进行相关操控,只是在更改设定参数时才需要进行操控,且更改参数可以参照说明书指导进行,非常方便。所以项目无需专业运行管理团队,用户可独立操作,独立管理。同时,用户可以选择自动、节能、上班等控制模式运行。


(6)运行费用低


充分利用低谷电政策和免费的太阳能,降低运行费用。


(7)保证生活热水水质


采用内置换热器保证生活用水水质。


(8)远程监控


系统可以与云监控平台连接,利用手机可以设定控制参数,监测系统运行,优化系统控制策略,提高采暖舒适度,减少使用费用。


4.典型工程分析


4.1工程概况


北京密云区石城镇桃花地新村太阳能供热采暖工程位于密云区石城镇政府以北一公里路边,密云水库西侧。


密云水库是几千万北京居民的“生命之源”。保护水库周边环境的重要性是不言而喻的。以前农村居民多采用小型燃煤炉+散热器自然循环的形式进行采暖,这种方式排放大量污染物,造成严重的大气污染,大气污染中的有害物质部分通过降雨(雪),威胁到水库水质保护。


太阳能作为新能源和可再生能源的一种,是取之不尽、用之不竭的洁净能源。利用太阳能供热采暖技术减少大气污染是落实首都蓝天行动的重要途径之一。因此石城镇政府在桃源新区建设中采用了新型绿色房屋并安装了太阳能供热采暖系统,结合水箱内置电加热替代了散煤燃烧取暖系统,尽可能的减少污染物的排放,保护水库环境。


石城镇桃花地新村建筑为单体独栋住宅,共45栋,每栋2层,采暖面积200平米左右。该建筑的围护结构较好、保暖性能良好,达到节能建筑要求;屋面为坡屋顶,主体朝向为正南方向,采光条件良好,适宜于安装太阳能集热器。


本项目建筑形式为二层,由于受屋顶安装面积限制,每户只能安装18㎡平板集热器,冬季为住户一层提供地板低温辐射采暖,达到部分节能的目的。春夏秋季为用户提供充足的生活热水。除了连续阴天等不利气象条件,太阳能系统可以完全满足三季生活热水的需要。当太阳能不能满足需求时,辅助热源电加热满足用能要求。建筑二层的采暖根据需要使用空调解决。


4.2设计参数


北京山区气候环境条件:北京地处北纬39048,冬季月日照小时数201h,冬季平均日太阳能辐照量4479W/m2,环境温度:11-3月平均气温-1.6℃,冬季极端日平均气温-9℃,最低温度-15℃,北京山区村镇冬季温度更低,极端天气最低温度达-27.4℃。


由于受屋顶安装面积限制,冬季太阳能供热采暖系统只能为住户一层提供地板低温辐射采暖,采暖面积为100㎡。设计参数如下:


1)供暖面积:100㎡。


2)采暖设计热负荷指标:80W/㎡,采暖期内平均建筑物日耗热量指标:40W/㎡,低谷电时段建筑物耗热量指标:30W/㎡。


3)供暖季天数:120天。


4)太阳能供水温度40℃,不足热量经辅助热源补充,谷电蓄热温度85℃。


5)室内设计温度:16℃


6)太阳能保证率:30%


7)供暖季太阳能集热器平均集热效率:40%


8)供暖季日均太阳辐射量:15.72(MJ/㎡·日)


9)系统热损失:0.2


10)户内供电总量9KW以内


4.3设计计算


(1)采暖热负荷计算


太阳能供热采暖系统采暖热负荷逐月计算如表2-1所示。


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表3采暖热负荷逐月计算


采暖季累计热负荷12744.2KWh


按采暖期内平均建筑物日耗热量指标40W/㎡计算采暖季累计热负荷:


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按以上计算过程,同时考虑管道内热媒体积与散热,计算得出采暖系统需集热面积20.6m2。


由于受屋顶安装面积限制,实际安装6组平板集热器,每组集热器面积为3㎡,集热面积18㎡,集热面积与采暖面积配比为1:5.5。


(3)低谷电电加热功率设计计算


辅助加热设备的功率需按系统最不利工况,即太阳能系统不工作时的条件(阴雨天)确定。电加热输出功率应满足系统最不利情况下仍能正常供暖,即100*80=8KW,约为6880Kcal/h。


(4)低谷电储热水箱设计计算


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低谷电蓄热水箱容量需满足电加热装谷电时间段内所必须储存的热量。


4.4工程节能、经济、环保效益分析


本项目共45户,单户造价44568元。从本项目投资回收年限看,以太阳能采暖方式替代电能等价格比较高的能源,投资静态回收期大致在8.5年左右,而系统寿命在15年,所以静态投资回收期远低于系统寿命,投资回报较高,项目技术经济性较好。


单户太阳能系统年替代散煤量为3787Kg/年,二氧化碳减排量10224Kg/年;二氧化硫减排量204Kg/年。整个项目45户年节约散煤170t/年,年减排二氧化碳460t/年,年减排二氧化硫9t/年。


项目自建成运行至今,经济效益方面与单纯电取暖相比共节约电费55.8万元,社会效益方面相比较散煤燃烧取暖相比共减排二氧化碳1288t,减排二氧化硫25t。


4.5系统运行结果及安装实景图


项目自从2013年11月正式投入使用以来,经过了实际考验,目前45套系统整体运行情况良好。


经过走访用户并结合软件模拟,本项目考虑供暖/热水全部需求情况下,采暖季太阳能采暖系统负责区域内室内温度一般设定在16℃,全年太阳能保证率在40%左右,全年运行费用约为20-30元/平米。


该项目被评为2016年度“首都蓝天行动科技示范工程”。


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图:密云石城镇太阳能供热采暖系统项目首都蓝天行动科技示范工程牌匾


5.结论


1.使用太阳能采暖技术是符合北方农村“散煤替代”供热采暖的有效措施之一。


2.绿色环保,采用的是太阳能这种洁净的绿色能源,避免了矿物质燃料对环境的污染,能为用户提供一个干净舒适的生活空间。


3.高效节能,太阳能供热采暖系统能最大效率的利用太阳能,可节约能源成本40-60%以上,运行成本大大降低。


4.高效运行,嵌套式温度分层水箱,将开式储热水箱和承压生活热水水箱结合构成夹套式换热器,系统利用水箱温度分层满足不同供热温度需求,保证系统高效运行。


5.安全可靠,太阳能供热采暖不会产生传统烧煤采暖炉一氧化碳中毒的危险,它是安全可靠的系统。


6.主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统可以最大限度降低投资,提高运行经济性,在现阶段最具有推广价值,建议重点推广应用。

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