中溫“光熱+”戶用供暖系統適用性分析

薛道榮 于佳卉 韓成明

0 引言

2019 年，在河北省邢臺市威縣成功實施的1 萬戶“光熱+”電戶用采暖系統，充分體現了中溫太陽能光熱系統的高效、速熱、防凍等高可靠特性，以及與常規電能設備優勢互補的特性。該項技術的推廣應用，有效地推動了太陽能光熱從低溫熱水向中溫供暖應用的產業轉型升級。

目前，中溫“光熱+”戶用供暖系統已經從河北地區向山西、山西、內蒙古、東北、西北地區輻射。中溫“光熱+”戶用供暖系統區域適用性問題逐漸凸顯出來。中溫“光熱+”戶用供暖系統應與區域進行適用性匹配設計，并通過分析設計、試制示范，逐步實現產業化，規?；?，市場化。

1 區域特性

《民用建筑設計統一標準》（GB 50352-2019）將中國劃分為了7 個主5 261 氣候區，410 220 個子氣1 653 候區。

1.1 Ⅰ建筑氣候區

嚴寒地區，該區冬季漫長嚴寒，夏季短促涼爽，西部偏于干燥，東部偏于濕潤；氣溫年較差很大；冰凍期長，凍土深，積雪厚；太陽輻射量大，日照豐富，冬季達半年且多大風。

1.2 Ⅱ建筑氣候區

寒冷地區，該區冬季較長且寒冷干燥，平原地區夏季炎熱濕潤，高原地區夏季較涼爽，降水量相對集中。氣溫年較差較大，日照較豐富，春秋季短促，氣溫變化劇烈，春季雨雪稀少，多大風、風沙天氣，夏秋多冰雹和雷暴。

1.3 Ⅵ建筑氣候區

嚴寒地區，1月平均氣溫0～-22 ℃；7月平均氣溫＜18℃。包括拉薩、西寧。該區的建筑物應充分滿足防寒、保溫、防凍的要求，夏天不需考慮防熱。ⅥC 區和ⅥB 區尚應注意凍土對建筑物地基及地下管道的影響，并應特別注意防風沙。VIC 區東部建筑物尚應注意防雷擊。該區長冬無夏，氣候寒冷干燥。

1.4 Ⅶ建筑氣候區

嚴寒地區，1 月平均氣溫-5～-20 ℃；7 月平均氣溫≥18℃；7 月平均相對濕度＜50%。包括銀川、烏魯木齊。該區的建筑物必須充分滿足防寒、保溫、防凍要求，夏季部分地區應兼顧防熱。該區大部分地區冬季漫長嚴寒，南疆盆地冬季寒冷。1 月平均氣溫為-20～-5℃，極端最低氣溫為-50～ -20℃。

1.5 其他地區

Ⅲ建筑氣候區：夏熱冬冷地區。

Ⅳ建筑氣候區：夏熱冬暖地區。

Ⅴ建筑氣候區：溫和地區。

1.6 區域特性

由上述分析可知，區域特性主要體現在以下幾個方面：

（1）冬季環境溫度影響；

（2）雪量及積雪程度；

（3）風速。

（4）建筑特性。

2 技術特點

2.1 組成

如圖1 所示，中溫“光熱+”戶用采暖系統是中溫太陽能光熱系統耦合常規清潔能源，以戶用供暖為主要用途的綜合能源系統。主要包括：太陽能光熱系統、輔助能源系統、室內散熱末端、循環管路泵閥及云平臺控制系統等。

圖1 中溫“光熱+”戶用采暖系統

2.2 光熱系統

主要包括全玻璃真空太陽集熱管、儲熱水箱、支架、連接管路等部分組成。

通過太陽能吸熱元件——全玻璃真空太陽集熱管將太陽能轉化為滿足供熱采暖要求的熱能的集熱、儲熱、供熱系統。白天太陽能光熱系統充分發揮白天太陽能免費的優勢，吸收太陽能轉化熱能，通過循環系統將熱能輸送到室內散熱末端，對采暖房間進行持續供熱采暖，且可提供四季生活熱水。

2.3 輔助能源系統

主要有燃氣爐、生物質鍋爐、醇基燃料鍋爐、熱泵、電鍋爐或電加熱器。晚上或太陽能不足時，實時啟動輔助能源系統進行室內供熱采暖。

2.4 云平臺控制系統

采用云平臺控制系統，實現太陽能光熱系統、輔助能源系統（電輔助系統或醇基燃料鍋爐系統）的自動聯動控制運行，同時實時上傳系統信息，實現實時監控。

2.5 采暖末端

常用水暖采暖末端主要有：（1）水暖氣片：包括配置輔助能源用水暖器，及內置電加熱水暖器。當采用內置電加熱水暖器時，則不需要配置輔助能源。（2）風機盤管：包括配置輔助能源用風機盤管，及內置電加熱風機盤管。當采用內置電加熱風機盤管時，則不需要配置輔助能源。（3）地暖：需要和輔助能源配置使用?？紤]水溫過高導致地暖過熱損壞問題。

3 影響因素及解決方案

3.1 集熱管

現用集熱管主要分為全玻璃真空太陽能集熱管和全玻璃熱管真空太陽集熱管。區別在于管內無水相變換熱，或管內有水對流換熱。

在嚴寒地區及部分寒冷地區，冬季環境溫度較低易凍地區，應選用全玻璃熱管真空太陽集熱管，以發揮其防凍，防垢、防漏、防炸、速熱的優勢。

在部分冬季環境溫度較高的寒冷地區，如北京以南地區時，如考慮到成本因素時，可選用全玻璃真空太陽集熱管。但應優先考慮選擇全玻璃熱管真空太陽集熱管。

優先考慮選擇全玻璃熱管真空太陽集熱管的區域，當冬季雪量較大時，集熱管圓頭處容易積雪地區，應考慮圓頭處積雪遮蓋問題。主要是影響啟動速度，少量影響得熱量。

3.2 儲熱水箱

3.2.1 凍堵問題

現有水箱為開式非承壓水箱，采用上排氣結構。當水箱溫度較高時，水箱內的水蒸氣從上排氣口排出，遇到冷空氣易凝結在上排氣口形成結冰，導致上排氣口凍堵現象。凍堵時存在如下風險：（1）室內系統維護放水時，將造成水箱負壓吸憋。（2）水箱內水溫過高，壓力過大，可能導致耐壓薄弱位置脫離原位。因此，光熱采暖機排氣口應做防凍測試，消除凍堵隱患。

3.2.2 水箱凍問題

一般如無連續雪天，太陽能集熱管均可吸熱熱能，并加熱儲熱水箱內的水。

考慮到極寒連續雪天，且集熱管被覆蓋無法加熱情況下，儲熱水箱內的水因散失熱量而存在結冰的可能?？紤]到儲熱水箱即使是100%水位條件下，上部仍有結冰膨脹空間。因此結冰導致水箱脹壞的可能性較小。

當晴天時，集熱管吸收熱量，可將水箱內的冰逐漸融化，正常使用。

3.2.3 水箱排孔間距

冬季雪量較大地區，建議增大排孔間距，防止積雪覆蓋集熱管，影響集熱?？紤]到綜合成本，可將管間距從75mm 調整到80mm 或85mm。管間距增大近30%。對于雪量不大地區，則可以維持75mm 管間距。

3.3 支架

冬季雪量較大地區，可采用5821 支架代替5818 支架，其他水箱，集熱管規格不變，則可通過抬高支架，減輕或消除集熱管積雪覆蓋問題。

考慮到系統以冬季供暖應用為主，安裝角度一般應以當地緯度為基準，增加5～10°設計，一般不低于45°。應充分考慮安裝朝向和遮擋問題。

3.4 管路防凍

太陽能冬季用熱時，管路防凍是主要問題之一。常用方法主要有：（1）伴熱防凍：極寒地區室外管路極易凍堵，采用伴熱帶防凍時將耗費大量電能，運行成本較高。對于部分寒冷地區，在極寒天氣條件下管路凍堵時，可采用伴熱帶化凍使用。（2）循環防凍：極寒地區室外管路極易凍堵，采用循環防凍時將耗費大量熱能，熱能損失大，運行成本較高。且當凍堵時，無法用循環防凍化凍，需要配置伴熱帶防凍。

3.5 輔助能源

（1）因地制宜，充分發揮當地輔助能源優勢，有效實施與太陽能光熱優勢組合。

（2）電能輔助時，考慮電網增容問題。燃氣輔助時，應考慮燃氣供應價格和穩定問題。

（3）生物質輔助時，考慮生物質原料來源，及與鍋爐適應性問題。

3.6 采暖末端

無論采用何種水暖末端，在冬季不供暖時都應考慮管路排空，防止結冰凍壞問題。

北方供暖區域主要以水暖氣片為主?，F有系統適合常規水暖氣片供暖和地暖供暖。

對于間斷性供暖需求的區域，特別逐漸提出供暖需求的南方地區，可選擇水暖風機盤管。

3.7 云控制器

以現有2G 或4G 模塊云控制器較為適宜，可以實施遠程監控，實時了解用戶使用情況，系統采暖季節運行費用情況。

4 系統耦合優勢

區別于常規太陽能熱水系統僅能用于45℃生活熱水應用，太陽能光熱供暖系統可提供60℃以上冬季供暖應用，以及四季生活熱水應用。太陽能光熱供暖系統能源來源于太陽能，具有顯著的免費、節能、減排、降費、降耗的優勢。因此，太陽能光熱系統節能量取決于安裝數量的多少。安裝得越多，則節省采暖運行費用越多。但初投資越多，非采暖季或采暖初期能源浪費也多。因此，應充分考慮初投資成本、供暖面積和常住人口數量等因素，應合理配置太陽能光熱系統安裝量，一般集熱面積對比有效供暖面積配置按1:5～1:10 選用。

太陽能光熱系統可以與常規電、燃氣、生物質等多種能源和設備進行耦合應用。因地制宜地選擇適合當地的清潔能源作為輔助能源應用，充分發揮常規能源的穩定性、保障性優勢，實現中溫太陽能光熱系統和常規能源的優勢互補。最終實現中溫“光熱+”戶用供暖系統穩定、可靠、低成本、高效率供暖應用。

5 結論

中溫太陽能光熱供暖系統能夠很好地適應中國北方各個地區的供暖區域需求，具有顯著的免費、節能、減排、降費、降耗效益；中溫“光熱+”戶用供暖系統實現了中溫太陽能光熱供暖系統和各種常規能源系統的優勢互補和耦合，充分體現了兩套系統的耦合互補關系，而不是競爭關系。因此，隨著北方清潔能源供暖項目的逐年推進，以及雙碳目標的確定，中溫“光熱+”戶用供暖系統將在北方清潔能源用戶供暖市場應用中逐步取得主要地位。