基于槽式太阳能供暖技术的工程实例分析

1、北方地区营区建筑供暖现状

针对北方地区营区建筑热水供暖系统普遍存在的供暖效率差、室内温度低、运行费用高等问题，项目组对100余个营区进行了调研并对其原因进行了深入分析。调查内容包括建筑年代、热源平均运行时间、外网敷设年代、室内温度等。

北方地区营区的建筑冬季供暖效率低、供暖效果不好、可靠性差的原因主要如下：

1）围护结构保温性能差。大多数建筑建于20世纪70—90年代。此类建筑围护结构保温性能差，建筑耗热量达60 W/m2以上，年耗标准煤达40 kg/m2以上。

2）外网管道阀门破损严重、保温层脱落，外网热损失大。绝大多数供热管网的敷设年代是20世纪80—90年代。从现场调研发现，管网老旧，跑、冒、滴、漏现象严重，有的甚至浸泡在水中。

3）外网的水力失调引起热力失调，导致大流量、大热源运行，造成供热能效很低。

4）供暖系统不完善。系统未设置软化水设备，使得管道结垢严重，造成锅炉及管道运行寿命低，系统不严密，使得系统内经常集气，造成运行不正常。老建筑室内供暖系统不合理，造成室内供暖系统水力失调，温度冷热不均。

5）一般热容量为1 t/h的锅炉可供1万～1.5万m2的建筑面积，但调查结果显示，实际只供了额定值30％的供暖面积，锅炉耗煤高达48.23 kg/m2，锅炉为间歇运行方式，不在高效率点运行，效率很低。

6）北方地区大部分营区距离中心城市200 km以上，能源需求主要依靠市政电网和化石能源，能源供应问题突出，如果地区局势紧张或者天气原因，燃料补给困难甚至中断，营区自身又无法进行能源供应，将会给军队的机动性和作战带来巨大的影响。

7）系统集成度低，维修率高。由于无法保证工程项目施工质量，供暖系统集成度又低，导致维修率高、工作量大。因为营区建筑远离城市、运输不便，战士又缺乏必备的维修技能，经常发生部件更换不及时导致漏水现象严重。

针对以上问题，本文提出一种槽式太阳能供暖方案，为未来解决该类地区供暖问题提供一条途径。

2、槽式太阳能供暖系统

2.1槽式太阳能供暖系统原理

槽式太阳能供暖系统主要包括太阳能集热器、蓄能型换热器、辅助热源和热用户，供暖系统主要由集热器侧导热油循环与负荷侧水循环组成。

导热油循环：低温导热油从蓄能型换热器流出，被油泵送到集热器中吸取热量，变成120℃高温导热油，高温导热油经过蓄能型换热器加热换热器内的水，导热油温度降低，变成低温导热油，进入下一轮循环。

水循环：负荷侧的低温水进入蓄能型换热器，被120℃高温导热油加热，温度升高，经过水泵送入用户，温度降低，变成低温水进入蓄能型换热器中，进入下一轮循环。

2.2槽式太阳能供暖系统运行模式

由于太阳能具有间断性和不稳定性，为了平衡太阳能供暖和蓄热关系，该系统设计了多种运行模式，各个模式之间相互切换主要是靠监测集热器出油温度和蓄能型换热器内蓄热油温度、蓄能型换热器两侧进口温差，与设定温度比较，判断适合哪种运行模式。蓄能型换热器换热开始设定温差为5℃，换热结束时设定温差为2℃。

1）太阳能供暖、蓄热模式：日照充足时，集热器集热量不但可以满足全部建筑物的耗热量且有剩余，剩余的热量储存在蓄能型换热器中。其控制方式为开启油泵、水泵；开启阀门1～4，6～8，关闭其他阀门。

2）太阳能直接供暖模式：日照较为充足时，集热器集热量仅能满足建筑物耗热量，此时没有多余热量储存，或者日照充足，但蓄能型换热器蓄热温度已达上限，无法再进行蓄热。其控制方式同上。

3）蓄能型换热器独立供暖模式：夜间或阴天时，集热器不工作，建筑物所消耗的热量全部由蓄能型换热器承担，此时只有蓄能型换热器工作。其控制方式为开启水泵，关闭油泵；开启阀门3，4，7，8，关闭其他阀门。

4）蓄能型换热器蓄热辅助热源供暖模式：太阳辐照度很小，集热器出油温度很低，无法单独供暖，并且蓄能型换热器温度也很低，无法供暖，但是蓄能型换热器满足换热温差，同时开启辅助热源为用户供暖。其控制方式为开启油泵、水泵；开启阀门1，2，5，7～10，关闭其他阀门。

5）辅助热源独立供暖模式：当集热器和蓄能型换热器都无法工作时，此时只由辅助热源单独为建筑物供暖。其控制方式为开启水泵，关闭油泵；开启阀门5，7～10，关闭其他阀门。

3、工程实例

3.1工程概况

该定检修理厂位于辽宁省沈阳军区某部，地处偏远，过去冬季依靠小型燃煤锅炉供暖，供暖效果差，能源运输成本高，且污染严重，不利于提高部队战斗力。该修理厂总建筑面积3 600 m2，地上1层，高度为7 m，设计热负荷126 kW。沈阳市属于严寒C区（3 800℃•d≤HDD18＜5 000℃•d），太阳能资源Ⅲ类地区，当地最冷月平均温度－11.46℃，供暖室外计算温度为－16.9℃，白天室内设计温度为14℃，夜间保证值班供暖温度6℃。

3.2供暖方案

3.2.1降低建筑物围护结构能耗

改善室内环境、提高室内温度的根本措施之一就是提高围护结构的保温性能，降低围护结构散热损失。通过提高围护结构的保温性能一方面可以减少室外温度变化对室内温度的影响，另一方面减少供暖系统配置。改造前后的围护结构传热系数见表1。

3.2.2槽式太阳能供暖技术

针对建筑物自身情况及当地气候环境，采用槽式太阳能供暖技术，太阳能集热器面积480 m2，分成4排布置于定检修理厂的屋顶。其他主要设备参数见表2。该技术引入聚光型太阳能供暖系统与电锅炉辅助加热的方式为修理厂供暖，降低了对化石能源的需求，提高了自身独立依存的能力，提高了后勤保障模式，受到了驻地官兵的欢迎。

3.3系统运行数据分析

为检验该系统实际供暖效果，项目组对太阳能集热器集热量、太阳能保证率、集热器集热效率和室内温度等参数进行了为期91 d的现场跟踪测试，下面选取具有代表性的数据进行分析。

3.3.1集热量与太阳能保证率分析

由2016年1月31日太阳能集热系统的有效集热量与保证率的变化情况可以看出，16：15时瞬时有效集热量为18.3 kW，11：10达到219.3 kW，31日的小时平均有效集热量达到546.88 MJ。

太阳能保证率是指太阳能集热系统所提供的有用热量占系统总耗热量的百分比，是表征太阳能供暖系统对太阳能利用程度的重要参数。31日11：00—12：00期间，太阳能集热器的集热量可以满足建筑的全部供暖需求。在16：15时，太阳能供热能力最小，只有87.71 MJ，同时瞬时太阳能保证率也最低，为11.28％。全天太阳能平均供热量546.88 MJ，太阳能全天累计供热量为3 281.04 MJ，全天供暖累计耗热量为14 550.23 MJ，31日的日太阳能保证率为23％，通过统计，整个供暖季的供暖累计耗热量为2 518 127.6 MJ，供暖季太阳能保证率为28％。

3.3.2集热器集热效率分析

太阳能集热器效率的定义为：在稳态（或准稳态）条件下，集热器传热介质在规定时段内输出的能量与规定的集热器面积和同一时段内照射在集热器上的太阳辐照量的乘积之比。集热器的集热效率是衡量其热性能的重要指标。

由2016年1月31日太阳能集热器集热效率变化情况可以看出，在运行初期与末期，由于太阳辐照度低的原因，有效集热量少，导致集热效率低，期间随着太阳辐照度的增强，集热器的有效集热量增加，效率增大，最高时达到86.9％，由于建筑物热负荷的波动，负荷侧进出口温度变化较频繁，集热器效率一直在变化，31日集热器平均集热效率为65.9％。可见，相比于非聚光型太阳能集热器，槽式太阳能集热器具有较高的集热效率，更适用于太阳能供暖系统。

3.3.3集热器进、出油温度分析

由2016年1月31日集热器进出油温度的变化情况可以看出：太阳能集热器出油温度13：25达到最高值152.2℃，进油温度在14：20达到最高值124℃；在10：00—17：00期间，集热器平均出油温度为121.9℃，集热器平均进油温度为98.4℃，集热器平均温升为23.5℃，集热器进出油温差最大值出现在11：40，达到40.7℃，最小值出现在16：20，只有0.8℃，集热器进出油平均温差为20.8℃，集热器工作温度较高。

3.4系统效益分析

该项目初投资增量为144万，电价按1.00元/（kW•h）考虑。通过项目改造，太阳能集热系统寿命周期（20 a）内总节省费用为567.97万元，太阳能集热系统的费效比为0.123元/（kW•h），太阳能集热系统的回收年限为2.78 a，系统寿命周期内节约标准煤1 438.64 t，二氧化碳减排量3 829.67 t，烟尘减排量14.39 t，二氧化硫减排量28.77 t，氮氧化物减排量2.09 t。

综上所述，通过对该项目的节能改造，可大幅度降低能耗，降低供暖成本，减少污染物的排放，延长现有设备的使用年限。