太阳供热技术在北方地区蔬菜大棚房中的利用——大庆太阳能阳光蔬菜大棚房采暖供热示范项目

珠海兴业节能科技有限公司 ■ 张友良 杨涛

黑龙江省位于我国最北部，冬季严寒。一月份平均最低气温−20℃～−30℃，地面极端最低气温曾达−52.3℃。采暖期长达145～198天。目前，在北方寒冷地区城镇没有集中供暖的小型单体建筑采暖主要利用小型燃煤锅炉或火炉，供热效率低，能源消耗量大，并产生大量的污染物排放。黑龙江省的太阳能年总辐射量居全国中等水平。12月份辐射总量为14.6～19.7kJ/cm2。人们曾对黑龙江省冬季太阳辐射资源的利用价值表示怀疑，甚至将黑龙江省视为太阳能采暖的“禁区”。实际上，该省冬季的日照百分率达65%～70%。通过对其各地南向垂直面上的月平均日辐射总量的计算看出，辐射条件最差的12月份，南向垂直面上的辐射总量也可达9.314.8kJ/cm2，不低于低纬度的广州和南京，与北京地区相当。因此，在冬季完全可以利用太阳能采暖。

我们根据大庆地区的实际情况，设计和实施了位于大庆萨尔图区黑鱼湖生态园内的太阳能阳光蔬菜大棚房采暖供热示范项目。

一 项目概况

本示范项目为太阳能阳光蔬菜大棚房提供太阳能采暖。太阳能阳光蔬菜大棚本身的温度保持由大棚的阳光间设计提供。蔬菜大棚中的大棚房是管理人员办公和生活的配套区间，需要采暖的建筑面积为400m2，蔬菜大棚及锅炉房实景如图1所示，主要以太阳能集热系统作为采暖热源，电热锅炉作为辅助热源，使采暖期内室内温度维持在24℃，另提供8～10人的日常生活热水。

在太阳能阳光蔬菜大棚房示范项目的实施过程中倡导光热节能建筑一体化的设计理念，特别注意了对大棚房外墙体保温结构的设计，以降低采暖供热系统的热负荷，提高太阳能采暖供热系统的可靠性，达到节能减排、降低建筑能耗的目的。

二 系统组成及运行原理

大庆太阳能阳光蔬菜大棚房采暖供热系统主要由热管真空管集热器、平板型集热器、采暖水箱、生活水箱、导热油放置箱、辅助热源(电锅炉)、太阳能循环泵、换热循环泵、板式换热器、采暖循环泵等组成，其运行原理图如图2所示。

本系统在采暖期间全天候采暖及供应生活热水，其他季节只需要全天候供应生活热水。因大庆地区冬季气温很低，设计采用抗冻性强、热效率高、安全可靠的太阳能热管真空管和易于与建筑结合的平板型集热器，热管真空管放置在建筑顶部，平板型集热器与建筑结构结合，嵌入式安装在大棚采光面的上部。太阳能集热器布置效果图如图3所示。

系统运行原理：太阳能集热系统通过间接加热方式加热采暖工质水和生活用水。太阳能集热循环泵采用温差控制模式运行，利用太阳能不断地对导热油箱进行加热，当导热油箱的温度高于采暖工质水箱时，换热循环泵启动，通过板式换热器加热采暖循环水。供热循环泵将采暖热水分别供应至采暖末端的超导暖气片及生活水箱内。采暖工质水温度达不到供暖要求时，通过电动三通阀的切换，直接启动电锅炉进行辅助供暖；生活热水温度达不到供水要求时，则由水箱自带的电加热管辅助供热，确保采暖系统持续稳定运行。

三 系统能耗估算及设备的选定

1 系统耗热量估算

采暖期从10月开始到次年的4月初结束，共180天左右，气象参数如表1所示。采暖期内室内温度要求维持在24℃左右，日常另需供应8～10人用生活热水。因采暖系统需要的热量远大于生活热水需要的热量，所以整个系统总供热量按采暖需求设计。

表1 大庆地区采暖期气象参数

本项目大棚房建筑面积为400 m2，按节能建筑标准设计建造，维护结构保温良好，根据项目实际情况，采暖热负荷指标按80W/m2估算，则采暖热负荷为：

每天采暖供热按24小时计，则每日总耗热量为：

2 太阳能集热器面积确定

本地区采暖期内6个月的日平均辐照量14.08MJ/m2；根据本工程使用特点，太阳能采暖保证率取45%；根据本公司热管真空管和平板式集热器产品性能测试数据和工程经验，平均集热效率取50%。参考GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中提供的计算方法，可得本项目需要的太阳能集热器总面积为218 m2。

根据现场实际情况，大棚采光面可集成65块平板型集热器，每块集热面积1.5 m2，总集热面积为97.5 m2；另在大棚房的屋面上铺设30块热管真空管集热器，每组集热面积4.3 m2，总集热面积为129 m2。两种集热器的总集热面积为226.5 m2，为了在采暖季达到更好的采暖效果，集热器的倾角设置为55°。

3 水箱容量的确定

白天日照充足时，采暖系统所需的供热负荷较小，为了将富余的太阳能热量加以储存，以备日落后供热使用，系统需要设置一个储热水箱。本项目水箱储热温度最高按70℃，最低按40℃，按储存每日太阳能集热器有效供热量的50%计，根据太阳能集热器面积计算结果和相关参数，计算可得本系统所需要的蓄热水箱容水量为5713kg，蓄热水箱的容量可确定为6 m3。

4 自动控制系统

本示范项目控制系统采用工业级可编程控制器，实现太阳能和辅助加热系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性与稳定性，并可根据客户的实际需要修改控制程序。控制系统随时采集系统参数，并按照预先设定的程序自动控制太阳能循环泵、换热循环泵、热水补水增压泵、太阳能供热循环泵、电锅炉、锅炉供热循环泵等设备的运行。根据实际需要，控制系统可切换入手动控制模式。

四 系统节能减排效益预测

本太阳能采暖示范系统安装太阳能集热器总面积226.5 m2，采暖期内集热器平均集热效率按50%计算，则系统有效得热量预测如表2。

表2 太阳能供热系统节能量计算

通过计算可得，在年采暖期内，太阳能供热系统节能量约为289940MJ，相当于减少约8.5万kWh电能消耗(电加热供热效率按95%计)，或减少10000m3天然气消耗(燃气供热设备效率按80%计)。

根据节能量预测结果，与传统供热方式相比，本太阳能采暖示范系统每个采暖期可减少碳排放量约40t。

五 系统技术优势

本项目太阳能集热系统承压运行，间接对采暖循环水系统加热，采用30组(129 m2)热管真空管集热器和65组(102 m2)平板型集热器。热管真空管、平板集热器优势互补，使整个集热系统在冬季有比较高的集热效率，而在非采暖期热量需求较少时不至于过热，系统循环的换热介质为导热油，三者结合可满足系统制取高温热水供应采暖和生活热水的要求。

1 光热建筑一体化——平板集热器

本太阳能阳光蔬菜大棚房示范项目倡导光热节能建筑一体化的设计理念，大棚采光面采用新型建筑材料——中空玻璃铺设，具有良好的隔热隔音效果、美观适用、并可降低建筑物自重；且平板型集热器嵌入式安装在大棚采光面的上部(大棚屋面设备布置如图4所示)，实现与大棚建筑结构一体化的结合。

平板集热器采用珠海兴业节能科技公司自主生产的磁控溅射铝基蓝膜吸热板，吸收率高达95%，发射率低至5%，最大极限完成太阳能光热转化，选择吸收性及耐候性好，使用25年后性能衰减不超过5%。集热器进出水口针对本项目特殊定制，从集热器底部开孔，通过不锈钢波纹管连接(集热器连接管道节点图如图5所示)，集热器间缝隙通过耐候胶密封，既完成了集热器系统的连接也保证大棚屋面的美观和密闭性。

2 热管式真空管集热器的优化设计

为了给客户最合理优化的太阳能采暖供热系统，针对热管真空管的实际应用做了实验。在实验过程中我们发现现有的热管式真空管集热器的集管管径偏小，不具备储热功能，换热不及时集热器温度就会快速升高，所以集热循环泵需不停的运行，节能效果减低。因此，结合本示范项目的实际情况我们对热管式真空管集热器进行了优化设计。

经优化设计后的热管真空管集热器联集箱结构如图6，每组集热器16支¯102×2000mm热管真空管，采用容积为16L的联集箱，联箱内全部走换热介质，热管真空管的冷凝管端直接连接入箱内与换热介质换热。通过这一改进能有效增加单位时间内的换热量，换热效率增加，热量能及时快速的被循环带走，可避免真空管联集箱内温度过热，且换热循环泵启动时间缩短，节能效果明显。

3 换热介质——导热油

本项目太阳能系统主要供冬季采暖使用，要求系统能制取较高温度的热水，所采用的热管真空管集热器闷晒温度可达280℃，所以本项目在技术上大胆创新地采用了导热油作为换热介质。导热油可以在常压条件下加热至300℃以上而不气化，冷却至-60℃ 左右而不凝结，用于0℃以下的地区不易堵塞管路，节能效果好，经济效益高。

4 系统的防冻和防过热措施

集热系统工质采用导热油(适用范围：-60℃～300℃)不存在结冻的隐患，并在下午没有光照后，定时通过旁路管路将太阳能集热器中的导热油在自身重力的作用下回流到导热油放置箱，减少夜晚的热量损失。在非采暖季，集热器自身可以达到闷晒的平衡状态，对于集成在大棚采光面上的平板集热器也可以采用遮盖的方式实现防过热保护。

5 采暖末端——超导暖气片

本系统的采暖末端采用超导暖气片。超导暖气片具有导热迅速，高效节能、承压大、寿命长、耐腐蚀等优点，设备明装于屋内，维护方便，并且暖气片表面温度较低，使用安全。

六 结语

大庆太阳能阳光蔬菜大棚房采暖供热系统作为太阳能主动供热技术在蔬菜大棚房采暖应用中的示范项目，在系统设计和实施中对系统的供热效率、使用寿命、太阳能与建筑一体化、后期维护和运行以及投资的经济性等各方面进行了科学论证，综合应用了目前太阳能光热应用领域先进的产品和技术，确保本示范系统在实际运行中能够实现良好的节能和环保效果。希望通过本示范项目的实施和实际运行，能够为蔬菜温室大棚的供热探索出一个新的方式，进一步推动太阳能供热技术的发展。