针对既有农宅的太阳能热水采暖系统的应用研究

中国科学院电工研究所 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室　■ 杨铭邓杰

针对既有农宅的太阳能热水采暖系统的应用研究

中国科学院电工研究所 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室■ 杨铭*邓杰

通过对改造既有农宅的太阳能热水采暖系统进行设计、建设及监测，了解太阳能热水采暖系统在实际应用中的采暖效果，并针对既有农宅使用该清洁能源采暖提出一些建议。

太阳能热水采暖；改造既有农宅；节能减排

0　引言

在我国北方大部分郊区县和农村地区，中小型燃煤采暖锅炉使用普遍，虽然其污染源规模小但数量多，通过大气环流作用，对当地环境造成极大污染，是造成雾霾的重要原因之一。太阳能热水采暖系统使用太阳能作为采暖热源之一，能在一定程度上替代不清洁能源的使用，对我国整体环境质量的改善起到积极作用。

1　户用太阳能热水采暖系统发展现状

1.1发展概况

雾霾已给我国人民的生活和健康带来了严重影响[1]。究其原因，建筑冬季燃煤供暖产生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、可吸入性颗粒物等污染排放，对大气环境的影响极大[2]。由于对环境质量改善的重视，部分城市开始推动煤炭等传统化石能源的清洁化利用，例如采用天然气、电等逐步替代燃煤采暖。但在北方大部分中小城镇和农村地区，中小型燃煤采暖锅炉的使用仍然极为普遍。由于燃煤锅炉的自身特点，其燃烧效率低、污染排放强度大，极大地恶化了当地的环境质量。因此，若要彻底解决冬季采暖造成的环境污染，尤其是大气污染问题，需要大力发展太阳能、风能、生物质能源等可再生能源清洁利用，从源头上减少污染源的排放量。我国北方中小城镇地区建筑体形系数大、建筑密度低、太阳能资源较好，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[3]。

近几年，我国政府已经意识到能源结构调整与环境保护的重要性，制定了诸如《节能中长期专项规划》《中华人民共和国可再生能源法》《可再生能源中长期发展规划》等支持政策，以加快太阳能采暖的规模化利用[4]。在技术推进方面，“十一五”期间，科技部部署了诸如“可再生能源与建筑集成技术研究与示范”“太阳能富集地区超低采暖能耗居住建筑设计研究”“村镇小康住宅关键技术研究与示范”等一系列科技项目，重点突破了太阳能热水采暖系统中的集成优化技术问题。国家建设部于2009年颁布了工程建设标准GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》[5]，对规范太阳能热水采暖工程的设计、施工和验收等方面起到积极推动的作用[3]。经过近几年的发展，乡村单体居住建筑的太阳能热水采暖系统补贴性示范工程进展迅速，尤其是在北京平谷、怀柔等郊区县，已经建立了数千户的示范工程，其中包括平谷区将军关、玻璃台、挂甲峪等地区针对新建农宅的村级示范[3]，也包括房山、昌平、延庆等地区针对既有农宅的单户改造示范。

1.2技术原理

户用太阳能热水采暖系统一般由以下几部分构成：

1)太阳能集热系统：由集热器、太阳能集热循环水泵等组成，其作用是通过太阳能集热器最大限度地收集太阳能量。

2)储热系统：太阳能集热量的储存；多数采暖示范工程采用热水作为存贮介质。

3)辅助能源保障系统：可由各种类型的可控、稳定的常规能源组成，作为太阳能集热系统的补充，在连续雨雪天气或有其他特殊供暖需求而太阳能集热系统无法保障时，启动辅助能源系统，以满足建筑物的供热需求。一般采用燃煤炉、热泵、电锅炉、生物质采暖炉等。

4)采暖末端系统：在太阳能供热采暖系统中，采暖末端有水-空气处理设备(如风机盘管系统)、低温热水辐射系统等。对于改造农宅，一般也采用原有供热末端，多以散热器为主。

5)生活热水供应系统：太阳能采暖热水系统除满足采暖季的采暖负荷外，还可以向建筑物提供全年的生活用热水[6]。

根据太阳能集热器形式，可分为真空管集热采暖系统和平板集热采暖系统；根据集热、储热系统连接方式，可分为闭式系统(见图1)和开式系统(见图2)[7]。由于开式系统减少了集热器与水箱之间的换热器，使其初投资相对较低，但由于开式系统内的水位变化，需要谨防由于系统运行过程中水位过低造成的水泵异响等问题。

无论开式与闭式系统，为了减少用户的手动操作，提高系统的智能化运作。目前太阳能热水采暖系统运行基本采用自动控制系统，运行控制模式如下：

1)太阳能集热循环控制。

目前示范工程多采用温差循环控制，当集热器输出温度与集热水箱下部温度的差值介于8～10 ℃时，集热循环开启，集热循环泵启动；当集热器输出温度与集热水箱下部温度的差值≤4 ℃时，集热循环关闭，集热循环泵关闭。

2)冬季采暖工况下的辅助热源加热循环控制。

当集热水箱下部温度小于设定值时，启动辅助热源，如若辅助热源采用空气源热泵，则空气源热泵加热循环开启，热泵循环泵和空气源热泵开启；当集热水箱下部温度大于设定时，辅助热源加热循环关闭，如若辅助热源采用空气源热泵，热泵循环泵和空气源热泵关闭。

3)采暖循环控制。

当室内温度低于采暖目标温度时，采暖末端给出控制信号，采暖循环泵启动；当室内温度达到采暖目标温度+2 ℃时，采暖循环泵停止。

4)系统防冻循环控制。

目前系统防冻措施有3种方式：管路伴热带、集热系统排空、低速循环。

采用管路伴热带时，当太阳能集热室外管路壁面温度＆lt;5 ℃时，启动集热循环泵(测温点一般选择在室外集热回水管路上的任一点管壁上)，同时启动伴热带；当太阳能集热管路温度达到8℃时，停止集热循环泵，同时关闭伴热带。

采用集热系统排空防冻时，集热系统中的水顺管路排至水箱，当集热系统不工作时，室外集热器及管路中一般无水，由此实现防冻，这种排空防冻常用于开式系统。

采用闭式系统时，当太阳能集热室外管路壁面温度＆lt;5 ℃时，启动集热循环泵(测温点一般选择在室外集热回水管路上的任一点管壁上)，通过水箱与集热系统之间的低速循环防止水冻结。

5)系统过热保护循环。

当集热水箱内温度＆gt;90 ℃时，集热循环泵停止，系统处于闷晒状态。

图1　开式采暖系统

图2　闭式采暖系统

1.3系统特点

户用太阳能热水采暖系统具有以下特点：

1)系统可控性好，室温波动小，舒适度好。

采暖系统配置有自控系统，一般无需用户手动操作，系统使用的便利性较好。此外，系统有短期储热水箱及准确的控温系统，能够确保较小的室温波动。在系统正常运转的条件下，房间日温度波动可控制在目标室温的2～5 ℃以内。

2)系统节能减排效果明显。

根据相关示范工程经验，为保证系统的经济性，在我国大部分北方地区，太阳能集热面积约为采暖面积的1/8～1/6，太阳能采暖保证率为20％～40％，每户每年约减少燃煤1.5 t，相当于年减排二氧化碳4.2 t、二氧化硫20.8 kg、氮氧化物10.5 kg。

3)系统初投资较高，投资回收期长。

根据目前示范工程的报价来看(主要针对寒冷地区)，系统初投资在400～650元/m2。对于采暖面积在100 m2的农宅来说，开式系统初投资约4～5万元，闭式系统约6～7万元。由于初投资成本高于其他常规能源采暖设施，在无政府补贴情况下，很难作为一般农村家庭的首选采暖系统。虽然太阳能热水采暖系统的运行费用约为常规能源采暖系统的一半，但由于其较高的初投资，在不考虑减排的前提下，其经济回收期较长，甚至会出现在系统寿命周期内无法回收初投资的现象。

表1　不同采暖系统运行费用比较

2　针对既有农宅的示范工程建设及实际应用效果

不同于新建农宅，既有农宅具有如下特点：

1)既有农宅建筑格局已确定，多数既有农宅没有专门的设备间，储热水箱、补热系统的摆放位置需要根据建筑格局具体确定。

2)基础设施不完备，主要体现在水和电方面。多数农宅无自来水系统，系统补水需要一定人工操作；另外，一般农宅家庭用电最大功率为4 kW，如果采用电锅炉或热泵机组作为补热系统，最大耗电功率达到10 kW以上，超出用电最大荷载。

3)屋顶承重荷载较小。一些农宅屋顶为不上人屋面，在屋顶上构架太阳能集热器，需要确保屋顶承重荷载能够满足要求。

4)一般保留原有采暖系统。多数原有采暖系统使用小型燃煤炉或灶，除连接散热器作为采暖末端外，有可能连接火炕作为采暖末端。在这种情况下，考虑用户的多样化需要，有可能需要保留原有采暖系统，使用户实现随时切换。如果原有系统采用散热器作为散热末端，其太阳能集热侧出水温度需要达到50～55 ℃。

由于以上原因，针对改造既有农宅的太阳能热水采暖系统的设计与施工具有更高难度。为了明确太阳能热水采暖系统在既有农宅中的设计、施工及使用情况，选定在北京市延庆县建设若干示范工程，下文以其中一户作为实际案例进行详细说明。

2.1示范工程概况

示范户建筑外观如图3所示，建筑采暖区域如图4所示。

图3　建筑外观

图4　建筑围护结构布局尺寸图

1)建筑本体概况：建筑面积118 m2，实际采暖面积共96 m2；建筑外墙370 mm(除南墙、屋顶外，其他3面外墙做6 cm厚的EPS保温)，内墙150 mm；窗户为双层塑钢窗。

2)原有采暖系统概况：小型燃煤锅炉供暖系统采用一个炉子供6间房(一套系统)，住宅西起第1间和第3间的末端为不锈钢镀搪散热器；其他4间为老式铸铁散热器(供回水支管的轴线距离650 mm)。

3)室温需求：根据入户调研情况，冬季室温设定值为18～24℃。

4)系统一次投资：初投资费用不超过4.39万元。

2.2采暖系统设计与建设过程

1)太阳能采光面积。

房间设计热负荷指标取30 W/m2，太阳能辐照度600 W/m2，设计太阳能保证率35％(此数据根据初投资限制选取)；同时考虑屋顶承重问题，采用玻璃热管集热器，以降低单位采光面积屋面荷载。根据计算，太阳能采光面积为14.65 m2，共5组太阳能集热器。

图5　示范工程中使用的玻璃热管集热器

图6　示范农户家的太阳能热水采暖系统

2)水箱容量。

由于本示范工程散热末端仍采用原有散热器，水箱出水温度设定值为50～55℃，供热回水温度30 ℃；水箱容量取400 L。由于改造户没有专门的设备间，水箱放置于客厅北侧(如图4所示)，水箱尽可能靠墙设置，靠近北墙的空气源热泵室外机组。

3)空气源热泵辅热系统容量。

考虑若太阳能无法工作的情况下，空气源热泵需满足所有建筑供暖需求，于是，空气源热泵机组容量选择为5匹。

图7　空气源热泵室外机组

4)系统设计与控制。

太阳能采暖系统与空气源热泵系统采用并联方式。优先使用太阳能供暖系统，当水箱温度无法满足50～55 ℃要求时，启动空气源热泵机组加热水箱，满足供热要求。

图8　基于TRNSYS的系统运行原理图[8]

系统全部采用自动控制，整个控制系统由太阳能集热循环、辅助热源加热循环、采暖循环、系统防冻循环、过热保护循环构成，其控制原理如本文1.2节所述。考虑到用户使用的方便性，开发了简便的小型控制器与控制箱相连。用户仅需设定室内温度和水箱供水温度即可，无需设定其他运行控制参数，明显改善了用户使用的便利性。

图9　小型控制器(左侧微小型控制器，与右侧控制箱相连)

示范工程的建设周期约为45天(不含前期准备)。其中，30天用于水、电改造，即改进用户侧电网，提高最大使用容量；增加自来水系统，实现自动补水；15天用于太阳能供热系统施工和调试，即集热器屋顶支撑钢架、热水器、水箱、热泵防震地基、热泵机组等的安装工作。

2.3采暖效果

2015年采暖季对示范农宅进行入户测试。根据室外环境测试数据，气象数据变化如表2所示。冬季太阳能资源条件较好，最大辐照度可以达到1000 W/m2，且晴天较多。

表2　室外温度与太阳能辐照度

在如表2所示的资源条件下，如图10所示，在测试期间，房间温度变化范围基本维持在13～23 ℃，平均室温达到18 ℃，能够满足用户对热舒适度的要求。

根据对太阳能集热侧、空气源热泵运行侧、末端供热侧的累计热量及电量监测：1)空气源热泵机组耗电量为4.33 MWh(电表测量)；2)空气源热泵机组供热量为6.89 MWh(热表测量)；3)太阳能供热量为1.86 MWh(热表测量)；4)末端循环侧供热量为7.14 MWh(热表测量)。

图10　房间温度变化

根据热表计量数据来看，太阳能供热量与空气源热泵机组供热量之和大于末端循环侧供热量，其主要原因在于水箱为开式水箱，蒸发量较大，导致从末端循环侧供入末端散热器内的热量减少。但由于水箱至于房间内，其蒸发热量仍散入室内，因而太阳能热水采暖系统向房间的总供热量为8.75 MWh，其中太阳能供热量1.86 MWh，太阳能保证率21％，空气源热泵机组运行COP为1.6。

测试期间，用户电价为0.55元/kWh，即热泵机组耗电量为2381.5元。根据调研，用户原有小型燃煤炉初投资2000元，经政府补贴后的型煤价格为330元/t，每年使用约4 t型煤，即燃煤运行费用1320元，初投资与运行费用均低于太阳能热水采暖系统，使太阳能热水采暖系统很难成为农村用户的供暖首选系统。

3　结论与建议

太阳能热水采暖系统能够满足用户对室内热舒适度的要求，且通过优化控制系统，可使得系统调节更加便捷，便于用户使用。但由于既有农宅本身的特点，应用太阳能热水采暖系统前，必须确保满足以下条件：

1)建筑保温实施到位。根据GB/T 50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》中关于围护结构传热限值的规定，确保围护结构具有良好的保温性能，从而可以减少太阳能热水采暖系统配置容量，减少初投资和运行费用，提高系统运行经济性。

2)电网容量配置到位。目前一般农村家庭配电容量在约4 kW，而采用电驱动辅助热源(如热泵、电锅炉等)的启动用电负荷达到10 kW以上，因而在实施太阳能热水采暖系统前，应增加用户配电容量。

3)自来水入户。有自动补水功能的采暖系统使用起来更加便捷，但对于没有自动补水的用户，需要定期自动补水，且补水水位不容易控制。尤其对于开式系统，用户一旦出现补水过量，容易造成水箱溢水等问题。

4)有充足的设备放置区域。对于改造的既有农宅，家中本身未设置设备放置区域，水箱、水泵等设备放置区域较为局促，在一定程度上影响施工；同时，水泵运行噪音有时会对用户造成一定影响。

另外，与原有农宅使用的燃煤系统相比，太阳能热水采暖系统由于其高昂的初投资和运行费用，不具有经济性，很难成为用户的首选采暖系统。因此，为了推进清洁可再生能源采暖系统的规模化使用，建议相关部门通过降低农户热水采暖价格和补贴初投资等方式，继续推进太阳能采暖等可再生能源，限制不清洁能源的使用，从根本上减少冬季雾霾情况。

[1] 吴萍，余文周. 雾霾成因、危害、工种反应及治理对策的探讨[J]. 中国公共卫生管理，2014, 6(30): 453-454.

[2] 魏嘉，吕阳, 付柏淋. 我国雾霾成因及防控策略研究[J]. 环境保护科学，2014, (5): 51-56.

[3] 杨铭，王志峰，杨旭东, 等. 我国农村地区太阳能利用方式和原则[J]. 建设科技，2012, (9): 33-35.

[4] 中国太阳能建筑应用发展研究报告课题组. 中国太阳能建筑应用发展研究报告2009[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2009.

[5] GB 50495-2009,太阳能供热采暖技术工程技术规范[S].

[6] 何梓年. 太阳能热利用[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

［7］ Duffie J A， Beckman W. Solar engineering of thermal processes [M]. New York: John Wiley＆amp; Sons, 1991.

[8] Duggin C R. A study of combined energy simulations using eQuest and TRNSYS [M]. MI，USA：ProQuest, UMI Dissertation Publishing, 2012.

2015-12-03

中小企业发展专项资金(对欧合作部分)(SQ2013Z0G100002)；广东引进创新创业团队项目(2013N070)；北京市科技计划项目(D141100002714001)

杨铭(1982—)，女，博士、助理研究员，主要从事太阳能建筑采暖、绿色建筑相关方面的研究。yangming717@vip.qq.com