太阳能区域供热发展现状综述

韦新东，秦烨欣，张天阳，王禹崴

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

太阳能既是一次能源也是可再生能源，没有运输负担,不产生任何环境污染。中国的太阳能资源十分富足,有三分之二的地区年日照时数在2 200 h以上，年太阳能辐射量＞5 000 MJ/m2[1]。将太阳能资源用于区域供热可以有效地缓解我国的能源危机问题。太阳能区域供热是在传统区域供热系统保持不变的情况下，利用太阳能集热器吸收太阳能热量，通过太阳能集热管网系统输送到区域供热的热厂或换热站，为市政供热，最终为热用户提供供暖和生活热水所需热量。

太阳能供热系统由太阳能集热器、供暖水箱、辅助热源、供热水箱等主要部分组成，图1为该系统的基本原理图[2]。

图1 太阳能供热系统原理图

在供暖季由太阳能为用户提供热量供暖，非供暖季提供热水供应。当太阳能集热器温度高于供暖水箱温度设定值时，集热器循环泵启动，太阳能不断将水箱中的水加热。当温度低于设定值时，集热器循环泵停止，太阳能集热器和管路中的水受重力作用落回供暖水箱(要求太阳能集热器位置比供暖水箱位置高)，防止反向散热，达到冬季防冻的目的。辅助热源是温度控制，系统通过检测供暖水箱中的温度是否达到设定温度来确定辅助热源是否开启。

1 国内外应用现状

瑞典在1979年—1980年间建立了2个按季节存储热量的大型太阳能集中供热系统，德国在1996年开始使用太阳能集中供热系统为新建筑供暖[3]。1988年，丹麦首个使用平板太阳能收集器的大规模太阳能集中供热系统正式投入运行，该系统是热电为主，太阳能为辅，进行联供。丹麦是欧洲应用太阳能区域供热项目规模最大，数量最多的国家。截至2015年，已有71个太阳能区域供热系统，总装机容量577 MWth，集热面积达到823 838 m2。集热器场的平均装机功率7.3 MWth，平均集热器面积达到10 428 m2，年太阳能保障率达到50%。丹麦有3/5的建筑物使用区域供热网络供暖，并且有超过500 000 m2的收集器连接到区域供热网络。丹麦计划在2050年之前逐步淘汰所有化石燃料，并在2035年之前全部使用可再生能源生产热量和电力，这意味着太阳能热利用将在该国的能源路线图中发挥重要作用。此外，在欧洲，奥地利有28个太阳能集中供热厂、瑞典有23个、西班牙有16个、法国有15个、希腊和波兰分别有14个、瑞士有9个[4]。由此可见，太阳能区域供热技术在欧洲国家应用较早，发展技术较为成熟。目前正在不断的蓬勃发展。

中国拥有的太阳能集热器占全球安装总量的75.8%，而且面临着燃煤造成的严重雾霾污染问题，但太阳能对中国的供暖贡献很微小。2014年，用于空间供暖的太阳能集热器安装总量不到0.3%。2014年，中国用于空间供暖的太阳能集热器只有15万m2[5]，远低于欧洲。我国大部分太阳能集热器作为热水器用于农村地区生产、生活热水(热虹吸系统)。现在太阳能主要用于没有城市热量覆盖的地区供热[6]。由于缺乏专业知识和标准化的操作与维护手册，中国目前的太阳能集中供热技术还不够成熟，北京清华阳光公司的办公楼和天浦能源示范楼等几个单一建筑的太阳能采暖和供热项目虽然已经完成[7]，但太阳能区域供热和供热项目尚未应用。中国可以学习欧洲太阳能集中供热技术，在农村和偏远地区可以建立跨季节储热太阳能区域供热系统,在郊区建造大型太阳能集热器，通过直接连接到区域供热网络或供热站进行热交换，将太阳能集热用于市政供热[8]。

2 丹麦经验

对于中国来说，学习丹麦成功的经验是非常重要的。丹麦太阳能区域供热技术的因素包括社会因素和技术因素。

2.1 社会因素

1）对天然气征税，禁止建造新的生物质和以天然气为燃料的热电联产厂，太阳能免税[9]。

2）政府设定了一个新的清洁能源转型目标，并采取了有效的扶持政策，如鼓励使用可再生能源。

3）在人口密度较低的农村地区和可用区域供热的地区优先选择区域供热。

4）土地价格低廉，降低了太阳能集热器的地面使用成本。

5）竞争性热价，太阳能区域供热厂平均热价约0.23元/千瓦时。丹麦的传统区域供暖含税为0.69元/千瓦时[9]，相比之下，这个价格要低很多。

6）保持小城镇风能和小型热电联产电厂的高份额。

2.2 技术因素

1）工厂通常安装在人口超过5 000人的小城镇。集热器场到区域热网的距离一般在200 m范围内[10]。

2）合理的太阳能比例，目前最受欢迎的为16%～24%，部分电厂采用季节性储热达到50%～70%[10]。

3）区域供热使用温度较低:供电70℃～80℃，回风35℃～45℃[10]，使太阳能集热器场与热网的集成效率更高。

4）太阳能区域供热厂90%以上采用大型平板集热器[11]，高效平板集热器寿命长，保证了整个系统的可靠性和高效率。平板集热器的大模块进一步降低了安装成本。

5）季节性蓄热池的使用，可以将太阳能的输送从夏季产量高、需求低的时期，转移到冬季的供暖季节。

3 太阳能区域供热技术在中国应用中的问题

3.1 家用太阳能采暖测试结果不理想

中国北方用户太阳能采暖大多使用真空管式太阳能集热器，其寿命短且集热器运行维护工作量大。农村地区没有专门负责太阳能供热运行和维护的专业人员，缺乏专业知识、标准化的运行和维护手册，面对太阳能供热系统故障，许多用户强行更换管网设备，用水代替防冻剂填充太阳能集热系统，私下添加电锅炉进行加热，导致太阳能采暖试验效果不理想,这也是太阳能区域供热技术在中国仍未发展起来的一个重要原因[12]。

3.2 运维方式不完善

对于农村地区性太阳能供热项目，有必要建立地区性运维服务点进行集中管理，提供专业运维人士帮助，编写系统运维手册供用户学习，定期检查太阳能集中供热水系统设备，及时处理设备故障，确保太阳能供热效率，延长太阳能供暖系统的使用寿命[13]。

3.3 现有热网不支持

夏季是太阳能辐射量最高的季节，但在我国，城市区域供热时间段为冬季,因为冬季的太阳辐射量较小。若着重发展太阳能区域供热技术,在夏季将大量损失太阳能产生的热量,想要减少太阳能资源的浪费,就要提高其利用率，建设跨季节储热水池，将夏季产生的太阳能储存起来用于冬季供热尤为必要[13]。

3.4 太阳能区域供热系统设计不稳定

目前，太阳能区域供热系统这一方面的设计，多数止步于简单估算，计算方法不系统、不成熟，选择单位面积供暖负荷、当地太阳辐照度、水箱体积等设计参数时，由于算法不精确，并无确定的参照标准。在国内外工程实例中，对室内环境的舒适性几乎没有要求，因此不会现场测量室内热环境，也不会评估它对采暖的效果[14]。太阳能区域供热系统设计不稳定是中国不能大力发展太阳能区域供热技术的重要原因。

4 发展前景

4.1 经济方面

近年来生物质燃料和矿物燃料价格迅猛增长，太阳能应用成本不断降低，太阳能资源相比矿物能源，有着永不枯竭的优越性。在过去，全球能源消耗一直在增长，此外，化石燃料的燃烧造成了巨大的环境污染问题。因此，能源价格的上涨，化石燃料资源的减少及对气候变化的影响，已经迫使大众探索发展可再生资源，以便提供一个可持续的未来。在任何一个阳光明媚的日子里，太阳能系统收集的能量都比直接使用所需的要多。太阳热能是最具吸引力的可再生能源技术之一，具有巨大的市场潜力。我国对太阳能应用市场做出了更加积极地判断。

4.2 环境方面

在我国，北方城市的集中供热，主要热源为燃煤热电联产，补充热源为区域锅炉，采暖季节雾霾天气严重，发展太阳能集中供热有利于缓解环境污染问题。《中美气候变化联合声明》指出，我国将于2030年CO2减排达到峰值，并计划于2030年，将非化石能源占一次能源消费比重提高到20%[15]。近年来，中国的煤耗量逐年增加，面对能源和环境的双重危机，太阳能作为一种无限的清洁能源，应该在能源转化中做出更大的贡献。

4.3 先天的区域供热管网优势

我国北方强制采暖地区已经存在完善的区域供热管网,收集并储存太阳能，选用集中供热这一方式，将其输送到热用户进行供热，在偏远地区，建立跨季节蓄热太阳能区域供热系统供热。

4.4 太阳能资源丰富

中国有很多适宜发展太阳能区域供热的地区，西藏地区气候严寒,太阳辐射时间长,并且有大量可供利用的荒地,资源贫乏，实现电网和燃气管网的覆盖较为困难,是中国最适宜发展太阳能区域供热技术的地区,其次是有较大采暖需求的东三省地区。

5 措施

5.1 政策支持

国家出台相关政策，支持太阳能用于区域供热，并制定相关细则对其加以鼓励。在政府的监督下，国有供热公司牵头，采用竞争性考核制度并制定奖罚措施，鼓励供热公司对设备的日常运行集中管理，并定期维护相关设备,减少能源浪费。近几年，国家对建筑节能重视程度提高，住建部发布“十二五”建筑节能专项规划，鼓励推广使用太阳能、沼气能等清洁能源。

5.2 增加热源种类

应该增加热源的种类，大力发展清洁能源，例如，太阳能、生物质能、地热能等，而不是简单地使用会污染环境的燃煤锅炉进行供热[16]。

5.3 提高换热站自动运行程度

提高换热站的自动运行程度，安装自动供热控制装置，使供热量随着室外温度的变化而变化，达到恒定的室温并降低能耗。终端用户的用热量应根据热量进行计费，室温应可调节，以减少因打开窗户降温而造成的能源浪费。

5.4 加强建筑节能和技术节能的发展

因为太阳能的单位能量密度低，如果围护结构的隔热性能不好，建筑物的采暖热量将增加，集热器的面积也将增加，该系统的初期投资会提高，又因为太阳能区域供热技术是一种新的节能技术，国家对其利用发展技术不够成熟，太阳能区域供热系统无法更好地发挥节能效益。因此需要对围护结构的隔热性能做出要求。为了提高太阳能的保证率，需要建设储热设施，太阳能区域供热储热技术分为短期储热和季节储热。

6 结语

人口密度低、资源稀缺、环境要求严格的特定地区，如西藏，是太阳能区域供热优先考虑可持续发展的地区。拥有较好的基础设施(如区域供热网络)的乡村和小城镇是太阳能区域供热未来的最佳目标市场。随着季节蓄热技术的发展和实践经验的积累，太阳能区域供热可以扩展到西北地区人口稀少的工业园区、大型住宅社区。从长远来看，在有集中供暖系统的大城市，太阳能区域供热与现有供暖网络的整合将是个挑战。尽管发展太阳能区域供热技术存在障碍，但在整个行业的共同努力下，选择合适的发展区域，利用成熟的区域供热技术，加上政府的鼓励支持，我们将能够克服困难，开拓新的发展机会和市场，使太阳能资源具有长远的发展前景。