一种利用光热技术的供热系统＊

2022-07-26赵金秀田克冲付梓峰刘天雨郑纪龙

科技与创新 2022年14期

赵金秀，田克冲，付梓峰，吕喜，刘天雨，郑纪龙

（唐山学院土木工程学院，河北唐山 063000）

为了促使全球生态发展和构建人类命运共同体，在第75 届联合国大会上，国家主席习近平郑重表示中国力争2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和。“双碳目标”的直接指向是改变能源结构，即改变以往主要依靠化石能源的能源体系，向零碳的风力、光伏和水电转换[1]。北方农宅建筑中占比较高的燃煤取暖炉、天然气壁挂炉等传统供热形式将逐渐被取缔，按照国家政策要求，要加快农村地区能源使用改革，推进清洁可再生能源的利用，加快发展清洁供暖技术，可再生能源从补充能源变为主体能源[2]。所以探索适宜的清洁供热技术和系统，已成为国家和各地政府以及相关领域技术人员亟需解决的问题。太阳能是一种可再生的清洁能源[3]，具有取之不竭、安全环保的优势，正逐步替代传统能源成为未来的主要新能源。

目前，农村对太阳能的应用主要是热水，部分地区发展了太阳能供暖，但调查发现，农宅用户的太阳能供暖和太阳能热水器是2 个独立的系统，太阳能供暖系统只在一年的冬季被使用，其余季节闲置；北方冬季气温较低时，太阳能集热器集热管内如果发生水冻结则会损坏集热器，出现漏水问题，也存在一些如集热系统集热效率低以及夜间无法有效供暖等问题。基于以上问题，本研究提出一种利用光热技术的供热系统。

1 系统的组成及工作原理

1.1 系统组成

一种利用光热技术的供热系统主要由太阳能集热循环环路、供暖循环环路、生活热水供应管路和辅助电加热器等组成，如图1 所示。

太阳能集热循环环路包括吸收太阳辐射热的槽式抛物面集热板和安装在其上的集热真空管、导热油循环泵、设置在双层保温水箱下部的油-水换热盘管、油管道及阀门等；供暖循环环路包括农宅房间内的供暖末端散热器或地暖盘管、双层保温换热水箱、供暖循环泵、供回水管道及阀门等；生活热水供应管路包括用水龙头、设在双层保温水箱上部的水-水换热盘管、冷热水管道及阀门等；辅助电加热器为设置在双层保温水箱底部的电加热棒。

图1 一种利用光热技术的供热系统原理图

1.2 系统工作原理

槽式抛物面集热板设有自动追日控制装置，保证集热板始终垂直追踪太阳光，把太阳光聚焦成一条焦线，利用太阳能对真空管内的导热油进行加热，吸热的高温导热油通过导热油循环泵沿着油管道被输送至双层保温水箱内的油-水换热盘管，通过油-水换热盘管将热量传递给保温水箱内供暖循环水，降温后再沿着油管道进入集热真空管，继续通过槽式抛物面集热板吸收太阳辐射能，然后继续循环，从而将太阳辐射能传递给保温水箱内的水。被油-水换热盘管加热升温后保温水箱内的供暖循环水，由供暖循环泵提升动力，通过供暖供水管道输送至农宅建筑室内的散热器或地热盘管，通过散热器或地热盘管对室内散热，降温后的供暖循环水通过供暖回水管道回到保温水箱继续被加热，形成循环，从而实现供暖目的。常温自来水通过冷水管道进入保温水箱内的水-水换热盘管，吸收供暖循环水的热量，变成热水后通过热水管道输送至用水龙头，从而供应生活热水。

当太阳能集热量不能满足用热要求时，用辅助电加热器加热保温水箱内的水，满足供暖和生活热水需求。

2 系统的运行及控制

利用光热技术的供热系统可为农宅建筑供暖并提供生活用热水，为保证系统安全可靠运行设置了一套自动控制装置。通过设置在系统相应环路、管路上的温度传感器和控制开关实现自动控制系统，如图2所示。

图2 系统温度检测及控制图

2.1 集热循环环路的运行及控制

导热油通过真空管吸收太阳能热量，由导热油泵强制循环，通过油-水换热器加热水箱内的循环水。当太阳光强度较大时，为避免水箱水温超过100 ℃造成蒸发和供热量过多从而使室温过高，设定保温水箱上的温度传感器检测到水箱内循环水的温度等于100 ℃时，控制系统会关闭导热油泵和控制阀门，停止集热循环运行；阴雨天或夜晚时，导热油管路上温度传感器检测到进出环路上的导热油温差等于0.2 ℃时，说明集热量很小，控制系统会关闭导热油泵和阀门，避免水箱内循环水的热量被导热油带走；当温度传感器检测到水箱内循环水的温度小于100 ℃，且检测到导热油管路进出环路上的导热油温差大于0.2 ℃时，集热系统正常运行。

2.2 供暖循环环路运行及控制

保温水箱上供暖供水管的温度传感器检测到供水温度在35～60 ℃之间时，供暖循环水由循环泵通过供水管输送至室内散热末端，释放热量后通过供暖回水管回到保温水箱；当检测到供水温度大于60 ℃时，通过三通调节阀增加回水流量使流向散热末端的水温保持在60 ℃以内；当检测到供水温度小于35 ℃时，控制系统启动电加热器加热水箱内循环水，直至供水温度为35 ℃以上。

2.3 生活热水供应管路运行及控制

自来水通过冷水管道进入水-水换热器，吸收热量后通过热水管道输送至用水点，当热水管路上的温度传感器检测到水温小于42 ℃时，控制系统也会启动电加热器加热水箱内的循环水。

整个供热系统启动顺序为：先开启集热循环环路，当检测到供暖供水温度满足要求后，启动供暖循环环路。

系统优先保证原则：考虑到北方农村生活习惯和经济要求，冬季为供暖季，系统优先保证供暖循环环路稳定运行，以满足农宅建筑供暖需求，因此由供暖循环环路上的温度检测装置控制集热系统和电加热系统的启停。当供暖循环环路满足要求，而生活热水温度不满足要求时，系统默认设定程序不自动开启电加热器。此时若农宅要求使用热水，可人为开启电加热器。非供暖季节供暖循环环路处于关闭状态，此时由生活热水供应管路上温度检测装置控制集热系统和电加热器的启停，满足人们对生活热水的需求。

3 系统效益分析

以100 m2的唐山地区某农宅建筑为例，根据《实用供热空调设计手册》，供暖参数设定如下：建筑室内冬季供暖设计温度取18 ℃，唐山冬季供暖室外计算温度为-9 ℃，该农宅建筑供暖面积约60 m2，面积热指标取65 W/m2，由此计算出供暖设计热负荷约为3.9 kW。

根据《建筑给水排水设计规范》得出热水供应参数的选取如下：热水用水定额取每人每天60 L，按照1 户3 口人计算，热水用水温度取55 ℃，唐山地区冷水平均温度取10 ℃，根据农村生活习惯，取热水使用小时数为6 h。由此计算得到热水设计耗热量约为1.6 kW，因此该农宅供暖和热水供应的总供热量为5.5 kW。

唐山地区位于东经118°12′，北纬39°37′，属于暖温带半湿润季风大陆性气候特征，全年日照2 600～2 900 h，太阳辐射年均值为4 960～5 200 MJ/m2[4]。

根据槽式抛物面集热器的单块集热效果，经理论分析计算，采用8 块串联组装在农宅屋顶；系统采用容积为1.2 m3的双层保温水箱，也设置在屋顶；水箱底部设置功率为4 kW 的辅助电加热器；采用功率为100 W 的导热油循环泵和供暖循环泵。

不考虑国家能源补贴，晚间利用低谷电价（当地夜间电价为0.32 元/（kW·h），白天电价为0.52 元/（kW·h））的情况下，根据农宅用户用热需求和生活习惯，系统1 d 按照20 h 运行，白天太阳能集热系统运行8 h，集热停止后保温水箱有效保温约达4 h，夜间电辅助加热器运行8 h。根据当地供暖情况和气象条件，供暖期为120 d，阴雨天气取20 d；非供暖期，白天太阳能集热系统运行6 h 可满足用热水要求，夜间不用开启辅助电加热器，非采暖期为240 d，阴雨天取40 d。

供暖期供热系统运行费用计算如下：集热运行费用为0.1 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×100 d=41.6 元，电加热器阴雨天运行费用为4 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×20 d=332.8 元，电加热器夜间运行费用为4 kW×8 h×0.32 元/（kW·h）×120 d=1 228.8 元。

非供暖期供热系统运行费用计算如下：集热运行费用为0.1 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×240 d=74.9元，电加热器阴雨天运行费用为4 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×40 d=499.2 元。

因此，系统运行一年的费用为41.6+332.8+1 228.8+74.9+499.2=2 167.3 元。

若用户燃煤供暖，一个用户供暖期用煤约2 t，按照2020 年煤价1 100 元/t 计算，供暖费用约2 200 元。该供热系统与燃煤供暖相比费用相当。但该供热系统能够提供农宅全年的生活热水，一套系统同时满足农宅的供暖和生活热水供应，所以同样的费用下功能增加了。该供热系统供暖采用清洁能源，没有燃煤供暖造成的颗粒及气体污染物，室内空气质量好；同时相比燃煤产生的CO2，减少了对环境的污染，所以该供热系统节能环保效益较好。