山東建筑大學熱能工程學院 ■ 孫陸萌 張曉峰 劉學來

0 引言

隨著全球范圍內的溫室效應日益嚴重，特別是高建筑能耗所帶來的環(huán)境污染，對我國人民的生產生活產生了巨大影響[1]。采用新的供暖能源對于改善我國能源消耗現(xiàn)狀具有重要意義，同時也可減少污染物的排放，并可進行一定程度的環(huán)境保護[2]，為此，國家也在積極開發(fā)和利用一系列多元化的綠色建筑節(jié)能技術。

太陽能作為一種清潔的可再生能源，已成為當前國際能源開發(fā)利用領域中的新重點，也是符合我國國情的重要能源之一。我國制定了一系列的科技攻關計劃，加強太陽能的規(guī)?；?，通過季節(jié)蓄熱的方式可有效緩解冬季采暖等各個領域的能源壓力[3]。太陽能供熱分為短期蓄熱太陽能采暖系統(tǒng)(CSHPDS)和跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖系統(tǒng)(CSHPSS)[4]。短期蓄熱主要是滿足賓館、學校等公共建筑用熱水和采暖的需求，它所提供的熱量可以支持用戶全年需用熱量的15%～20%；而跨季節(jié)蓄熱可以支持全年的生活熱水和冬季采暖，它所提供的熱量可以支撐用戶全年需用熱量的50%[5]。顯然，跨季節(jié)蓄熱具有更加廣闊的前景。濟南地區(qū)屬于重要的供熱地區(qū)，對濟南地區(qū)進行新型可再生能源的供熱研究與開發(fā)具有重要意義。本文著重研究在濟南地區(qū)跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖的可行性。

1 濟南地區(qū)太陽能資源分析

濟南地區(qū)在國家太陽能資源分區(qū)評估中屬于第Ⅲ類地區(qū)，是太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量約為5000～5850 MJ/m2，相當于日輻射量為13.7～16.0 MJ/m2。濟南的氣候為溫帶季風氣候，氣候溫和、雨量集中、四季分明，濟南年平均氣溫為14.7 ℃，為山東省最高；冬季采暖溫度為 -7 ℃；平均日照時數(shù)為2405.8 h，春季日照時間最長，夏季次之；春秋兩季日照率最高，濟南地區(qū)一般年平均日照率為57%，雖然近幾年有所下降，但依然有良好的資源。

濟南地區(qū)小時最大總輻射強度為1051 W/m2，年總輻射強度為1.4 MW/m2。通過對濟南地區(qū)太陽總輻射強度頻率的綜合分析可知，該地區(qū)小時輻射強度從0～1000 W/m2進行分布：分布頻率最大的區(qū)間在100～150 W/m2，共476 h，占全年總日照時數(shù)的11.19%；小時輻射強度在300～550 W/m2，各區(qū)間頻段平均為200 h以上，共計1238 h，占全年總數(shù)的29.1%；小時輻射強度在550～750 W/m2，各區(qū)間頻段平均100 h以上，共計562 h，占全年總數(shù)的13.2%；小時輻射強度在750 W/m2以上的時間太少，可忽略不計。由此可知，應著重關注和利用小時輻射強度300～750 W/m2這個區(qū)間。

總體來說，濟南地區(qū)的太陽能資源較豐富，開發(fā)利用潛力較大，所以從太陽能資源層面來看，在濟南地區(qū)應用跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖系統(tǒng)前景十分廣闊，具有可行性。

2 系統(tǒng)性能特點及運行方式分析

跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖系統(tǒng)(CSHPSS)是在一定的區(qū)域采用跨季節(jié)性的蓄熱技術將夏季的熱量蓄積到冬季，把蓄積的熱量用于供暖，同時改善并提高太陽能利用的設計保證率，實現(xiàn)太陽能資源的全年綜合利用。此系統(tǒng)具有靈活性，主要通過一定的措施進行太陽能蓄熱，以便于滿足熱量的季節(jié)性需求，從而提高太陽能的利用率。

CSHPSS主要由太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、末端供暖系統(tǒng)、供熱中心和熱力交換站等組成。該采暖系統(tǒng)基本工作原理為：在夏季，冷凍水系統(tǒng)與太陽集熱器采集的能量進行熱量交換，其中一部分熱直接供用戶使用；另一部分經太陽能熱力管網(wǎng)和熱力站的熱量交換，儲存在系統(tǒng)中，冬季使用時，儲存的能量通過介質從供熱管網(wǎng)送至換熱站，然后由各個熱力交換站對熱量進行匹配，并送至各熱用戶。過程中需要由供熱中心通過輔助熱源對儲存的熱量進行補充，提高溫度，以滿足熱用戶的供熱需求。由此，CSHPSS就實現(xiàn)了太陽能的跨季節(jié)儲存和使用，在很大程度上提高了太陽能利用率。

圖1 CSHPSS原理圖

根據(jù)蓄熱溫度的差異，CSHPSS可分為低溫蓄熱和高溫蓄熱兩種形式。通常低溫蓄熱的溫度范圍為20～40 ℃，高溫蓄熱的溫度范圍為40～90 ℃。一般而言，系統(tǒng)大多以低溫蓄熱的方式為主；高溫CSHPSS對儲存容量的要求太高，應用較少，雖然有良好的效率，也具有利用價值，但主要停留在研究及輔助熱源的層面。

CSHPSS中，蓄熱裝置的蓄熱性能是評價系統(tǒng)好壞的一個重要指標。根據(jù)蓄熱介質的不同，蓄熱裝置可分為4類：熱水蓄熱、礫石-水蓄熱、地埋管蓄熱、含水層蓄熱[6]。不同蓄熱方式的選擇需要根據(jù)建設地點的地質條件及投資規(guī)模確定。

圖2 不同蓄熱介質的蓄熱裝置圖

4種不同的蓄熱介質中，礫石-水蓄熱裝置由于混合物的比熱較小，在相同蓄熱量的情況下，礫石-水蓄熱裝置的容積比熱水蓄熱高出50%左右；而且，這種蓄熱方式對地質條件的選擇有較高的要求，需根據(jù)建設地點的地質和水文資料進行設計；一般情況下，礫石-水蓄熱很難推廣，所以不作考慮。

含水層蓄熱方式對于技術的要求較高，需要多方面的知識，以保證整個系統(tǒng)的安全可靠性；此外，在系統(tǒng)運行中還需特別注意防止一些不良現(xiàn)象；而且該系統(tǒng)的最高蓄熱溫度為50 ℃，需要大規(guī)模配備熱泵機組，將熱水提高到65 ℃以滿足用戶的需求，不便于使用，所以不予考慮。

通過對介質的分析并結合濟南地區(qū)的實際狀況，本文只考慮熱水蓄熱和地埋管蓄熱兩種方式。

1)熱水蓄熱。水箱為主要關注點，關鍵在于水箱圍護結構的設計和隔熱。水箱壁面與內側通常需要進行混凝土和不銹鋼板的加固從而保證水箱的堅固性和抗腐蝕性，同時應運用隔熱保溫材料降低導熱能力，減小熱損失。從熱力學角度看，這種蓄熱形式具有較大的熱容及良好的蓄熱／釋熱性能，所以是4種蓄熱方式中的最佳方式，利用可能性最為廣闊。系統(tǒng)的用水量也需要考慮在內，而水箱的位置、體積和占地面積的大小需要根據(jù)具體情況具體分析。

2)埋管蓄熱。通過地下埋管，熱量直接被存儲或釋放至埋管周圍的土壤中。埋管蓄熱方式對地質結構具有較強的選擇性。在實際應用中，垂直鉆孔換熱器、樁埋換熱器是比較理想的埋管蓄熱裝置，這些裝置在地源熱泵系統(tǒng)中應用較為廣泛，技術成熟度也較高。此應用是跨季節(jié)蓄熱和地源熱泵系統(tǒng)的結合，太陽能多用于輔助熱源。地埋管蓄熱方式的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)模塊化設計，根據(jù)負荷的變化對埋管進行適應性調節(jié)，易于控制。但與熱水蓄熱方式相比，其容積要高出3～5倍。通常在高溫蓄熱時，此種蓄熱方式的經濟性比較明顯，且效率有一定的保證。

通過綜合分析，從蓄熱溫度及對容積要求的差異來看，熱水蓄熱的方式最合適且更容易操作，符合濟南冬季供熱的相關要求；而且從技術層面來看，該方式的技術運用和運行方式相對簡單，利用的可能性更大。所以，在濟南地區(qū)選擇熱水蓄熱的方式具有可行性。

表1 4種蓄熱裝置主要特點比較

3 經濟性分析

以某學校的示范項目為例來表明濟南地區(qū)利用熱水蓄熱方式的CSHPSS的經濟性。本項目的建筑面積為1.6萬m2，熱指標為48 W/m2，供暖面積一般為9600 m2，采暖熱負荷為460.8 kW。本項目利用太陽能集熱面積為336 m2，需要的蓄熱水量為35 t；使用1個35 t的碳鋼板水箱蓄熱，集熱面積和蓄熱水箱體積配比約為1:10[7]。

為整體分析利用熱水蓄熱方式的CSHPSS的經濟性，本文從供熱的角度對CSHPSS與地源熱泵系統(tǒng)進行對比，需要結合濟南地區(qū)各種必要部件的市場價格，進行整體的運行費用和初投資的分析。

本項目采用濟南地區(qū)的平板式太陽能集熱器，外殼為擠壓鋁合金，吸熱體涂層為真空磁控濺射藍膜，流道與吸熱體結合方式為激光焊接。每m2集熱板約為396元，系統(tǒng)在濟南規(guī)定的供暖季開始啟動運行，使室內溫度平均達到22 ℃。此系統(tǒng)與普通的地源熱泵系統(tǒng)的初投資成本如表從運行費用來看，隨著兩個系統(tǒng)逐年的運行，地源熱泵系統(tǒng)和CSHPSS的費用都會上升。但相對而言，CSHPSS初始運行費相對較低，所以其逐年增加的幅度也較小。除在運行費上有一定優(yōu)勢外，CSHPSS使用周期也明顯長于地源熱泵，所以整體投資比地源熱泵系統(tǒng)有優(yōu)勢[8]。

綜上所述，在濟南地區(qū)，以可再生能源為主時，CSHPSS相對地源熱泵更有經濟優(yōu)勢，且國家對太陽能利用有一定的資金補貼，使其在清潔能源中的經濟性也相對可觀，所以，CSHPSS在經濟性方面具備可行性。2所示。

通過表2可知，地源熱泵系統(tǒng)初投資在295400元，熱水蓄熱方式的CSHPSS的初投資在281436元，僅從初投資而言，CSHPSS較低。

表2 兩種系統(tǒng)初投資成本表

4 環(huán)境影響分析

采暖系統(tǒng)對環(huán)境的影響分析主要從各種污染物的排放量來評價，主要的污染物包括煙塵、SO2、NOx和CO2。下文分析了CSHPSS產生的環(huán)境效益情況。

根據(jù)《中國可再生能源行業(yè)報告》數(shù)據(jù)：

1)每m2太陽能集熱器可節(jié)約標準煤150～180 kg；

2)每m2太陽能集熱器可減排CO2300 kg以上、SO22 kg、NO22 kg、粉塵3 kg；

3)每m2太陽能集熱器年環(huán)境效益為75元。

所以，CSHPSS每年可節(jié)約標準煤約50～60 t，減排CO2100 t。所以從環(huán)境方面來看，CSHPSS有一定節(jié)能減排的潛力，而且還能產生2.5萬元的環(huán)境效益，具備可行性。

5 結論

本文分析了CSHPSS在濟南地區(qū)的可行性。從資源、技術層面來看，在濟南地區(qū)CSHPSS具有良好的應用前景，可以發(fā)揮一定的作用；從經濟性、環(huán)境性來看，CSHPSS在清潔能源的發(fā)展過程中具有一定優(yōu)勢，符合發(fā)展的需要，可滿足資源利用改造的要求，可進行推廣。

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