韋新東，秦?zé)钚溃瑥執(zhí)礻?，王禹?/p>

（吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引言

太陽能既是一次能源也是可再生能源，沒有運輸負擔(dān),不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。中國的太陽能資源十分富足,有三分之二的地區(qū)年日照時數(shù)在2 200 h以上，年太陽能輻射量＞5 000 MJ/m2[1]。將太陽能資源用于區(qū)域供熱可以有效地緩解我國的能源危機問題。太陽能區(qū)域供熱是在傳統(tǒng)區(qū)域供熱系統(tǒng)保持不變的情況下，利用太陽能集熱器吸收太陽能熱量，通過太陽能集熱管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到區(qū)域供熱的熱廠或換熱站，為市政供熱，最終為熱用戶提供供暖和生活熱水所需熱量。

太陽能供熱系統(tǒng)由太陽能集熱器、供暖水箱、輔助熱源、供熱水箱等主要部分組成，圖1為該系統(tǒng)的基本原理圖[2]。

圖1 太陽能供熱系統(tǒng)原理圖

在供暖季由太陽能為用戶提供熱量供暖，非供暖季提供熱水供應(yīng)。當太陽能集熱器溫度高于供暖水箱溫度設(shè)定值時，集熱器循環(huán)泵啟動，太陽能不斷將水箱中的水加熱。當溫度低于設(shè)定值時，集熱器循環(huán)泵停止，太陽能集熱器和管路中的水受重力作用落回供暖水箱(要求太陽能集熱器位置比供暖水箱位置高)，防止反向散熱，達到冬季防凍的目的。輔助熱源是溫度控制，系統(tǒng)通過檢測供暖水箱中的溫度是否達到設(shè)定溫度來確定輔助熱源是否開啟。

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

瑞典在1979年—1980年間建立了2個按季節(jié)存儲熱量的大型太陽能集中供熱系統(tǒng)，德國在1996年開始使用太陽能集中供熱系統(tǒng)為新建筑供暖[3]。1988年，丹麥首個使用平板太陽能收集器的大規(guī)模太陽能集中供熱系統(tǒng)正式投入運行，該系統(tǒng)是熱電為主，太陽能為輔，進行聯(lián)供。丹麥是歐洲應(yīng)用太陽能區(qū)域供熱項目規(guī)模最大，數(shù)量最多的國家。截至2015年，已有71個太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)，總裝機容量577 MWth，集熱面積達到823 838 m2。集熱器場的平均裝機功率7.3 MWth，平均集熱器面積達到10 428 m2，年太陽能保障率達到50%。丹麥有3/5的建筑物使用區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)供暖，并且有超過500 000 m2的收集器連接到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。丹麥計劃在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產(chǎn)熱量和電力，這意味著太陽能熱利用將在該國的能源路線圖中發(fā)揮重要作用。此外，在歐洲，奧地利有28個太陽能集中供熱廠、瑞典有23個、西班牙有16個、法國有15個、希臘和波蘭分別有14個、瑞士有9個[4]。由此可見，太陽能區(qū)域供熱技術(shù)在歐洲國家應(yīng)用較早，發(fā)展技術(shù)較為成熟。目前正在不斷的蓬勃發(fā)展。

中國擁有的太陽能集熱器占全球安裝總量的75.8%，而且面臨著燃煤造成的嚴重霧霾污染問題，但太陽能對中國的供暖貢獻很微小。2014年，用于空間供暖的太陽能集熱器安裝總量不到0.3%。2014年，中國用于空間供暖的太陽能集熱器只有15萬m2[5]，遠低于歐洲。我國大部分太陽能集熱器作為熱水器用于農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)、生活熱水(熱虹吸系統(tǒng))?，F(xiàn)在太陽能主要用于沒有城市熱量覆蓋的地區(qū)供熱[6]。由于缺乏專業(yè)知識和標準化的操作與維護手冊，中國目前的太陽能集中供熱技術(shù)還不夠成熟，北京清華陽光公司的辦公樓和天浦能源示范樓等幾個單一建筑的太陽能采暖和供熱項目雖然已經(jīng)完成[7]，但太陽能區(qū)域供熱和供熱項目尚未應(yīng)用。中國可以學(xué)習(xí)歐洲太陽能集中供熱技術(shù)，在農(nóng)村和偏遠地區(qū)可以建立跨季節(jié)儲熱太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng),在郊區(qū)建造大型太陽能集熱器，通過直接連接到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)或供熱站進行熱交換，將太陽能集熱用于市政供熱[8]。

2 丹麥經(jīng)驗

對于中國來說，學(xué)習(xí)丹麥成功的經(jīng)驗是非常重要的。丹麥太陽能區(qū)域供熱技術(shù)的因素包括社會因素和技術(shù)因素。

2.1 社會因素

1）對天然氣征稅，禁止建造新的生物質(zhì)和以天然氣為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)廠，太陽能免稅[9]。

2）政府設(shè)定了一個新的清潔能源轉(zhuǎn)型目標，并采取了有效的扶持政策，如鼓勵使用可再生能源。

3）在人口密度較低的農(nóng)村地區(qū)和可用區(qū)域供熱的地區(qū)優(yōu)先選擇區(qū)域供熱。

4）土地價格低廉，降低了太陽能集熱器的地面使用成本。

5）競爭性熱價，太陽能區(qū)域供熱廠平均熱價約0.23元/千瓦時。丹麥的傳統(tǒng)區(qū)域供暖含稅為0.69元/千瓦時[9]，相比之下，這個價格要低很多。

6）保持小城鎮(zhèn)風(fēng)能和小型熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的高份額。

2.2 技術(shù)因素

1）工廠通常安裝在人口超過5 000人的小城鎮(zhèn)。集熱器場到區(qū)域熱網(wǎng)的距離一般在200 m范圍內(nèi)[10]。

2）合理的太陽能比例，目前最受歡迎的為16%～24%，部分電廠采用季節(jié)性儲熱達到50%～70%[10]。

3）區(qū)域供熱使用溫度較低:供電70℃～80℃，回風(fēng)35℃～45℃[10]，使太陽能集熱器場與熱網(wǎng)的集成效率更高。

4）太陽能區(qū)域供熱廠90%以上采用大型平板集熱器[11]，高效平板集熱器壽命長，保證了整個系統(tǒng)的可靠性和高效率。平板集熱器的大模塊進一步降低了安裝成本。

5）季節(jié)性蓄熱池的使用，可以將太陽能的輸送從夏季產(chǎn)量高、需求低的時期，轉(zhuǎn)移到冬季的供暖季節(jié)。

3 太陽能區(qū)域供熱技術(shù)在中國應(yīng)用中的問題

3.1 家用太陽能采暖測試結(jié)果不理想

中國北方用戶太陽能采暖大多使用真空管式太陽能集熱器，其壽命短且集熱器運行維護工作量大。農(nóng)村地區(qū)沒有專門負責(zé)太陽能供熱運行和維護的專業(yè)人員，缺乏專業(yè)知識、標準化的運行和維護手冊，面對太陽能供熱系統(tǒng)故障，許多用戶強行更換管網(wǎng)設(shè)備，用水代替防凍劑填充太陽能集熱系統(tǒng)，私下添加電鍋爐進行加熱，導(dǎo)致太陽能采暖試驗效果不理想,這也是太陽能區(qū)域供熱技術(shù)在中國仍未發(fā)展起來的一個重要原因[12]。

3.2 運維方式不完善

對于農(nóng)村地區(qū)性太陽能供熱項目，有必要建立地區(qū)性運維服務(wù)點進行集中管理，提供專業(yè)運維人士幫助，編寫系統(tǒng)運維手冊供用戶學(xué)習(xí)，定期檢查太陽能集中供熱水系統(tǒng)設(shè)備，及時處理設(shè)備故障，確保太陽能供熱效率，延長太陽能供暖系統(tǒng)的使用壽命[13]。

3.3 現(xiàn)有熱網(wǎng)不支持

夏季是太陽能輻射量最高的季節(jié)，但在我國，城市區(qū)域供熱時間段為冬季,因為冬季的太陽輻射量較小。若著重發(fā)展太陽能區(qū)域供熱技術(shù),在夏季將大量損失太陽能產(chǎn)生的熱量,想要減少太陽能資源的浪費,就要提高其利用率，建設(shè)跨季節(jié)儲熱水池，將夏季產(chǎn)生的太陽能儲存起來用于冬季供熱尤為必要[13]。

3.4 太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)設(shè)計不穩(wěn)定

目前，太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)這一方面的設(shè)計，多數(shù)止步于簡單估算，計算方法不系統(tǒng)、不成熟，選擇單位面積供暖負荷、當?shù)靥栞椪斩取⑺潴w積等設(shè)計參數(shù)時，由于算法不精確，并無確定的參照標準。在國內(nèi)外工程實例中，對室內(nèi)環(huán)境的舒適性幾乎沒有要求，因此不會現(xiàn)場測量室內(nèi)熱環(huán)境，也不會評估它對采暖的效果[14]。太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)設(shè)計不穩(wěn)定是中國不能大力發(fā)展太陽能區(qū)域供熱技術(shù)的重要原因。

4 發(fā)展前景

4.1 經(jīng)濟方面

近年來生物質(zhì)燃料和礦物燃料價格迅猛增長，太陽能應(yīng)用成本不斷降低，太陽能資源相比礦物能源，有著永不枯竭的優(yōu)越性。在過去，全球能源消耗一直在增長，此外，化石燃料的燃燒造成了巨大的環(huán)境污染問題。因此，能源價格的上漲，化石燃料資源的減少及對氣候變化的影響，已經(jīng)迫使大眾探索發(fā)展可再生資源，以便提供一個可持續(xù)的未來。在任何一個陽光明媚的日子里，太陽能系統(tǒng)收集的能量都比直接使用所需的要多。太陽熱能是最具吸引力的可再生能源技術(shù)之一，具有巨大的市場潛力。我國對太陽能應(yīng)用市場做出了更加積極地判斷。

4.2 環(huán)境方面

在我國，北方城市的集中供熱，主要熱源為燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，補充熱源為區(qū)域鍋爐，采暖季節(jié)霧霾天氣嚴重，發(fā)展太陽能集中供熱有利于緩解環(huán)境污染問題?！吨忻罋夂蜃兓?lián)合聲明》指出，我國將于2030年CO2減排達到峰值，并計劃于2030年，將非化石能源占一次能源消費比重提高到20%[15]。近年來，中國的煤耗量逐年增加，面對能源和環(huán)境的雙重危機，太陽能作為一種無限的清潔能源，應(yīng)該在能源轉(zhuǎn)化中做出更大的貢獻。

4.3 先天的區(qū)域供熱管網(wǎng)優(yōu)勢

我國北方強制采暖地區(qū)已經(jīng)存在完善的區(qū)域供熱管網(wǎng),收集并儲存太陽能，選用集中供熱這一方式，將其輸送到熱用戶進行供熱，在偏遠地區(qū)，建立跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)供熱。

4.4 太陽能資源豐富

中國有很多適宜發(fā)展太陽能區(qū)域供熱的地區(qū)，西藏地區(qū)氣候嚴寒,太陽輻射時間長,并且有大量可供利用的荒地,資源貧乏，實現(xiàn)電網(wǎng)和燃氣管網(wǎng)的覆蓋較為困難,是中國最適宜發(fā)展太陽能區(qū)域供熱技術(shù)的地區(qū),其次是有較大采暖需求的東三省地區(qū)。

5 措施

5.1 政策支持

國家出臺相關(guān)政策，支持太陽能用于區(qū)域供熱，并制定相關(guān)細則對其加以鼓勵。在政府的監(jiān)督下，國有供熱公司牽頭，采用競爭性考核制度并制定獎罰措施，鼓勵供熱公司對設(shè)備的日常運行集中管理，并定期維護相關(guān)設(shè)備,減少能源浪費。近幾年，國家對建筑節(jié)能重視程度提高，住建部發(fā)布“十二五”建筑節(jié)能專項規(guī)劃，鼓勵推廣使用太陽能、沼氣能等清潔能源。

5.2 增加熱源種類

應(yīng)該增加熱源的種類，大力發(fā)展清潔能源，例如，太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?，而不是簡單地使用會污染環(huán)境的燃煤鍋爐進行供熱[16]。

5.3 提高換熱站自動運行程度

提高換熱站的自動運行程度，安裝自動供熱控制裝置，使供熱量隨著室外溫度的變化而變化，達到恒定的室溫并降低能耗。終端用戶的用熱量應(yīng)根據(jù)熱量進行計費，室溫應(yīng)可調(diào)節(jié)，以減少因打開窗戶降溫而造成的能源浪費。

5.4 加強建筑節(jié)能和技術(shù)節(jié)能的發(fā)展

因為太陽能的單位能量密度低，如果圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能不好，建筑物的采暖熱量將增加，集熱器的面積也將增加，該系統(tǒng)的初期投資會提高，又因為太陽能區(qū)域供熱技術(shù)是一種新的節(jié)能技術(shù)，國家對其利用發(fā)展技術(shù)不夠成熟，太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)無法更好地發(fā)揮節(jié)能效益。因此需要對圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能做出要求。為了提高太陽能的保證率，需要建設(shè)儲熱設(shè)施，太陽能區(qū)域供熱儲熱技術(shù)分為短期儲熱和季節(jié)儲熱。

6 結(jié)語

人口密度低、資源稀缺、環(huán)境要求嚴格的特定地區(qū)，如西藏，是太陽能區(qū)域供熱優(yōu)先考慮可持續(xù)發(fā)展的地區(qū)。擁有較好的基礎(chǔ)設(shè)施(如區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò))的鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)是太陽能區(qū)域供熱未來的最佳目標市場。隨著季節(jié)蓄熱技術(shù)的發(fā)展和實踐經(jīng)驗的積累，太陽能區(qū)域供熱可以擴展到西北地區(qū)人口稀少的工業(yè)園區(qū)、大型住宅社區(qū)。從長遠來看，在有集中供暖系統(tǒng)的大城市，太陽能區(qū)域供熱與現(xiàn)有供暖網(wǎng)絡(luò)的整合將是個挑戰(zhàn)。盡管發(fā)展太陽能區(qū)域供熱技術(shù)存在障礙，但在整個行業(yè)的共同努力下，選擇合適的發(fā)展區(qū)域，利用成熟的區(qū)域供熱技術(shù)，加上政府的鼓勵支持，我們將能夠克服困難，開拓新的發(fā)展機會和市場，使太陽能資源具有長遠的發(fā)展前景。