趙金秀，田克沖，付梓峰，呂 喜，劉天雨，鄭紀(jì)龍

（唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

為了促使全球生態(tài)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)上，國家主席習(xí)近平鄭重表示中國力爭2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和?！半p碳目標(biāo)”的直接指向是改變能源結(jié)構(gòu)，即改變以往主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風(fēng)力、光伏和水電轉(zhuǎn)換[1]。北方農(nóng)宅建筑中占比較高的燃煤取暖爐、天然氣壁掛爐等傳統(tǒng)供熱形式將逐漸被取締，按照國家政策要求，要加快農(nóng)村地區(qū)能源使用改革，推進(jìn)清潔可再生能源的利用，加快發(fā)展清潔供暖技術(shù)，可再生能源從補(bǔ)充能源變?yōu)橹黧w能源[2]。所以探索適宜的清潔供熱技術(shù)和系統(tǒng)，已成為國家和各地政府以及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。太陽能是一種可再生的清潔能源[3]，具有取之不竭、安全環(huán)保的優(yōu)勢，正逐步替代傳統(tǒng)能源成為未來的主要新能源。

目前，農(nóng)村對太陽能的應(yīng)用主要是熱水，部分地區(qū)發(fā)展了太陽能供暖，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)宅用戶的太陽能供暖和太陽能熱水器是2 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，太陽能供暖系統(tǒng)只在一年的冬季被使用，其余季節(jié)閑置；北方冬季氣溫較低時(shí)，太陽能集熱器集熱管內(nèi)如果發(fā)生水凍結(jié)則會(huì)損壞集熱器，出現(xiàn)漏水問題，也存在一些如集熱系統(tǒng)集熱效率低以及夜間無法有效供暖等問題。基于以上問題，本研究提出一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱循環(huán)環(huán)路、供暖循環(huán)環(huán)路、生活熱水供應(yīng)管路和輔助電加熱器等組成，如圖1 所示。

太陽能集熱循環(huán)環(huán)路包括吸收太陽輻射熱的槽式拋物面集熱板和安裝在其上的集熱真空管、導(dǎo)熱油循環(huán)泵、設(shè)置在雙層保溫水箱下部的油-水換熱盤管、油管道及閥門等；供暖循環(huán)環(huán)路包括農(nóng)宅房間內(nèi)的供暖末端散熱器或地暖盤管、雙層保溫?fù)Q熱水箱、供暖循環(huán)泵、供回水管道及閥門等；生活熱水供應(yīng)管路包括用水龍頭、設(shè)在雙層保溫水箱上部的水-水換熱盤管、冷熱水管道及閥門等；輔助電加熱器為設(shè)置在雙層保溫水箱底部的電加熱棒。

圖1 一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

槽式拋物面集熱板設(shè)有自動(dòng)追日控制裝置，保證集熱板始終垂直追蹤太陽光，把太陽光聚焦成一條焦線，利用太陽能對真空管內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，吸熱的高溫導(dǎo)熱油通過導(dǎo)熱油循環(huán)泵沿著油管道被輸送至雙層保溫水箱內(nèi)的油-水換熱盤管，通過油-水換熱盤管將熱量傳遞給保溫水箱內(nèi)供暖循環(huán)水，降溫后再沿著油管道進(jìn)入集熱真空管，繼續(xù)通過槽式拋物面集熱板吸收太陽輻射能，然后繼續(xù)循環(huán)，從而將太陽輻射能傳遞給保溫水箱內(nèi)的水。被油-水換熱盤管加熱升溫后保溫水箱內(nèi)的供暖循環(huán)水，由供暖循環(huán)泵提升動(dòng)力，通過供暖供水管道輸送至農(nóng)宅建筑室內(nèi)的散熱器或地?zé)岜P管，通過散熱器或地?zé)岜P管對室內(nèi)散熱，降溫后的供暖循環(huán)水通過供暖回水管道回到保溫水箱繼續(xù)被加熱，形成循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)供暖目的。常溫自來水通過冷水管道進(jìn)入保溫水箱內(nèi)的水-水換熱盤管，吸收供暖循環(huán)水的熱量，變成熱水后通過熱水管道輸送至用水龍頭，從而供應(yīng)生活熱水。

當(dāng)太陽能集熱量不能滿足用熱要求時(shí)，用輔助電加熱器加熱保溫水箱內(nèi)的水，滿足供暖和生活熱水需求。

2 系統(tǒng)的運(yùn)行及控制

利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)可為農(nóng)宅建筑供暖并提供生活用熱水，為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行設(shè)置了一套自動(dòng)控制裝置。通過設(shè)置在系統(tǒng)相應(yīng)環(huán)路、管路上的溫度傳感器和控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)溫度檢測及控制圖

2.1 集熱循環(huán)環(huán)路的運(yùn)行及控制

導(dǎo)熱油通過真空管吸收太陽能熱量，由導(dǎo)熱油泵強(qiáng)制循環(huán)，通過油-水換熱器加熱水箱內(nèi)的循環(huán)水。當(dāng)太陽光強(qiáng)度較大時(shí)，為避免水箱水溫超過100 ℃造成蒸發(fā)和供熱量過多從而使室溫過高，設(shè)定保溫水箱上的溫度傳感器檢測到水箱內(nèi)循環(huán)水的溫度等于100 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉導(dǎo)熱油泵和控制閥門，停止集熱循環(huán)運(yùn)行；陰雨天或夜晚時(shí)，導(dǎo)熱油管路上溫度傳感器檢測到進(jìn)出環(huán)路上的導(dǎo)熱油溫差等于0.2 ℃時(shí)，說明集熱量很小，控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉導(dǎo)熱油泵和閥門，避免水箱內(nèi)循環(huán)水的熱量被導(dǎo)熱油帶走；當(dāng)溫度傳感器檢測到水箱內(nèi)循環(huán)水的溫度小于100 ℃，且檢測到導(dǎo)熱油管路進(jìn)出環(huán)路上的導(dǎo)熱油溫差大于0.2 ℃時(shí)，集熱系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 供暖循環(huán)環(huán)路運(yùn)行及控制

保溫水箱上供暖供水管的溫度傳感器檢測到供水溫度在35～60 ℃之間時(shí)，供暖循環(huán)水由循環(huán)泵通過供水管輸送至室內(nèi)散熱末端，釋放熱量后通過供暖回水管回到保溫水箱；當(dāng)檢測到供水溫度大于60 ℃時(shí)，通過三通調(diào)節(jié)閥增加回水流量使流向散熱末端的水溫保持在60 ℃以內(nèi)；當(dāng)檢測到供水溫度小于35 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)電加熱器加熱水箱內(nèi)循環(huán)水，直至供水溫度為35 ℃以上。

2.3 生活熱水供應(yīng)管路運(yùn)行及控制

自來水通過冷水管道進(jìn)入水-水換熱器，吸收熱量后通過熱水管道輸送至用水點(diǎn)，當(dāng)熱水管路上的溫度傳感器檢測到水溫小于42 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)電加熱器加熱水箱內(nèi)的循環(huán)水。

整個(gè)供熱系統(tǒng)啟動(dòng)順序?yàn)椋合乳_啟集熱循環(huán)環(huán)路，當(dāng)檢測到供暖供水溫度滿足要求后，啟動(dòng)供暖循環(huán)環(huán)路。

系統(tǒng)優(yōu)先保證原則：考慮到北方農(nóng)村生活習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)要求，冬季為供暖季，系統(tǒng)優(yōu)先保證供暖循環(huán)環(huán)路穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足農(nóng)宅建筑供暖需求，因此由供暖循環(huán)環(huán)路上的溫度檢測裝置控制集熱系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)的啟停。當(dāng)供暖循環(huán)環(huán)路滿足要求，而生活熱水溫度不滿足要求時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定程序不自動(dòng)開啟電加熱器。此時(shí)若農(nóng)宅要求使用熱水，可人為開啟電加熱器。非供暖季節(jié)供暖循環(huán)環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)由生活熱水供應(yīng)管路上溫度檢測裝置控制集熱系統(tǒng)和電加熱器的啟停，滿足人們對生活熱水的需求。

3 系統(tǒng)效益分析

以100 m2的唐山地區(qū)某農(nóng)宅建筑為例，根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》，供暖參數(shù)設(shè)定如下：建筑室內(nèi)冬季供暖設(shè)計(jì)溫度取18 ℃，唐山冬季供暖室外計(jì)算溫度為-9 ℃，該農(nóng)宅建筑供暖面積約60 m2，面積熱指標(biāo)取65 W/m2，由此計(jì)算出供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約為3.9 kW。

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》得出熱水供應(yīng)參數(shù)的選取如下：熱水用水定額取每人每天60 L，按照1 戶3 口人計(jì)算，熱水用水溫度取55 ℃，唐山地區(qū)冷水平均溫度取10 ℃，根據(jù)農(nóng)村生活習(xí)慣，取熱水使用小時(shí)數(shù)為6 h。由此計(jì)算得到熱水設(shè)計(jì)耗熱量約為1.6 kW，因此該農(nóng)宅供暖和熱水供應(yīng)的總供熱量為5.5 kW。

唐山地區(qū)位于東經(jīng)118°12′，北緯39°37′，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)大陸性氣候特征，全年日照2 600～2 900 h，太陽輻射年均值為4 960～5 200 MJ/m2[4]。

根據(jù)槽式拋物面集熱器的單塊集熱效果，經(jīng)理論分析計(jì)算，采用8 塊串聯(lián)組裝在農(nóng)宅屋頂；系統(tǒng)采用容積為1.2 m3的雙層保溫水箱，也設(shè)置在屋頂；水箱底部設(shè)置功率為4 kW 的輔助電加熱器；采用功率為100 W 的導(dǎo)熱油循環(huán)泵和供暖循環(huán)泵。

不考慮國家能源補(bǔ)貼，晚間利用低谷電價(jià)（當(dāng)?shù)匾归g電價(jià)為0.32 元/（kW·h），白天電價(jià)為0.52 元/（kW·h））的情況下，根據(jù)農(nóng)宅用戶用熱需求和生活習(xí)慣，系統(tǒng)1 d 按照20 h 運(yùn)行，白天太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行8 h，集熱停止后保溫水箱有效保溫約達(dá)4 h，夜間電輔助加熱器運(yùn)行8 h。根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡闆r和氣象條件，供暖期為120 d，陰雨天氣取20 d；非供暖期，白天太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行6 h 可滿足用熱水要求，夜間不用開啟輔助電加熱器，非采暖期為240 d，陰雨天取40 d。

供暖期供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如下：集熱運(yùn)行費(fèi)用為0.1 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×100 d=41.6 元，電加熱器陰雨天運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×8 h×0.52 元/（kW·h）×20 d=332.8 元，電加熱器夜間運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×8 h×0.32 元/（kW·h）×120 d=1 228.8 元。

非供暖期供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如下：集熱運(yùn)行費(fèi)用為0.1 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×240 d=74.9元，電加熱器陰雨天運(yùn)行費(fèi)用為4 kW×6 h×0.52 元/（kW·h）×40 d=499.2 元。

因此，系統(tǒng)運(yùn)行一年的費(fèi)用為41.6+332.8+1 228.8+74.9+499.2=2 167.3 元。

若用戶燃煤供暖，一個(gè)用戶供暖期用煤約2 t，按照2020 年煤價(jià)1 100 元/t 計(jì)算，供暖費(fèi)用約2 200 元。該供熱系統(tǒng)與燃煤供暖相比費(fèi)用相當(dāng)。但該供熱系統(tǒng)能夠提供農(nóng)宅全年的生活熱水，一套系統(tǒng)同時(shí)滿足農(nóng)宅的供暖和生活熱水供應(yīng)，所以同樣的費(fèi)用下功能增加了。該供熱系統(tǒng)供暖采用清潔能源，沒有燃煤供暖造成的顆粒及氣體污染物，室內(nèi)空氣質(zhì)量好；同時(shí)相比燃煤產(chǎn)生的CO2，減少了對環(huán)境的污染，所以該供熱系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益較好。

4 本供熱系統(tǒng)區(qū)別與普通太陽能供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 自動(dòng)追日可旋轉(zhuǎn)槽式太陽能集熱板

普通太陽能集熱器為固定式集熱板/管，本供熱系統(tǒng)集熱器采用的是帶有自動(dòng)追日功能可旋轉(zhuǎn)槽式太陽能集熱板，保證陽光垂直直射集熱板，高效收集太陽熱量。

4.2 導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱油

普通太陽能集熱系統(tǒng)的集熱介質(zhì)為自來水，本供熱系統(tǒng)的集熱真空管內(nèi)采用導(dǎo)熱油作為吸熱介質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，吸熱后溫度可以達(dá)到100 ℃以上，具有高效吸熱、儲熱、換熱性能，冬天無凍結(jié)問題。

4.3 節(jié)約礦物能源，可滿足供暖和生活熱水需求，效益好

普通農(nóng)宅燃煤供暖和生活熱水是分設(shè)太陽能熱水器系統(tǒng)和燃煤供暖2 套系統(tǒng)，不僅占用空間，且供暖系統(tǒng)只在冬季被使用，系統(tǒng)利用率低，燃煤消耗礦物能源，污染大，室內(nèi)環(huán)境差。本供熱系統(tǒng)可同時(shí)滿足供暖和生活熱水需求，系統(tǒng)利用率高，污染少。

5 結(jié)論

一種利用光熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)配置了槽式拋物面集熱器了利用集熱油循環(huán)集熱，實(shí)現(xiàn)農(nóng)宅建筑供暖和熱水供應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行控制安全可靠，具有節(jié)能和環(huán)保效益，值得在農(nóng)宅建筑中推廣應(yīng)用。