张鸣：太阳能夏季存储冬季利用的可行性研究

一、研究背景

　　建筑物能耗碳排放约占全球总排放量的1/3。

　　我国建筑能耗占全社会总能耗的30%以上，建筑采暖空调能耗占建筑总能耗的60%，占我国总能耗的18%左右。

　　太阳采暖替代传统采暖方式是我国建筑节能减排的有效途径之一。

　　1、我国建议采暖范围

　　日最低温度小于5℃的天数少于85天。

　　全国约90%的地区有采暖需求。

　　2、建议采暖区太阳能资源

　　四川、贵州两省部分地区及重庆市为太阳辐射四级区。我国其他地区均为太阳能辐射三级及以上地区，属于太阳能资源可利用地区。

　　建议采暖区的绝大部分地区均有较丰富的太阳能资源可利用。

　　3、可利用太阳能采暖区建设量大

　　我国人口高密度地区集中在东部、中部，建议采暖区人口约占全国总人口的80%。

　　每年新建设居住面积20亿平方米，建议采暖区约占14亿平方米。

　　4、我国太阳能热利用具有市场和产业基础

　　2010年生产集热器总面积4900万平方米，较2000年640万平方米增加7.6倍。

　　目前我国太阳能热水器总保有量居世界第一，2010年为1.68亿平方米，预计2020年将达8亿平方米。

　　我国太阳能热利用多为小型生活热水供应设备，建筑工程采暖系统亟待深入研究。

　　二、国内外研究现状

　　1、国内外太阳能跨季节蓄热供暖系统研究

　　2、国内代表性研究

　　（1）2009年国家住宅与居住环境工程技术研究中心完成了开发研究专项项目

　　——《居住建筑太阳能供暖系统平衡技术研究与开发》

　　蓄热方式：地埋管土壤蓄热

　　（2）北京通州区科技创业园的中国建筑科学院研究院研发基地曾进行蓄热试验。

　　蓄热方式：地埋管土壤蓄热+蓄热水箱蓄热

　　以上研究试验为本项目研究奠定了基础。

　　3、太阳能跨季节蓄热供暖系统的三个主要构成部分：

　　（1）集热器

　　（2）蓄热设施

　　（3）采暖末端

　　主要系统区别及研究主题——蓄热设施

　　4、蓄热设施可分为两类系统，包括四种方式：

　　封闭系统（1）人造水箱水体蓄热

　　以水为蓄热介质，水箱多为混凝土浇筑，埋于地下，外部做保温。

　　优点：水具有高热容，良好的蓄/释热性能，性能稳定、无环境污染。

　　缺点：水箱保温工程困难，造价高昂。

　　典型实例：Friedrichshafen（德国，1996年）。

　　（2）人造水箱水—砾石蓄热

　　以水为蓄热介质，水箱多为混凝土浇筑，埋于地下，外部做保温。

　　优点：水具有高热容，良好的蓄/释热性能，性能稳定、无环境污染。

　　缺点：水箱保温工程困难，造价高昂。

　　典型实例：Friedrichshafen（德国，1996年）。

　　开放系统 （3）土壤蓄热

　　通过地下埋管将热量储存到土壤中。这种方式对地质结构具有选择性，适用于岩石和饱和水土壤环境。

　　优点：无需人造蓄热设备，造价相对低。

　　缺点：蓄热容积大，对周围生态环境有影响。

　　典型实例：Drake landing（加拿大，2007年）。

　　（4）地下含水层蓄热

　　利用地下天然含水层作为蓄热水箱。

　　优点：无需人造蓄热设备，造价最低。

　　缺点：对地质环境要求苛刻，系统运行易出现塞井、腐蚀及霉菌等现象。

　　典型实例：Rostock（德国，2000年）。

三、系统研究与设计

　　1、系统解决方案

　　提高集热器效能：我国太阳能行业平均水平45%

　　减少管网热损失：行业一般水平10%

　　减少蓄热设备热损失：理想状态≤10%

　　方案要点A：优化太阳能集热器的配比（以北京地区为例）

　　集热器采暖季得热581MJ/㎡

　　温差为70℃时，每立方米水存储热量292MJ

　　每平方米集热器采暖季得热:每立方米水储存热量=1:2

　　北京地区，增大一平方米集热器面积，可以减少水箱体积约2m3。

　　结论：每平方米集热器造价约为每立方米水箱造价的一半，可以节省投资为1:4。非采暖季所产生的额外热能可作为生活热水或其它用处。

　　方案要点B：使用长短期蓄热水箱并利用热泵提品

　　系统问题：在采暖季，因为集热器回水与蓄热水进行热交换后，工质温度与外界温度温差过大，太阳能集热器集热效率较低。

　　解决方法：利用热泵加小循环蓄热水箱创造低温工质温度，从而增加蓄热系统回水与太阳能集热器回水温差，以提高太阳能集热器效率，充分利用采暖季节太阳能得热。

　　方案要点C：蓄热水箱减少热损的措施

　　工程方面：较大的蓄热容积（10000m3以上），蓄热设施四周均保温，工程措施避免冷桥。

　　材料方面：选择吸水率低，导热系数小，保温性能衰减小的材料，本项目中选择聚氨酯发泡材料。

　　2、蓄热设施工程方案研究

　　（1）工程做法：

　　（2）工程边界研究

　　——蓄热容积

　　水箱容积大于10000m3时，蓄热体热损失小于10%。

　　水箱容积小于2500m3时，蓄热体热损失随体积缩小而损失变化量大。

　　——保温层厚度（顶部）

　　聚氨酯保温厚度达0.6米时，蓄热介质热损失率为10%。保温层厚度1.2米以上时，热池底不设保温：25天后热损失率达到100%。

　　——池底保温

　　损失率无明显变化。

　　（3）保温材料的选择

　　本工程实例中选择：聚氨酯发泡材料，该保温材料性能优，同时可以现场施工，防水性能优越。

　　（4）系统计算模型

　　系统计算模型的理论基础是能量守恒。将系统分成各单元系统，根据各单元系统间的变量关系进行连接，组成仿真大系统，得出所求变量的时变规律与系统运行效能。

　　四、工程设计案例研究

　　1、选择典型地区进行工程研究

　　沈阳（严寒地区）、北京（严寒地区）、上海（夏热冬冷地区）。

　　这些地区人口密度高，建设量大，具有代表性。

　　（1）以北京为例深入研究与讨论

　　太阳能资源：

　　北京位于北纬39度54分，年日照2750小时，年太阳能辐射量达到6085MJ/m2，为太阳能辐射强度三级地区。

　　采暖需求：

　　北京采暖能耗指标为：每平米建筑面积采暖能耗6.25kg标准煤、等于50.81KWh、等于128.91MJ。

　　结论（北京地区50000m2采暖面积系统）

　　本系统可用于六层以下居住建筑。

　　每平方米采暖面积对应的集热器面积0.12m2，蓄热池体积0.4m3，系统造价754元。

　　冬季利用热泵机组提高系统的集热效率。

　　本系统可实现太阳能得热贡献率69%。

　　每平米采暖面积减少标准煤使用4.23kg，减少二氧化碳排放10.55kg。

　　夏季并联生活热水系统，提高系统效能。

　　（2）以上海为例深入研究与讨论

　　A、热平衡（上海）

　　B、上海50000m2居住小区

　　C、结论（上海50000m2居住小区）

　　每平方米采暖面积对应集热器面积0.12m2，蓄热池体积为0.2m3，系统造价460元。

　　本系统可实现太阳能得热贡献率54%。

　　每平米采暖面积减少标准煤使用2kg，减少二氧化碳排放4.99kg。

　　夏季并联生活热水系统，提高系统效能。

　　A、热平衡（沈阳）

　　B、沈阳50000㎡居住小区

　　C、结论（沈阳50000m2居住小区）

　　本系统可用于六层以下居住建筑。

　　每平方米采暖面积对应的集热器面积0.12m2左右，蓄热池体积为0.5m3，系统造价952元。

　　冬季利用热泵机组提高系统的集热效率。

　　利用本系统可实现太阳能得热贡献率71%。

　　每平米采暖面积减少标准煤使用5.58kg，减少二氧化碳排放13.91kg。

　　五、前景展望

　　新能源产业发展需要国家政策推动

　　1、国外政策及鼓励措施

　　2、国内政策及鼓励措施

　　（1）国内光伏产业相关政策补贴

　　2011年我国对光伏工程补贴限为8-9元/瓦。

　　总体来说，国内的补贴政策比发达国家偏低。

　　（2）政策支持的对等性

　　装机能量：光伏提供能量：130瓦/m2

　　光热提供能量：430瓦/m2

　　财政补贴：按光伏每瓦9元进行补贴，光热的补贴应为3870元/m2

　　造价：按每平方米集热器计算，整体系统平均造价约为6282元/m2 。

　　太阳能热利用行业需要国家政策支持，建议参考光伏行业补贴标准制定。

　　（3）应用前景

　　通过政策鼓励，太阳能跨季节蓄热系统在建筑采暖领域可以迅速普及。

　　应用区域与建筑热需求：

　　建议采暖区每年新增建筑面积约为14亿㎡；

　　供暖及生活用水总能耗约为3737亿MJ；

　　应用太阳能跨季节蓄热系统：

　　全年建筑传统能源消耗减少约34%；

　　减少二氧化碳排放量为1034亿吨。

　　前瞻工程案例研究

　　“零碳小屋”—— 大量采用光热装备，欢迎有志企业参与合作

　　采暖面积：440㎡

　　集热器面积：125㎡

　　全年得热：305875MJ

　　采暖能耗：80520MJ

　　全年得热量可供采暖及生活热水的全部需求，并可供其它设施热能。

　　结论：“零碳小屋”能源支持由太阳能、地能、生物质能、风能提供，其中太阳能得热贡献率超过50%。