【探讨】太阳能为主的清洁能源在村镇供暖中的应用探讨

发表于 讨论求助 2020-03-26 16:24:54

中国建筑科学研究院新能源应用研究中心主任/李忠


一、背景及现状

我国村镇采暖面临着建筑围护结构保温差,室内热环境恶劣,北方农村常用土暖气炉、土炕采暖,存在污染大、能效低等现状。为改善人们生活水平,提高生活品质,清洁能源采暖势在必行。据相关测试结果表明:北京农村家庭固体燃料燃烧的总PM2.5 排放对本地污染排放的贡献率为14.4%~18.5%,对本地和区域传输的总污染物排放的整体贡献率为9.2%~13.3%,与工业生产的排放量相当,并高于扬尘的排放量,是城市燃煤锅炉贡献的两倍左右。


二、应对之策

为了积极响应国家的节能减排政策及清洁能源行动计划,相关省市出台了积极的应对政策来发展清洁能源。

山西省人民政府4 月26日出台《推进城乡采暖煤改电试点工作实施方案》(以下简称《方案》)。

《方案》指出对安装高效节能电采暖设备的居民用户,设备购置费用由省、市两级财政各补贴三分之一,两级补贴总额最高不超过20000 元/ 户;省、市两级财政对采暖季低谷时段电价各补贴0.1 元/ 千瓦时,每个采暖季每户补贴最高不超过12000千瓦时用电量。

北京市新农办2016 年4 月29 日出台《北京市2016 年农村地区村庄“煤改清洁能源和减煤换煤”相关推进工作指导意见》(以下简称《意见》)。

《意见》指出各区严禁使用“直热式”电取暖设备(如果使用,要确保居民不能因用电费用高而又重新使用燃煤);鼓励使用“多能联动、多热复合、多源合一”等多种设备相融合的低温空气源、地源热泵、太阳能加辅助能源等系统。各区推广热泵和“多能联动”类设备要不低于本区取暖设备的80%。

河北省农业厅2 月24 日出台《2016 年农村清洁能源开发利用工程建设推进方案》(以下简称《方案》)。《方案》指出因地制宜推广燃煤替代模式。秸秆能源化利用,加强秸秆收、储、运体系建设,对使用生物质成型燃料为农户和农业生产单位冬季供暖的,每吨财政补贴300 元。煤改太阳能,在住宅保温措施到位、经济条件较好的农户,扩大煤改太阳能使用规模,每个示范户财政补贴

1.5 万元。煤改电,在电力保障、住宅保温条件较好的农户,扩大碳纤维电采暖、电采暖锅炉、空气源热泵采暖使用规模,每户财政补贴2700 元。主要考虑户式供暖系统,集中供暖系统暂不考虑。


三、太阳能在村镇供暖中的应用

1. 太阳能供暖形式

太阳能系统供暖形式主要分为被动式太阳能供暖、太阳能热水供暖、太阳能空气供暖;蓄热方式分为水蓄热、围护结构蓄热、卵石床蓄热、地下土壤蓄热;从辅助热源形式分为电加热、热泵、生物质炉;从应用基础分为围护结构保温满足50%以上的节能标准、主被动结合。




被动式太阳能采暖原理图


2. 太阳能供暖系统特点

针对太阳能的间歇性和不可靠性,为确保供能稳定,通常太阳能供暖系统需要设置辅助能源系统和蓄热系统;太阳能供暖系统技术较复杂,初投资较高,但运行费用较低,节能效益显著。系统容量宜按使用频率最大的基本供暖负荷选型,推动太阳能系统全年持续满负荷有效运行,充分发挥系统的节能减排效益,系统高峰负荷可由初投资较低的常规能源系统调峰,以保证能源需求。系统运行控制应优先使用太阳能为减少热损,提高集热系统效率,供暖系统工作温度在可能的情况下尽量降低。

3. 太阳能热水供暖系统推广的主要障碍及应对措施

(1)经济性

现状:每平方米建筑面积太阳能供暖系统造价在200 元以上。

可采取措施:建筑节能设计标准必须得到有效实施以便尽量降低建筑供热负荷,采用主被动结合的方式,利用被动太阳得热降低主动系统负荷通过技术经济比较合理选择蓄热系统和蓄热容量,选取适当的太阳能保证率,开发更为高效低价的集热装置和集热方式。

(2)防冻

现状:太阳能集热系统长期暴露在室外,且可能遭遇连续雨雪天气,必须采取有效的防冻措施。

可采取措施:管路中充注防冻液防冻,平板集热器采用排空方式防冻,真空管集热器采用管路电伴热方式防冻,水箱热水反冲加热防冻。

(3)防过热

现状:单纯的供暖系统在非供暖季面临热量浪费,集热器过热。

可采取措施:采用季节蓄热将非供暖季热量转移到供暖季使用,供暖系统与空调、热水系统形成综合利用系统,全年向建筑提供相应服务,可在严寒地区与土壤与热泵系统联合运行,非供暖季太阳得热回灌地下,解决热泵系统得热不平衡问题;采用耐高温的集热器和系统,非供暖季硬抗采用苫布遮挡,风冷降温等措施防止集热系统过热。

(4)系统技术复杂,缺少成熟的产业支撑

现状:用户很难依靠自己的力量运行维护系统,相关工程很难在市场上采购到专门为太阳能供暖设计的设备器材。

可采取措施:系统实现高度的模块化和集成化,减少现场安装维护和维修工作量与太阳能供热系统相配套的加热器、水箱、热交换器等附件的开发和产业化太阳能空气供暖。

4. 太阳能空气供暖

太阳能的另一种系统形式———太阳能空气供暖,由于工作温度范围较广,不存在冬季冻结问题,空气不会腐蚀集热器和管路,但会有除尘需求,空气系统对集热器的承压、密封等要求不太严格,即使有少量泄露,对系统的运行和效率不会产生较大的影响;空气集热反应速度快,受日照后出热空气时间短,工质再加热的热损失小,太阳能空气采暖可旁路送入新风,有效解决由于房间气密性高造成的新风供应不足的问题;空气集热器直接加热空气用于采暖,无需二次换热,提高了采暖效率可提取大于100℃的空气温度,通过风水换热器可同时实现热水供应;在非供暖季通过管路的切换系统可用于强化室内通风,既不产生过热又可以有效改善室内环境。


结语

太阳能供暖系统是太阳能热利用系统当前的主要发展趋势,但仍有较多的问题需要解决以支撑该项技术的规模化推广;以空气为介质的太阳能空气供暖系统以其价廉无防冻泄露危险简单可靠的特点也将成为村镇地区独栋建筑供暖的新兴方向之一。


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“太阳能光热”能干啥用?

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5.太阳能海水淡化应用;

6.太阳能干燥应用;

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