山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 ■ 孫陸萌 張曉峰 劉學(xué)來

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，特別是高建筑能耗所帶來的環(huán)境污染，對(duì)我國人民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響[1]。采用新的供暖能源對(duì)于改善我國能源消耗現(xiàn)狀具有重要意義，同時(shí)也可減少污染物的排放，并可進(jìn)行一定程度的環(huán)境保護(hù)[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(shù)。

太陽能作為一種清潔的可再生能源，已成為當(dāng)前國際能源開發(fā)利用領(lǐng)域中的新重點(diǎn)，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(guān)計(jì)劃，加強(qiáng)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(gè)領(lǐng)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(xué)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(jì)南地區(qū)屬于重要的供熱地區(qū)，對(duì)濟(jì)南地區(qū)進(jìn)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(jì)南地區(qū)跨季節(jié)蓄熱太陽能采暖的可行性。

1 濟(jì)南地區(qū)太陽能資源分析

濟(jì)南地區(qū)在國家太陽能資源分區(qū)評(píng)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(dāng)于日輻射量為13.7～16.0 MJ/m2。濟(jì)南的氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和、雨量集中、四季分明，濟(jì)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(shí)數(shù)為2405.8 h，春季日照時(shí)間最長(zhǎng)，夏季次之；春秋兩季日照率最高，濟(jì)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(jì)南地區(qū)小時(shí)最大總輻射強(qiáng)度為1051 W/m2，年總輻射強(qiáng)度為1.4 MW/m2。通過對(duì)濟(jì)南地區(qū)太陽總輻射強(qiáng)度頻率的綜合分析可知，該地區(qū)小時(shí)輻射強(qiáng)度從0～1000 W/m2進(jìn)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?cè)照諘r(shí)數(shù)的11.19%；小時(shí)輻射強(qiáng)度在300～550 W/m2，各區(qū)間頻段平均為200 h以上，共計(jì)1238 h，占全年總數(shù)的29.1%；小時(shí)輻射強(qiáng)度在550～750 W/m2，各區(qū)間頻段平均100 h以上，共計(jì)562 h，占全年總數(shù)的13.2%；小時(shí)輻射強(qiáng)度在750 W/m2以上的時(shí)間太少，可忽略不計(jì)。由此可知，應(yīng)著重關(guān)注和利用小時(shí)輻射強(qiáng)度300～750 W/m2這個(gè)區(qū)間。

總體來說，濟(jì)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(jì)南地區(qū)應(yīng)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(diǎn)及運(yùn)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(shù)將夏季的熱量蓄積到冬季，把蓄積的熱量用于供暖，同時(shí)改善并提高太陽能利用的設(shè)計(jì)保證率，實(shí)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(jìn)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(jìn)行熱量交換，其中一部分熱直接供用戶使用；另一部分經(jīng)太陽能熱力管網(wǎng)和熱力站的熱量交換，儲(chǔ)存在系統(tǒng)中，冬季使用時(shí)，儲(chǔ)存的能量通過介質(zhì)從供熱管網(wǎng)送至換熱站，然后由各個(gè)熱力交換站對(duì)熱量進(jìn)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(duì)儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行補(bǔ)充，提高溫度，以滿足熱用戶的供熱需求。由此，CSHPSS就實(shí)現(xiàn)了太陽能的跨季節(jié)儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)存容量的要求太高，應(yīng)用較少，雖然有良好的效率，也具有利用價(jià)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(píng)價(jià)系統(tǒng)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)蓄熱介質(zhì)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(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)條件及投資規(guī)模確定。

圖2 不同蓄熱介質(zhì)的蓄熱裝置圖

4種不同的蓄熱介質(zhì)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(duì)地質(zhì)條件的選擇有較高的要求，需根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)和水文資料進(jìn)行設(shè)計(jì)；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(duì)于技術(shù)的要求較高，需要多方面的知識(shí)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性；此外，在系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(duì)介質(zhì)的分析并結(jié)合濟(jì)南地區(qū)的實(shí)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(guān)注點(diǎn)，關(guān)鍵在于水箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和隔熱。水箱壁面與內(nèi)側(cè)通常需要進(jìn)行混凝土和不銹鋼板的加固從而保證水箱的堅(jiān)固性和抗腐蝕性，同時(shí)應(yīng)運(yùn)用隔熱保溫材料降低導(dǎo)熱能力，減小熱損失。從熱力學(xué)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(nèi)，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(chǔ)或釋放至埋管周圍的土壤中。埋管蓄熱方式對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的選擇性。在實(shí)際應(yīng)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(yīng)用較為廣泛，技術(shù)成熟度也較高。此應(yīng)用是跨季節(jié)蓄熱和地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)合，太陽能多用于輔助熱源。地埋管蓄熱方式的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)負(fù)荷的變化對(duì)埋管進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)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(shí)，此種蓄熱方式的經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jì)南冬季供熱的相關(guān)要求；而且從技術(shù)層面來看，該方式的技術(shù)運(yùn)用和運(yùn)行方式相對(duì)簡(jiǎn)單，利用的可能性更大。所以，在濟(jì)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(diǎn)比較

3 經(jīng)濟(jì)性分析

以某學(xué)校的示范項(xiàng)目為例來表明濟(jì)南地區(qū)利用熱水蓄熱方式的CSHPSS的經(jīng)濟(jì)性。本項(xiàng)目的建筑面積為1.6萬m2，熱指標(biāo)為48 W/m2，供暖面積一般為9600 m2，采暖熱負(fù)荷為460.8 kW。本項(xiàng)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(gè)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(jīng)濟(jì)性，本文從供熱的角度對(duì)CSHPSS與地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，需要結(jié)合濟(jì)南地區(qū)各種必要部件的市場(chǎng)價(jià)格，進(jìn)行整體的運(yùn)行費(fèi)用和初投資的分析。

本項(xiàng)目采用濟(jì)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(lán)膜，流道與吸熱體結(jié)合方式為激光焊接。每m2集熱板約為396元，系統(tǒng)在濟(jì)南規(guī)定的供暖季開始啟動(dòng)運(yùn)行，使室內(nèi)溫度平均達(dá)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(yùn)行費(fèi)用來看，隨著兩個(gè)系統(tǒng)逐年的運(yùn)行，地源熱泵系統(tǒng)和CSHPSS的費(fèi)用都會(huì)上升。但相對(duì)而言，CSHPSS初始運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低，所以其逐年增加的幅度也較小。除在運(yùn)行費(fèi)上有一定優(yōu)勢(shì)外，CSHPSS使用周期也明顯長(zhǎng)于地源熱泵，所以整體投資比地源熱泵系統(tǒng)有優(yōu)勢(shì)[8]。

綜上所述，在濟(jì)南地區(qū)，以可再生能源為主時(shí)，CSHPSS相對(duì)地源熱泵更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，且國家對(duì)太陽能利用有一定的資金補(bǔ)貼，使其在清潔能源中的經(jīng)濟(jì)性也相對(duì)可觀，所以，CSHPSS在經(jīng)濟(jì)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(duì)環(huán)境的影響分析主要從各種污染物的排放量來評(píng)價(jià)，主要的污染物包括煙塵、SO2、NOx和CO2。下文分析了CSHPSS產(chǎn)生的環(huán)境效益情況。

根據(jù)《中國可再生能源行業(yè)報(bào)告》數(shù)據(jù)：

1)每m2太陽能集熱器可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生2.5萬元的環(huán)境效益，具備可行性。

5 結(jié)論

本文分析了CSHPSS在濟(jì)南地區(qū)的可行性。從資源、技術(shù)層面來看，在濟(jì)南地區(qū)CSHPSS具有良好的應(yīng)用前景，可以發(fā)揮一定的作用；從經(jīng)濟(jì)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(shì)，符合發(fā)展的需要，可滿足資源利用改造的要求，可進(jìn)行推廣。

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