蒙古国太阳能采暖的可行性研究

■ 窦建清 李延柱 龚耀光 刘姚

一 前言

在我国华北地区采用太阳能辅助采暖已有多年的实践经验，但在我国东北地区及蒙古国等高寒地区采用太阳能辅助采暖是否可行尚需验证。作者通过在蒙古国乌兰巴托市的3个太阳能采暖项目验证了太阳能采暖的可行性，同时也验证了普通暖气散热片同样适应于太阳能采暖，并阐述了太阳能采暖集热器集热面积的合理选择及储热水箱最佳容积的计算方法。

二 工程介绍

1 工程系统组成和工作原理

该采暖工程共有3个采暖系统组成，分别是位于蒙古国乌兰巴托市郊区的6m直径的蒙古包和木质平房，以及离乌兰巴托100kmHUSTA地区的2层木质办公室。采暖工作原理图分别为图1、2、3。集热器和水箱之间采用温差循环控制方式，集热系统采用全玻璃热管式集热器，通过内置式换热器或外置式换热器(办公室采暖系统)和储热水箱间换热；水箱采用开式非承压带内置翅片换热器水箱；末端散热器分别是PEX盘管散热器和金属暖气片，辅助能源都是内置电加热。详细配置数据见表1。

表1 太阳能辅助采暖系统具体设计参数表

乌兰巴托市位于蒙古高原中部，肯特山南端，鄂尔浑河支流图拉河畔，海拔1351m，北纬48¡，地处内陆，属典型大陆性气候，光照充足，紫外线较强，早晚温差大，冬季最低气温达-40℃，夏季最高气温达35℃，年平均气温-2.9℃。供暖时间为当年9月15日到次年5月15日，长达8个月240多天。

当集热器内工质温度比水箱温度高7℃时集热循环泵开始工作，当水箱温度接近集热器温度时集热循环泵停止工作；当水箱温度低于下限温度时启动辅助能源，当水箱温度达到50℃时停止辅助能源。

这3套采暖系统水箱内部都有用来提供生活热水的翅片式换热器，在采暖的同时用来提供生活热水。翅片换热器的换热面积为7m2，当水箱温度达到55℃换热功率达到15kW，每分钟可提供温升30℃热水7L，可以满足洗浴要求。图4、5、6分别为蒙古包、木质平房和办公室安装太阳能集热器后的照片。

图4 蒙古包安装集热器效果

图5 木质平房坡屋顶安装集热器效果

图6 二层带地下室办公室安装太阳能集热器效果

2 设计计算数据

根据建筑物的维护结构情况及甲方提供的数据，计算出3种建筑物的太阳能采暖数据如表2所示。表格中设计太阳能保障率指全部采暖能量都由太阳能集热系统提供；计算集热面积指计算出的集热器轮廓集热面积；集热和采暖效率指太阳辐射能量转化成室内采暖能量的效率，是集热系统和管路系统的综合效率。

表2 3种建筑物设计计算数据表

冬季太阳能获得的能量不足够用来采暖，如果再用来洗浴，采暖的保证率就更低，因此采暖系统做两个水箱是不合理的。本设计只考虑一个水箱，通过换热来提供生活热水，因为夏天不采取保护措施水箱总有过热现象。设计水箱中水的上限温度比当地水的沸点低20℃，水的下限温度比室内温度高20℃。为简化计算，白天8h的采暖热量按总热量的1/4考虑。

3 散热器面积选择

每种散热器在出厂时都有标准散热量(名义散热量)，标准散热量是指供暖散热器按我国国家标准(GB/T13754-1992)在封闭小室内按规定条件所测得的散热量，单位W。它规定热媒为热水，进水温度95℃，出水温度是70℃，平均温度为(95+70)/2=82.5℃，室温18℃，计算温差△T=82.5℃-18℃＝64.5℃。这是散热器的主要技术参数，散热器厂家在出厂或售货时所标称的散热量一般都指标准散热量。

太阳能采暖工程要对标准散热量进行工程处理，太阳能采暖的供回水温度和国标规定的密闭小室的实验条件不可能相同，室内温度也不一定为18℃，这时散热器的散热量为工程上实际散热量，数值肯定与标准散热量不同。因此必须按照工程实际情况进行换算。

三 实际运行情况

乌兰巴托的平房及蒙古包在太阳能和辅助电加热的联合作用下室内温度都能达到设定的18℃，能满足用户的使用要求。

我们在平房采暖系统中记录了太阳辐照强度、累计辐照量、环境温度、水箱温度、集热器温度、室内温度等。系统防冻性能良好。从测控系统得到的数据曲线可看出，白天环境温度在-15℃时系统运行正常，而当夜晚环境温度降至-26℃，第二天集热器还能正常工作，如图7所示。

图8是2012年1月7～18日期间水箱温度、集热器温度、室内温度、环境温度、太阳辐照量历史曲线，可看出室内温度稳定在设定室内温度上下限范围内。

如果设定温度区间较小，则室内温度变化频率大，说明供暖泵启动频繁。因此为延长供暖泵的寿命，应把室内温度区间尽量设定的宽一些，一般设定为2℃比较合适。根据1月7～18日的运行情况可断定，采暖的热负荷远大于甲方提供的35W/m2，据测算，平房和蒙古包的实际热负荷应为65W/m2；办公室的热负荷约为45W/m2，设计时100%的太阳能保证率不能保证，要靠辅助能源补充。

根据现场测试，乌兰巴托地区在45¡平面上的日最大辐照量为11MJ，一般天气在9MJ左右。HUSTA地区日太阳辐照量可达18MJ，由于该地区的办公室夜间不住人，夜晚无需保持18℃温度，故可以不使用辅助能源只靠太阳能采暖，其保证率还可以认为是100%。而蒙古包和平房则需要靠辅助能源来补充。

四 总结

太阳能辅助采暖系统在高寒地区是可以推广应用的。通过2012年1～5月及2012年11月～2013年5月的运行可证明，只要集热系统施工质量有保证，循环系统中灌装的工质预充压力保持合理数值，夏季有过热保护措施，系统是可以全天候运行的。

在太阳能采暖中使用暖气片做散热器是可行的。通过2个采暖季的运行，证明在高寒地区用暖气片作为太阳能采暖的末端散热系统是完全可行的，这为在已安装暖气片的既有建筑上推广太阳能采暖提供了方便和经验支持。只是在做低温太阳能采暖时要校核暖气片的散热能力，合理选择散热片的片数(面积)。

储热水箱容积的合理选择。储热水箱用来储存白天未用完的太阳能量，理论上如果太阳能只满足白天采暖负荷，可无需储热水箱。只有安装太阳能集热器面积较多，满足白天的采暖需求后还有富余热量需保存的系统才需储热水箱，为了系统工作平稳且保证非采暖季使用生活热水，需要综合考虑储热水箱的容积。通过实验发现影响水箱容积的主要因素是非采暖季生活用水需求，而不是用来防止夏季过热，而且水箱容积增大后其水容量大，冬季采暖时白天水箱温升很小，不利于提高采暖效率。实际设计时应按本文表1提供的公式选择水箱容积。