高寒地区以太阳能利用为主的供暖系统设计探讨

邹秋生 徐永军 王 曦



高寒地区以太阳能利用为主的供暖系统设计探讨

邹秋生 徐永军 王 曦

（四川省建筑设计研究院 成都 610000）

分析了四川高寒地区供暖现状，介绍了该区域以太阳能利用为主的供暖系统设计方法。讨论了蓄热水箱体积对太阳能实际利用率的影响，并分析了风冷热泵在高海拔地区的适应性；以实际工程为例，介绍了在当地进行供暖设计时系统的防冻等安全措施实施方法以及以最大化利用太阳能为目标的运行控制策略。

高寒地区；太阳能供暖；控制策略；防冻

0 引言

川西大部分位于高海拔、寒冷（或严寒）地区（以下简称高寒地区），个别地方冬季室外极端最低可达到-30℃以下，居民生活条件十分艰苦。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736的规定，该区域均应设置供暖设施。然而由于经济基础较差，川西高寒地区基本没有成规模的供暖系统，当地居民采用的柴火、牛粪取暖方式对当地环境造成较大破坏。随着经济发展和人们生活水平的提高，居民生活供暖需求越来越大，该区域陆续出现的一些供暖系统由于没有结合当地资源、经济、文化情况，均出现一定的问题。

图1 阿坝州某城市的集中供暖锅炉房

图1为阿坝州某城市的集中供暖锅炉房，采用燃煤锅炉。由于设计时没有考虑当地煤炭（褐煤）无法满足该燃煤锅炉使用的情况，该系统只能依靠长途汽车从山西、陕西运来燃煤，大大增加了运行费用。

图2为阿坝另一城市的城市液化气站，建立该站的目的是为了解决当地居民生活及供暖用气。采用槽车从甘肃运来的液化气经本站气化后，通过城市管道供给居民。长途运输加上运营成本导致液化气价格昂贵，当地居民无法承担液化气供暖费用。

图2 阿坝州某城市液化气站

图3为甘孜州某机场供暖系统，为利用当地丰富的太阳能资源，本系统采用了平板型太阳能集热器供暖，并设置了电锅炉作为辅助热源。实际调研发现，由于自控系统并未落实，采用手动控制过于复杂，加上系统未处理好防冻、防过热超压等问题，该太阳能供热系统并未正常运行，平时基本依靠电锅炉供暖，辅助热源成为主要的供暖热源，实际并未实现利用可再生能源的初衷。

图3 甘孜州某机场太阳能供暖系统

从以上案例可以看出，高寒地区供暖系统如果不能充分利用当地资源情况、工程实施不考虑系统实际运行所需安全措施、不顾及当地实际操作能力设置过于复杂的系统切换控制要求，都会使系统实际运行情况偏离设计初衷。如何根据当地实际情况和资源禀赋，保证工作生活条件情况下，使供暖系统较少消耗化石能源，保护生态环境，成了一个重要的课题。

1 太阳能供暖系统组成形式

川西大部分地区太阳能资源丰富，充分利用太阳能供暖，能减少当地对化石能源的使用和对外界能源的依赖，在降低运行费用的同时，起到保护环境、节能减排的目的。在川西高寒地区，以太阳能为主的供暖系统应得到推广。

太阳能具有能量密度低、产能不连续的特点，极易受到时间、气候、地形等条件影响。为满足末端连续的供暖负荷需求，供暖系统除了集热系统、用户侧供暖末端以外，还应配置换热系统、蓄热系统、辅助热源及散热系统（如图4）。

图4 太阳能供暖系统图

根据集热系统、辅助热源与用户侧的关系，供暖系统可分为辅助热源直接接入水箱、辅助热源与集热系统并联接入末端、辅助热源与集热系统串联接入末端等方式。根据各系统的形式，设计应采用不同的运行策略配合运行，优化供暖模式，最大化利用太阳能。

2 太阳能供暖系统（高寒地区）设计要点

2.1 负荷计算

计算太阳能供暖系统的热负荷时，集热器及辅助热源热设备负荷应分别计算。采用动态负荷计算法可以为太阳能集热器面积确定、蓄热水箱容积选取、供暖系统优化控制策略提供依据。辅助热源设备的热负荷可按稳态负荷计算，计算时可适当降低室内计算温度，具体计算方法可参见《四川省高寒地区民用建筑供暖通风设计标准》（DBJ5155-2016）。

2.2 集热器面积确定

现行国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》GB50495-2009中规定，直接系统集热器总面积应按照公式（1）计算：

式中，A为直接系统集热器总面积，m2；Q为建筑物耗热量，W；J为当地集热器采光面上的平均日太阳辐射量，J/(m2·d)。

使用该公式的时候应注意，式中分子部分应理解为供暖总负荷。对于全天24小时使用的建筑，供暖负荷按照上式计算（86400Q=24×3600×Q）是没有问题的，但对于间歇使用的房间如办公室等，正常供暖时间只有8小时，则一天平均总热量应按照8小时供暖负荷加上值班负荷计算。另外，公式（1）中J理解为供暖期内的平均日辐照量（而不是全年平均值）也更合理一些。

2.3 蓄热水箱体积确定

太阳能供暖系统末端热负荷与集热系统集热量一般为负相关（集热能力最大的时候，一般也是建筑供暖负荷最小的时候），同时因为气候原因，太阳能产能也极不稳定，为满足末端持续的供暖负荷需求，需要采用蓄热装置调节负荷需求。目前对相变蓄热装置的研究比较多，但实际工程还是较多地采用了蓄热水箱。

采用蓄热水箱时，应恰当确定水箱体积。水箱体积过小，蓄热能力有限，在一定的太阳辐射强度足够下，水箱温度迅速达到温度上限，为保证集热系统温度不超过标准，还需要启动散热装置，集热量不能被末端系统使用，导致集热器热量浪费。水箱体积过大，会造成水箱温度上升缓慢，供暖初期即使太阳能集热器有热收益，仍需要较长时间才能达到供暖温度，此时需要启动辅助热源供暖，造成多余的能量消耗。所以，蓄热装置的大小决定了太阳能转化为有效供热量的能力，设计应根据当地太阳能资源、工程投资、建筑功能使用性质、建筑负荷、互补能源方式、集热器面积、运行控制策略等因素综合考虑，有条件时宜通过相关模拟软件进行热性能计算分析确定。

2.4 空气源热泵（辅助热源）修正

太阳能供暖系统需要采用辅助热源供暖。采用空气源热泵作为供暖系统辅助热源时，因高寒地区气候与平原地区不同，应注意热泵机组的适宜性。

首先，所选择的空气源热泵机组必须在低温情况下正常工作，并提供所需热负荷。对于高寒地区应选用低温专用型热泵机组，同时需要校核在低温情况下空气源热泵机组的实际供热效率。一般在制热工况下，室外干球温度降低1℃，COP下降约2～3%，设备选型时应根据室外温度修正其实际供热能力。

另外，海拔高度增加引起空气密度的减小，会造成热泵机组表冷器空气侧换热系数降低。在高寒地区使用的热泵机组，应进行风量修正。公式（2）为空气侧表面换热系数计算公式。

式中，为空气侧表面换热系数，W/(m2·K)；为导热系数，W/(m·K)；为空气流速，m/s；为蒸发器管径，m；为空气动力粘度，N·s/m2；为空气密度，kg/m3。

可以看出，只考虑海拔高度的影响时，要保证表冷器侧换热系数，因空气密度减小，蒸发器表面风速应相应增加，才能使得不变。根据海拔高度与空气密度的关系，表冷器侧风速与海拔高度的修正应满足表1的要求。

所以，只考虑海拔高度引起的空气密度变化情况下，若不改变表冷器结构，在海拔高度2000m时，表冷器表面风速应提高月1.3倍。故应增加风机风量，才能保证其换热系数。

表1 表冷器表面风速与海拔高度对应表

最后，高寒地区供暖采用风冷热泵作为辅助热源时，应注意风冷热泵结霜对效率的影响。参考相关文献，采用65%、-5度为分界点，可以将一个地区室外空气状态点划分为重霜区、一般结霜区、低温结霜区和轻霜区四个区间。图5为川西高寒地区典型城市空气源热泵机组供热结霜时间占比图。

图5 川西典型城市空气源热泵机组供热结霜时间占比图

可以看出，康定等地区室外空气处于重度结霜与易结霜区域的天数较多，选用空气源热泵作为辅助热源时，应选择有良好的除霜机制的热泵机组。

2.5 防过热与防冻

太阳能集热系统过热时，集热系统内会产生高温蒸汽，导致系统因压力过大造成严重破坏，故集热系统应考虑周全的防过热措施。另外，由于处于低温空气环境，太阳能集热系统、辅助热源系统及末端供暖系统均应设置防冻措施。本文将在3.3节结合具体工程叙述防过热和防冻措施设置方法。

3 工程实例

3.1 工程概况

色达县第二完全小学位于色达县城内，校内建筑包括教师周转房、学生宿舍、食堂、办公楼、教学楼等，供暖工程总建筑面积约为2.2万平方米，多为1～3层既有建筑，学校在原校区已有建筑基础上扩建，供暖工程开始期间，校方对这些建筑进行了保温节能改造（如图6）。

图6 色达县第二完全小学鸟瞰图

色达县城海拔高度3800多米，极端最低气温-36℃，是典型的高寒地区，冬季供暖期10月18日至次年5月9日。根据负荷计算，学校设计日总热负荷白天为32918MJ，夜间20172MJ（详表2）。

表2 学校各区域负荷汇总表

3.2 供暖系统设计

本工程采用太阳能供暖，设置空气源热泵作为辅助热源。校区东侧专用机房内设板式换热器、水泵及蓄热装置，辅助热源空气源热泵及散热装置布置于机房附近室外。本工程共设置2040块平板型集热器（单块面积为2平米）。根据校区场地特点，集热器分为两个区域布置，其中校区北侧布置了1818块、东侧布置了222块。辅助热源选用了18台模块式低温喷气增焓热泵机组，供暖计算温度下实际制热量759kW，实际COP2.4（标准工况下机组单台制热量1260kW，COP4.0），设计要求热泵厂家按照色达海拔高度修正机组风量。本工程设置两个体积为200立方米的蓄热水箱，采用水为蓄热介质，太阳能集热系统与辅助热源并联接入蓄热水箱（如图7）。

图7 色达二完小供暖总平面图

校区供暖末端分为教室、周转房、学生宿舍三个独立的回路，分别提供宿舍区夜间供暖负荷、教学区白天供暖负荷及周转房全天供暖负荷。各回路采用独立的热水泵将蓄热水箱内热水送至各供暖区域，设计供回水温度40～50℃。供暖末端均采用风机盘管。

3.3 运行控制策略

本工程蓄热水箱内水温设定为40～75℃，太阳能集热系统和辅助热源并联接入蓄热水箱。用户侧热水循环系统根据供暖需求开启；对于太阳能集热系统，只要有热收益，即向蓄热水箱供热；辅助热源的启停则采用定温控制法，根据水箱温度确定是否运行。各系统独立控制，操作简单方便。

用户侧供暖循环系统：本工程各回路用户侧有供暖需求时，启动相应的供暖热水泵，抽取蓄热水箱内热水给末端系统提供所需热量。末端风机盘管、散热器采用温控阀控制，室温达到要求时关闭电动二通阀（风机盘管同时关闭风机），各回路热水泵根据干管温差变频运行。

太阳能集热循环系统：供暖季节集热器内乙二醇溶液平均温度蓄热水箱下部温度即启动集热循环水泵。太阳能集热侧板式换热器入口的乙二醇温度高于蓄热水箱内水温时（表明此时集热系统有热收益）启动蓄热循环水泵，通过板式换热器进行换热，将集热系统有效集热量存储于蓄热水箱；蓄热水箱温度高于75℃时，关闭蓄热水泵。若集热系统乙二醇温度高于110℃，则启动散热装置（详防过热措施），集热器内乙二醇溶液平均温度低于40℃，或进出口平均温差小于3℃时，表明室外日照辐射强度很低，关闭集热循环水泵。

辅助热源循环系统：供暖期内蓄热水箱低于40℃时，即启动辅助热源循环系统，向水箱供热。辅助热源供热期间，水箱温度高于50℃，即停止辅助热源循环系统。

采用定温控制法，辅助热源只用于补充供暖负荷不足部分，实现对太阳能热量的最大化利用，达到节能目的。

3.4 供暖系统防过热措施

非供暖季节采用高反射低透光遮阳装置覆盖集热器。

为防止供暖季节集热系统过热，本工程在集热系统侧与板式换热器并联设置了冷却散热器。平时冷却散热器回路阀门关闭，集热系统通过板式换热器向蓄热水箱供热。在水箱温度高于75℃且集热器侧乙二醇溶液温度高于110℃时，冷却散热器回路阀门开启，启动散热器散热。防过热温度传感器设置在集热器出口（该位置可能出现最高温度）。

集热系统各并联的集热器回路上均设有自动排气阀和安全阀。自动排气阀可及时排除集热系统内的气体，系统安全阀设定的开启压力与系统可耐受的最高工作温度对应的饱和蒸汽压力相一致，集热系统内液体气化导致系统压力高于安全阀启动压力时，安全阀开启泄压，保证系统安全。

3.5 供暖系统防冻措施

室外集热系统、板式换热器及室外管网均需要考虑防冻措施。

本工程室外集热系统采用防冻液防冻，工作介质为浓度54%的乙二醇溶液，冰点温度-40℃（低于本地最低温度-36℃）。设计要求系统运行时持续监测乙二醇浓度，浓度降低应及时补液。

室外集热系统内乙二醇溶液夜间温度可能会远低于零度。早上集热系统循环开始工作的一段时间内，管网内低温乙二醇溶液可能致使板式换热器内二次侧的水结冰。本工程在板式换热器一次侧设置旁通回路，集热循环运行初期乙二醇溶液通过旁通回路直接回到集热器，乙二醇溶液平均温度高于水箱内初始温度时再进入板式换热器。该方法一方面可以保证板式换热器里的水不结冰，另一方面还可以保证水箱里的热量不会反向传给集热系统。

负荷侧室外管道采用直埋式保温管道，并深埋于冻土层以下防止管道冻结。

4 设计总结

色达县第二完全小学供暖系统以太阳能为主要热源，并以低温风冷热泵为辅助热源，该系统已经运行了一个供暖季节，实际供暖效果良好。我们认为，四川高寒地区供暖系统宜根据当地资源特点，充分采用太阳能等可再生能源。对于该地区以太阳能利用为主的供暖系统，设计应对其安全可靠性给予足够重视，采取合理的防冻、防过热措施，保证系统正常运行。在系统可靠运行的基础上，控制策略应围绕如何最大化利用太阳能设计。考虑到当地管理水平较低的特点，控制系统还应尽量简化。只有太阳能供暖系统正常运行起来，才能获得真正的节能收益，达到对节能减排，保护环境的目的。

[1] GB50495-2009,太阳能供热采暖工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] DBJ5155-2016,四川省高寒地区民用建筑供暖通风设计标准[S].成都:西南交通大学出版社,2016.

[3] 沙晓雪,辜兴军,程建国.西藏地区供暖采用水源热泵+散热器的经济型分析[J].制冷与空调,2004,(1):53-55.

[4] 张志刚,刘杰.太阳能/空气复合热源热泵机组研究[J].建筑热能通风空调,2009,28(3):61-64.

[5] 李雨潇,冯炼,张发勇.拉萨市太阳能供暖情况调查研究[J].制冷与空调,2015,(1):106-109.

[6] 张凯.太阳能供热系统辅助热源的选择与探讨[J].供热制冷,2012,(2):46-48.

Research of the Designing of Solar Heating System in High Latitude and Cold Area

Zou Qiusheng Xu Yongjun Wang Xi

( Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute, Chengdu, 610000 )

This article analyses the current heating situation in high latitude and cold area in Sichuan Province. It also introduces the design methods of heating system in the use of solar energy. We discuss how the volume of the water tank influences the solar energy availability. Furthermore, this essay takes practical projects as examples to introduce the safety measures taken in freeze-proofing and the operation control strategy which aims at maximizing the use of solar energy.

high latitude and cold area; solar heating system; control strategy; freeze-proofing

1671-6612（2017）02-135-05

TU8

B

2017-02-16

作者（通讯作者）简介：邹秋生（1973.8-），男，本科，高级工程师，E-mail：305853892@qq.com