济南地区跨季节蓄热太阳能采暖的可行性分析

山东建筑大学热能工程学院 ■ 孙陆萌 张晓峰 刘学来

0 引言

随着全球范围内的温室效应日益严重，特别是高建筑能耗所带来的环境污染，对我国人民的生产生活产生了巨大影响[1]。采用新的供暖能源对于改善我国能源消耗现状具有重要意义，同时也可减少污染物的排放，并可进行一定程度的环境保护[2]，为此，国家也在积极开发和利用一系列多元化的绿色建筑节能技术。

太阳能作为一种清洁的可再生能源，已成为当前国际能源开发利用领域中的新重点，也是符合我国国情的重要能源之一。我国制定了一系列的科技攻关计划，加强太阳能的规模化利用，通过季节蓄热的方式可有效缓解冬季采暖等各个领域的能源压力[3]。太阳能供热分为短期蓄热太阳能采暖系统(CSHPDS)和跨季节蓄热太阳能采暖系统(CSHPSS)[4]。短期蓄热主要是满足宾馆、学校等公共建筑用热水和采暖的需求，它所提供的热量可以支持用户全年需用热量的15%～20%；而跨季节蓄热可以支持全年的生活热水和冬季采暖，它所提供的热量可以支撑用户全年需用热量的50%[5]。显然，跨季节蓄热具有更加广阔的前景。济南地区属于重要的供热地区，对济南地区进行新型可再生能源的供热研究与开发具有重要意义。本文着重研究在济南地区跨季节蓄热太阳能采暖的可行性。

1 济南地区太阳能资源分析

济南地区在国家太阳能资源分区评估中属于第Ⅲ类地区，是太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量约为5000～5850 MJ/m2，相当于日辐射量为13.7～16.0 MJ/m2。济南的气候为温带季风气候，气候温和、雨量集中、四季分明，济南年平均气温为14.7 ℃，为山东省最高；冬季采暖温度为 -7 ℃；平均日照时数为2405.8 h，春季日照时间最长，夏季次之；春秋两季日照率最高，济南地区一般年平均日照率为57%，虽然近几年有所下降，但依然有良好的资源。

济南地区小时最大总辐射强度为1051 W/m2，年总辐射强度为1.4 MW/m2。通过对济南地区太阳总辐射强度频率的综合分析可知，该地区小时辐射强度从0～1000 W/m2进行分布：分布频率最大的区间在100～150 W/m2，共476 h，占全年总日照时数的11.19%；小时辐射强度在300～550 W/m2，各区间频段平均为200 h以上，共计1238 h，占全年总数的29.1%；小时辐射强度在550～750 W/m2，各区间频段平均100 h以上，共计562 h，占全年总数的13.2%；小时辐射强度在750 W/m2以上的时间太少，可忽略不计。由此可知，应着重关注和利用小时辐射强度300～750 W/m2这个区间。

总体来说，济南地区的太阳能资源较丰富，开发利用潜力较大，所以从太阳能资源层面来看，在济南地区应用跨季节蓄热太阳能采暖系统前景十分广阔，具有可行性。

2 系统性能特点及运行方式分析

跨季节蓄热太阳能采暖系统(CSHPSS)是在一定的区域采用跨季节性的蓄热技术将夏季的热量蓄积到冬季，把蓄积的热量用于供暖，同时改善并提高太阳能利用的设计保证率，实现太阳能资源的全年综合利用。此系统具有灵活性，主要通过一定的措施进行太阳能蓄热，以便于满足热量的季节性需求，从而提高太阳能的利用率。

CSHPSS主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、供热中心和热力交换站等组成。该采暖系统基本工作原理为：在夏季，冷冻水系统与太阳集热器采集的能量进行热量交换，其中一部分热直接供用户使用；另一部分经太阳能热力管网和热力站的热量交换，储存在系统中，冬季使用时，储存的能量通过介质从供热管网送至换热站，然后由各个热力交换站对热量进行匹配，并送至各热用户。过程中需要由供热中心通过辅助热源对储存的热量进行补充，提高温度，以满足热用户的供热需求。由此，CSHPSS就实现了太阳能的跨季节储存和使用，在很大程度上提高了太阳能利用率。

图1 CSHPSS原理图

根据蓄热温度的差异，CSHPSS可分为低温蓄热和高温蓄热两种形式。通常低温蓄热的温度范围为20～40 ℃，高温蓄热的温度范围为40～90 ℃。一般而言，系统大多以低温蓄热的方式为主；高温CSHPSS对储存容量的要求太高，应用较少，虽然有良好的效率，也具有利用价值，但主要停留在研究及辅助热源的层面。

CSHPSS中，蓄热装置的蓄热性能是评价系统好坏的一个重要指标。根据蓄热介质的不同，蓄热装置可分为4类：热水蓄热、砾石-水蓄热、地埋管蓄热、含水层蓄热[6]。不同蓄热方式的选择需要根据建设地点的地质条件及投资规模确定。

图2 不同蓄热介质的蓄热装置图

4种不同的蓄热介质中，砾石-水蓄热装置由于混合物的比热较小，在相同蓄热量的情况下，砾石-水蓄热装置的容积比热水蓄热高出50%左右；而且，这种蓄热方式对地质条件的选择有较高的要求，需根据建设地点的地质和水文资料进行设计；一般情况下，砾石-水蓄热很难推广，所以不作考虑。

含水层蓄热方式对于技术的要求较高，需要多方面的知识，以保证整个系统的安全可靠性；此外，在系统运行中还需特别注意防止一些不良现象；而且该系统的最高蓄热温度为50 ℃，需要大规模配备热泵机组，将热水提高到65 ℃以满足用户的需求，不便于使用，所以不予考虑。

通过对介质的分析并结合济南地区的实际状况，本文只考虑热水蓄热和地埋管蓄热两种方式。

1)热水蓄热。水箱为主要关注点，关键在于水箱围护结构的设计和隔热。水箱壁面与内侧通常需要进行混凝土和不锈钢板的加固从而保证水箱的坚固性和抗腐蚀性，同时应运用隔热保温材料降低导热能力，减小热损失。从热力学角度看，这种蓄热形式具有较大的热容及良好的蓄热／释热性能，所以是4种蓄热方式中的最佳方式，利用可能性最为广阔。系统的用水量也需要考虑在内，而水箱的位置、体积和占地面积的大小需要根据具体情况具体分析。

2)埋管蓄热。通过地下埋管，热量直接被存储或释放至埋管周围的土壤中。埋管蓄热方式对地质结构具有较强的选择性。在实际应用中，垂直钻孔换热器、桩埋换热器是比较理想的埋管蓄热装置，这些装置在地源热泵系统中应用较为广泛，技术成熟度也较高。此应用是跨季节蓄热和地源热泵系统的结合，太阳能多用于辅助热源。地埋管蓄热方式的优势在于可以实现模块化设计，根据负荷的变化对埋管进行适应性调节，易于控制。但与热水蓄热方式相比，其容积要高出3～5倍。通常在高温蓄热时，此种蓄热方式的经济性比较明显，且效率有一定的保证。

通过综合分析，从蓄热温度及对容积要求的差异来看，热水蓄热的方式最合适且更容易操作，符合济南冬季供热的相关要求；而且从技术层面来看，该方式的技术运用和运行方式相对简单，利用的可能性更大。所以，在济南地区选择热水蓄热的方式具有可行性。

表1 4种蓄热装置主要特点比较

3 经济性分析

以某学校的示范项目为例来表明济南地区利用热水蓄热方式的CSHPSS的经济性。本项目的建筑面积为1.6万m2，热指标为48 W/m2，供暖面积一般为9600 m2，采暖热负荷为460.8 kW。本项目利用太阳能集热面积为336 m2，需要的蓄热水量为35 t；使用1个35 t的碳钢板水箱蓄热，集热面积和蓄热水箱体积配比约为1:10[7]。

为整体分析利用热水蓄热方式的CSHPSS的经济性，本文从供热的角度对CSHPSS与地源热泵系统进行对比，需要结合济南地区各种必要部件的市场价格，进行整体的运行费用和初投资的分析。

本项目采用济南地区的平板式太阳能集热器，外壳为挤压铝合金，吸热体涂层为真空磁控溅射蓝膜，流道与吸热体结合方式为激光焊接。每m2集热板约为396元，系统在济南规定的供暖季开始启动运行，使室内温度平均达到22 ℃。此系统与普通的地源热泵系统的初投资成本如表从运行费用来看，随着两个系统逐年的运行，地源热泵系统和CSHPSS的费用都会上升。但相对而言，CSHPSS初始运行费相对较低，所以其逐年增加的幅度也较小。除在运行费上有一定优势外，CSHPSS使用周期也明显长于地源热泵，所以整体投资比地源热泵系统有优势[8]。

综上所述，在济南地区，以可再生能源为主时，CSHPSS相对地源热泵更有经济优势，且国家对太阳能利用有一定的资金补贴，使其在清洁能源中的经济性也相对可观，所以，CSHPSS在经济性方面具备可行性。2所示。

通过表2可知，地源热泵系统初投资在295400元，热水蓄热方式的CSHPSS的初投资在281436元，仅从初投资而言，CSHPSS较低。

表2 两种系统初投资成本表

4 环境影响分析

采暖系统对环境的影响分析主要从各种污染物的排放量来评价，主要的污染物包括烟尘、SO2、NOx和CO2。下文分析了CSHPSS产生的环境效益情况。

根据《中国可再生能源行业报告》数据：

1)每m2太阳能集热器可节约标准煤150～180 kg；

2)每m2太阳能集热器可减排CO2300 kg以上、SO22 kg、NO22 kg、粉尘3 kg；

3)每m2太阳能集热器年环境效益为75元。

所以，CSHPSS每年可节约标准煤约50～60 t，减排CO2100 t。所以从环境方面来看，CSHPSS有一定节能减排的潜力，而且还能产生2.5万元的环境效益，具备可行性。

5 结论

本文分析了CSHPSS在济南地区的可行性。从资源、技术层面来看，在济南地区CSHPSS具有良好的应用前景，可以发挥一定的作用；从经济性、环境性来看，CSHPSS在清洁能源的发展过程中具有一定优势，符合发展的需要，可满足资源利用改造的要求，可进行推广。

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