西北地区太阳能分时段供暖应用的研究

李学军

（中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃兰州 730000）

1 引言

随着经济社会的发展，资源的供应量和需求量之间已经出现了较大的反差，目前常规能源已经濒临枯竭，但新型能源开发利用率低，在能源、社会发展和环境保护的多向需求下，降低建筑能耗、控制能源额外浪费、提高新能源的利用率，已经是现代社会发展的需要[1]。西北地区太阳能资源丰富，但太阳能的主动利用成本高，技术复杂，而被动利用又对环境条件依赖性较大，挖掘被动利用途径、提高利用率、降低建设成本，是目前现阶段太阳能被动利用的主要发展方向，但制约太阳能被动利用的环境条件较多，且利用不当会降低设备使用效率，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备[2]。广义的太阳能是许多能量的来源，包含风能、化学能、水的势能、空气能等新能源，日常生活中讨论的几乎都是狭义上的太阳能:太阳辐射能的光热、光电、光化学的直接转换[3]，本文所论述的就是狭义上的太阳能和其他能源的互补利用。

2 工程概况

兰州金诚铁路混凝土公司为响应省市两级“蓝天行动”、“出城入园”的号召，新建厂区搬迁至市区以外7 km的郊区，地理位置偏僻，城市配套设施不完善，无集中供暖和天然气管道，且传统的燃煤锅炉污染严重被严禁使用，采用电能能耗大，成本高，因此在工程设计时预留了利用太阳能供暖的相关设备用房及管道接口。新建办公楼为三层框架结构，总占地面积1 512.6 m2，设计供暖负荷为92.25 kW[4]。

3 西北地区太阳能应用的需求分析

西北地区有大量的太阳能资源，因种种原因使其利用程度不高。但在广阔的大西北，开发利用太阳能具有迫切的需求[5]。

西北地区是我国冬春供暖的主要地区，供暖期长达5个月，近年来集中供暖热源逐步改造为天然气，而城市周边和城中村依旧为燃煤火炉，该方式成本高，污染大[6]。另外因冬季天气阴晴变化的不确定，加之室外温度较低，致使以单一的太阳能集热器或光伏发电作为建筑热源无法满足供暖要求，如在冬季采用太阳能+辅助热源形成多热源供暖系统，将大大降低供暖成本，因此探索研究适合与太阳能相配套的其他类热源联合为建筑供暖，必将带来不菲的经济效益[7]。近年来农村太阳能路灯大部分已经建设完成，这对发展农村经济、提高农村生活水平起到了巨大作用，但因蓄电池的寿命和充放电次数有限导致发展空间不大[8]。

随着西北大开发政策的落实，该地区经济社会取得了很大的发展，社会能源需求量也随之上升，酒店等热水工程消耗了很大一部分能源，加之化石能源的逐渐枯竭，大力开发太阳能，不仅解决了资源供应不足，且可降低使用成本。其实在夏季和春末秋初，太阳能集热器已经解决了一系列问题，但是在冬季和春初秋末，当光照不强时，不仅无法起到应有的作用，而且集热器进出水管道还需采取防止冻裂措施，配套使用其他能源则可以有效解决这个问题，且可将热水工程和采暖工程合为一个系统，降低建设成本。

4 西北地区太阳能利用的综合分析

4.1 气象资料分析及时段划分

兰州地处我国西北中部，是典型的温带大陆性气候，其与相邻周边城市具有较为相似的气象环境特点，通过对兰州地区一年中的平均温度、室内外温差、日照率、每月总的日照时长及平均每天的日照时长等数据的统计分析，其结果对西北地区利用太阳能具有一定的代表性[9]。兰州地区太阳能利用的环境条件如表1所示[10]。

表1 兰州地区一年中气象资料数据统计

通过表1，可根据平均温度、日照率、日照情况等数据，我们将兰州地区一个计算周期（非采暖周期）划分为3个阶段，如图1所示。

A阶段为平均温度在10℃以上，最低温度超过6℃，该阶段是非供暖期，即每年4月初至10月底，平均日照时长可达7 h左右。如图1中A区域。

B阶段为平均温度在0℃以上，室内外温差在15℃左右，平均每天的日照时长大于6 h，日照率在60%以上，该阶段是供暖期初始阶段和末尾阶段，即每年11月初至12月中旬，以及次年2月中旬至3月底。如图1中B区域。

图1 太阳能分时段利用时段划分示意

C阶段为平均温度在0℃以下，室内外温差在20℃左右，平均每天的日照时长小于6 h，日照率在60%以上，该阶段是一个计算周期内最冷时段，也是供暖期主要阶段和能耗最大时段，即每年12月底到次年2月中旬之间。如图1中C区域。

4.2 各阶段太阳能利用分析及能源互补

A阶段中无供暖能源消耗，也是能源需求量较低阶段[11]，该阶段内，日照率较低，主要是由于阴雨天的影响导致日照率较低，但光照强度非常充足，无论光伏发电还是集热器，效率均很高，因此在这个时间段内利用太阳能方式多，几乎无弊端，但相对来说该阶段热水需求量较低，学校、澡堂、酒店等可以安装太阳能热水器供沐浴用热水项目，另外在这个时间段内利用太阳能也无需其他能源补充。

B阶段是供暖期初始阶段和末尾阶段，该阶段社会能源需求量相比A阶段有所增加，其晴天较多，日照率上升，但光照强度下降，光照时间变短。因此光伏发电和集热器效率有所降低，但根据在几个项目中的数据统计结果来看，集热器效率依旧可以达到50%以上，晴朗天气下出水温度也可达60℃左右，光伏发电的效率甚至可达65%，因此在这个时间段采用光伏发电是较为合理的选择，利用集热器制热水也可实现产出较高温度的热水，但偶遇连续阴雨天时，可能会影响设备使用效率，因此需要增加其他辅助热源。通过在几个项目中的测试和总结，发现空气源热泵在这个阶段内效率非常高，因此可将其作为集热器制热水的辅助热源。学校、澡堂、酒店等可以安装太阳能热水器供沐浴用和采暖用热水项目。

C阶段是一个计算周期内自然环境最为艰苦时段，建筑用能达到峰值，该阶段内晴天较多，日照率很高，但日光照时间较短，室外温度和光照强度均较低，致使光伏发电效率降低到30%以内，这个阶段内利用集热器的时间只有白天，晚间使用集热器时集热器和供回水管路另需采取保温防冻裂措施。因此在这个时间段采用太阳能光伏发电可以满足少部分的需要，但效率低，利用集热器制热水的成本反而高于直接利用电能，因此该阶段使用太阳能必须增加其他能源来补充。虽然空气源热泵在这个阶段内效率有所降低，其耗电量增加，但制热功率下降幅度较为缓平，其效率值可维持在2.3∶1左右[12]，因此将其作为这个时段的主要热源较为经济。学校、澡堂、酒店等可以安装空气源热泵供沐浴和采暖用热水项目。

5 工程应用方案及效果

兰州金诚铁路混凝土公司新建办公楼采暖项目安装了30套全玻璃太阳能真空集热管，安装了三台超低温空气源热泵（两用一备），其中太阳能集热器作为B阶段的主要热源，空气源热泵作为C阶段的主要热源，通过多热源供暖系统的集成，共同为该建筑供暖；另外采用电伴热对集热器管道进行保温，配套了一台功率可调节的电锅炉作为极端天气下的辅助热源，采用自动控制系统控制热源的启停。该项目于2015年10月投入使用，经过3个采暖期的数据统计发现，在采暖期初始阶段，集热器单独作为热源可以保证室内温度达到24℃以上，冬至节前后空气源热泵自动启动，当集热器出水温度低于供暖系统回水温度时，集热器停止供应热水，空气源热泵作为热源单独供热，至次年2月中旬，集热器出水温度大于采暖系统回水温度时，空气源热泵停止运行，集热器再次开始供应热水。此方案不仅为该建筑提供了室温稳定的供暖热源，且经过经济效益核算，年可节约人工和燃煤等费用10万余元，同时减少了CO2排放量和大气污染。

该项目利用太阳能供暖系统证明了在西部严寒环境条件下应用太阳能设备供暖，结合自动控制技术，采用分时段利用的概念，可以扬长避短，最大满足供暖需求的同时降低供暖成本。

6 结束语

在太阳能设备的使用中，我们不仅关心其效果，还更加注重成本及一次性投入、使用年限等。制约光伏发电利用的瓶颈主要在成本和蓄电池的使用年限，对于小规模的利用，一次性投入资金的回收较好，但难成大气候，且光伏发电并入市电代价较高。安装集热器一次投入较少，只需要一定的安装面积就可以实现A阶段中无限量的热水和B阶段中较为充足的热水，再辅助配以空气源热泵或电能等作为供暖热源将会取得可观的经济效益，而且一个计算周期内C阶段较为短暂，仅需对集热器及管路进行保护。由此得出利用集热器+空气源热泵分时段为西北地区建筑供暖，是目前较为经济、合理，且具有广泛发展空间的太阳能利用新思路。