某工业园区太阳能供暖系统设计

朱政宣 中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司

玉门某工业园区位于玉门东镇，经初步的系统分析和经济模拟，玉门某工业园区实施太阳能供暖的投资成本，总体可以与当前河北、北京等地盛行的“煤改电” “煤改气”持平，甚至更有优势，在现行的清洁能源供暖政策范围内即可承受，并达到更为舒适安全的运行效果。

1 背景与意义

目前，玉门某工业园区和公共租赁房的供暖面积共计25000 ㎡，根据2018 ～2019 年供暖电费统计，共计耗电2201515kWh，供暖费用共计939343.4 元。通过统计2018～2019 年, 玉门某工业园区供暖季平均供暖费用为37.57 元/m2，高于目前市场统一的供暖费用。

玉门某工业园区所在地区是我国太阳能资源最丰富地区（一类地区），比我国太阳能应用最好的太阳能大省——山东省的太阳能辐射高很多，太阳能供暖的基础条件很好。该项目位于玉门某工业园区北侧，办公及公租房具有集中管网，用热住户集中，项目采用规模化清洁供暖，集热技术上构成集热工作温度从80 ～250℃多类系列化集热器；蓄热技术上对应不同运行温度，发展了从显相蓄热-相变蓄热-“固态+相变复合蓄热”等多种蓄热技术。运行控制方面，基于先进的能源物联网技术，开发了基于远程控制、远程监视并且可以远程诊断故障的可视化物联网控制技术，为整个大规模社区级采暖系统的推广打下了坚实基础。

2 太阳能供暖项目设计

2.1 设计概述

玉门属大陆性中温带干旱气候，降水少，蒸发大，日照长，年平均气温6.9℃。1 月最冷，极端最低温度可达零下28.7℃；极端最高温度达36.7℃。年日照时数3166.3h，年平均降水量为63.3mm，年平均风速为4.2m/s。综合该地区的气象资料，需要注意的是，当地是大风和风沙较多的一个地区。从时间分布上看，影响玉门市的大风主要分布在春、秋季，占全年大风曰数的80%以上，夏季常是与强雷阵雨相伴随的短时大风 ，需要在集热器周边布置相关防风装置。项目所在地周围（500m 以内）无空气源排污工厂，各季节上游风口（5km 内）无空气源排污工厂。建筑物周围（500m 以内）无大面积水源，夏季水蒸气干扰极小。设备安装地点，光照方向无高层建筑物及高株植物等可能产生遮挡的物体。房屋为按照新建筑标准建设，节能效果较好，单位面积供暖热负荷较低。

2.2 主要参数

2.2.1 系统选型

本项目系统设计将结合玉门当地部分闲置太阳能系统进行整合(见表1)，并按照国际最新最先进的太阳能采暖设计理念进行总体规划，从而在大幅度降低初始投入的基础上，盘活闲置设备，最大限度地提高清洁供暖的太阳能保证率。

表1 闲置集热器面积统计

2.2.2 系统设计

经过对3 种集热器的充分论证，对已经考察上述3 类集热器的特性进行经济可行性，为了节约投资成本，本次设计方案充分盘活已有集热器镜场。3 部分镜场分别独立运行，将热量存入季节性蓄热水池，通过大数据的监控智能分析，跨季节的热量调度，辅助以专业化的运行维护方法，从而保证太阳能采暖系统高保证率，供热端无故障的运营。

2.2.3 集热面积和热负荷核算

设定平均地表水温为5℃；日均辐照总量取18MJ；集热器全天集热效率； RP 型槽，80℃时效率η1=0.50；欧洲5.77m 槽，80℃时效率η1=0.60； cpc 集热器，80℃时效率η1=0.38；管道及蓄热池热损失率ηL为0.2；设计太阳能保证率f 为1。根据本方案的计算，盘活现有集热器后，需要在12 月、1 月、2 月份进行辅助能源补充，预计需要增加66 万kWh 的辅助能源进行供热平衡(见表2)。

表2 设计太阳能集热供热平衡表

2.2.4 大冗余储热池

根据上述计算，储热水箱需要根据总的集热面积，满足白天集热采暖消耗剩余热量存储要求，由于地板采暖的供热温度不宜高于60℃。因此，本方案设计中建议蓄热水体的温度上限温度不超过85℃，下限温度45℃计算，大规模的蓄热水体可以实现跨月、甚至跨季蓄热，通过增大总的蓄热体体积达到13000T时，其蓄热能量超过60 万kWh，基本满足整个采暖季用能需求，不需要辅助能源补充。

2.2.5 辅助能源系统

通常情况下，太阳能系统已经能够保证全季的供暖需求，辅助能源系统是应付极端天气（长时间的阴天、暴雪天等）配备的子系统。本辅助系统采用园区已有的电锅炉进行补充，在逐步增大蓄热体体积的情况下，其也可以作为用于应对紧急备用，维修备用，极端天气等突发性事件的备用手段。

2.3 经济、社会效益

根据计算，经过2 年的运行，两者的总投入就基本接近，第3 年以后，太阳能供暖的经济性即超过“煤改电”的总成本，且太阳能供暖的供暖周期可以任意延长，而运行费用不会明显增加，这是“煤改电”“煤改气”所不及的。该产业落地玉门以后，一方面，能够迅速在示范效应的带动下，以玉门为中心快速扩张，形成10 亿级别以上的产业发展集群，快速成为玉门发展的新经济名片，同时形成良好的社会和环保效应。另一方面，太阳能供暖系统与“煤改电”“煤改气”的应用条件有区别，它要求太阳能资源较好且占地较大，在我国以酒泉为代表的西北地区，土地面积充裕，且大部分建筑都为2 ～6 层，因此可以充分利用屋顶节省空间，大幅缩减土地占用，如工业园、中小学校等，最大可以缩减90%的占地。

3 结语

玉门某园区太阳能供暖项目作为甘肃省集中式太阳能供暖工程的 “排头兵”，对于改进玉门市乃至酒泉市的清洁能源供暖状况，促进新产业跨越式发展起到重要的促进作用。在发展太阳能供暖的同时，玉门还可积极引入和实践国际先进的其他技术与业务模式。例如，运用夏季太阳能（占全年的65%）向城市宾馆、洗浴等售热水的业务，提高资源的综合利用率和项目的收益。从中长远目标看，太阳能供暖项目的投资回报期将缩短至5 年以内，成为能源投资领域的优质项目，并最终实现不依赖政府补贴实现商业化的目标，这在甘肃地区将是一个新能源经济清洁发展的崭新篇章。