北京 | 密云区石城镇桃花地新村太阳能主被动结合供热采暖项目

       石城镇桃花地新村建筑为单体独栋住宅，共 45 栋，每栋 2 层，采暖面积 200 平方米左右。该建筑的围护结构较好、保暖性能良好；屋面为坡屋顶，主体朝向为正南方向，采光条件良好，适宜于安装太阳能集热器。 

       本项目建筑形式为二层，由于受屋顶安装面积限制，每户只能安装 18 ㎡平板集热器，冬季为住户一层提供地板低温辐射采暖，太阳能实际功能面积 100 平方米，达到部分节能的目的。春夏秋季为用户提供充足的生活热水。除了连续阴天等不利气象条件，太阳能系统可以完全满足三季生活热水的需要。当太阳能不能满足需求时，辅助热源电加热满足用能要求。建筑二层的采暖根据需要使用空调解决。 

       北京山区气候环境条件：北京地处北纬 39048，冬季月日照小时数 201h，冬季平均日太阳能辐照量 4479W/m2，环境温度：11-3 月平均气温-1.6℃，冬季极端日平均气温-9℃，最低温度-15℃，北京山区村镇冬季温度更低，极端天气最低温度达-27.4℃。 

       由于受屋顶安装面积限制，冬季太阳能供热采暖系统只能为住户一层提供地板低温辐射采暖，采暖面积为 100 ㎡。设计参数如下： 

       （1）供暖面积：100 ㎡。 

       （2）采暖设计热负荷指标：80W/㎡，采暖期内平均建筑物日耗热量指标：40W/㎡，低谷电时段建筑物耗热量指标：30W/㎡。 

       （3）供暖季天数：120 天。 

       （4）太阳能供水温度 40℃，不足热量经辅助热源补充，谷电蓄热温度 85℃。 

       （5）室内设计温度：16℃ 

       （6）太阳能保证率：30% 

       （7）供暖季太阳能集热器平均集热效率：40% 

       （8）供暖季日均太阳辐射量：15.72 (MJ/㎡·日) 

       （9）系统热损失：0.2  

       （10）户内供电总量 9KW 以内 

       图 1 给出了密云石城镇太阳能供热采暖系统的原理示意图。该系统由太阳能平板集热器、水箱（含电加热器）、循环管路、控制系统、地板采暖系统、水泵、洗浴喷头等组成。太阳能集热器安装在屋顶南坡，水箱、水泵及控制系统都安装在一层厨房间内。 

图 1 密云石城镇太阳能供热采暖系统原理示意图 

       太阳能集热系统采用温差循环方式，落空式防冻防过热设计。在集热器上集管和储热水箱下部设立两个温度测点（T1 和 T2），当 T1 与 T2 温差高于设定上限温差，太阳能循环泵开始运行，把集热器吸收的太阳能能传输到储热水箱；当T1 与 T2 温差低于设定下限温差，太阳能循环泵停止工作；在冬季当 T1 达到防冻警示温度后，循环泵停止工作，太阳能集热器中的水在重力作用下回流到水箱， 实现排空防冻；在非采暖季，只要水箱高于设定最高温度，循环泵停止工作，集热器中的水回流到水箱，系统停止往水箱输送热量，集热器逐步达到闷晒平衡状态，实现排空防过热。 

       系统实现全自动运行，当需要采暖时，开启采暖循环泵，将储热水箱的热量通过管路和地板采暖系统送到房间中，以提高房间温度，达到提高和保证室温的目的。  

       系统为全系统节能运行模式，分为不同时间、不同季节相互配合切换使用， 使整套供暖系统达到最佳的节能效果。 

       由于太阳能受天气和室内管道散温情况的制约，为了能够很好的满足用水的要求，太阳能系统设计辅助热源，本工程采用电加热系统作为辅助热源。电加热系统简便易行通电即可使用。在阴雨天太阳能提供的热水不能满足用热要求时， 微电脑控制器开启输出信号，开启辅助电加热系统，当太阳能供热温度高于或达到正常供热值时，辅助加热系统停止加热。最大限度地利用太阳能，达到节能的目的。 

       从本项目投资回收年限看，以太阳能采暖方式替代电能等价格比较高的能源， 投资静态回收期大致在 8.5 年左右，而系统寿命在 15 年，所以静态投资回收期远低于系统寿命，投资回报较高，项目技术经济性较好。 

       单户太阳能系统年替代散煤量为 3787 Kg/年，二氧化碳减排量 10224Kg/年； 二氧化硫减排量 204 Kg/年。整个项目 45 户年节约散煤 170t/年，年减排二氧化碳 460t/年，年减排二氧化硫 9t/年。 

       项目自建成运行至今，经济效益方面与单纯电取暖相比共节约电费 55.8 万元，社会效益方面相比较散煤燃烧取暖相比共减排二氧化碳 1288t，减排二氧化硫 25t。 

       项目自从 2013 年 11 月正式投入使用以来，经过了实际考验，目前 45 套系统整体运行情况良好。 

       经过走访用户并结合软件模拟，本项目考虑供暖/热水全部需求情况下，采暖季太阳能采暖系统负责区域内室内温度一般设定在 20℃，全年太阳能保证率在 40%左右，全年运行费用约为 20 元/平方米。 

       该项目被评为 2016 年度“首都蓝天行动科技示范工程”。 

图 4 密云石城镇太阳能供热采暖系统实景 

       项目总体成效体现在如下几个方面： 

       （1）使用太阳能采暖技术是符合北方农村“散煤替代”供热采暖的有效措施之一。 

       （2）绿色环保，采用的是太阳能这种洁净的绿色能源，避免了矿物质燃料对环境的污染，能为用户提供一个干净舒适的生活空间。 

       （3）高效节能，太阳能供热采暖系统能最大效率的利用太阳能，可节约能源成本 40-60%以上，运行成本大大降低。  

       （4）高效运行，嵌套式温度分层水箱，将开式储热水箱和承压生活热水水箱结合构成夹套式换热器，系统利用水箱温度分层满足不同供热温度需求，保证系统高效运行。 

       （5）安全可靠，太阳能供热采暖不会产生传统烧煤采暖炉一氧化碳中毒的危险，它是安全可靠的系统。 

       （6）美观长久，平板太阳能集热器可布置在坡屋顶，与建筑结合较好，且全部金属流道，金属边框，使用寿命长。 

       （7）主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统可以最大限度降低投资，提高运行经济性，在现阶段最具有推广价值，建议重点推广应用。 

       该项目技术成熟，最先应用于平谷挂甲峪村的村民新建住宅采暖，还有在平谷区黄松峪乡、金海湖镇、王辛庄镇、平谷县城等散户用太阳能采暖系统，石城镇项目是该技术第二次大规模应用。目前桑普公司采用此技术所做的太阳能采暖系统，合计安装集热器面积 3280m2，合计服务建筑面积 23900m2。 

       该太阳能供热采暖相关技术通过中国农村能源行业协会组织专家进行的技术鉴定，鉴定结论表明：该项技术采用平板集热器、嵌套式温度分层水箱、排空的防过热防冻措施、全自动控制，具有可靠性高、热性能好、运行费用低等特点。嵌套式温度分层水箱，将开式储热水箱和承压生活热水水箱结合构成夹套式换热器，系统利用水箱温度分层满足不同供热温度需求，保证系统高效运行。该技术曾经于 2010 年应用在“新型太阳能采暖系统”，获得北京市自主创新产品证书，于 2011 年应用在“全天候太阳能供热采暖装置”，获得国家重点新产品证书。 

       由于屋顶面积有限，安装的集热器面积有限，导致太阳能采暖保证率低。但换种思路来想，只要使用了太阳能这种免费能源，不管太阳能保证率多少，都是节能和环保的。为了实现“双碳”目标，建议大力推广太阳能采暖技术应用。 使用太阳能采暖技术确实是符合北方农村“散煤替代”供热采暖的有效措施之一，同时，主被动结合太阳能+低谷电辅热供暖系统，可以最大限度降低投资， 提高运行经济性，在现阶段最具有推广价值，建议重点推广应用。