分析村镇太阳能供热采暖组合式热力站应用

中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院/聂晶晶、李爱松、李忠

　　摘要：随着村镇建筑用能需求的不断增长，太阳能热利用系统得到了越来越广泛的应用。根据目前村镇地区经济水平，开发了一种适用于村镇建筑的太阳能供热采暖组合式热力站。该热力站将系统的动力部分、配电部分、控制部分和水处理部分等大部分设备部件集成为一体，可以实现与储热水箱、太阳能集热系统、供暖系统和生活热水系统的完美对接，其操作简便，而且有效降低施工量与成本，对促进村镇地区太阳能供热采暖系统的推广应用有重大意义。

　　1引言

　　目前，村镇地区太阳能热利用形式仍以太阳能热水器提供生活热水为主。近年来，随着农民生活水平日益提高，居住条件不断改善，使用太阳能提供生活热水在节能、方便、安全、无污染等方面的优点也逐渐被认识和接受。虽然太阳能热水在村镇地区得到了广泛的应用，村镇居民太阳能热利用意识有所提高，但是太阳能热利用形式单一，利用尚不充分。为提高能源利用率，节省常规能源消耗，村镇地区迫切需要鼓励推广太阳能供热采暖系统。

　　2技术现状

　　近些年，我国开展了多项村镇建筑主动式太阳能供热采暖系统研究和示范，先后在北京市平谷区挂甲峪村、将军关村、玻璃台村示范建设了太阳能供热采暖系统新民居，有效推进了太阳能热利用技术在村镇地区的应用，并已经取得了一定的示范效果。

　　目前，太阳能供热采暖系统多由建设单位委托设计单位及太阳能产品设计、安装，建设流程与一般建筑工程大致相同。针对村镇地区，由于存在着各用户建筑形式不统一、用户经济条件和实际需求、日常维护管理要求简单等多方面的限制，且村镇建筑多为自建房，一般无设计图纸和专业施工队伍，技术力量薄弱。如村镇地区推广应用太阳能供热采暖系统完全按照一般工程建设思路进行，在建设过程中用户与专业技术人员需长时间沟通配合，并且系统各组件受供货周期影响，可能导致施工周期较长、用户可接受性降低等问题。

　　目前市场上已有的太阳能热力站相关产品，主要是为了满足城镇居住建筑使用需求，为节约居住空间，热力站集成度非常高，因此采用了小型化高效循环泵和高效换热部件，内部管路多采用铜管或不锈钢管材质，控制模块功能复杂，且设置有多个电动阀，导致热力站产品价格较高，不适合在村镇地区推广使用。

　　综上所述，探索开发适合村镇地区推广应用的太阳能供热采暖系统，应具备功能简单、性能可靠、模块化安装、施工简易、成本低廉、运行操作简便、后期免维护等特点。

　　3产品开发思路及技术特点

　　3.1产品开发思路

　　在传统集中供暖系统中，热力站是热源与用户的连接站。

　　为提高系统集成度，节约机房占地面积，降低热损失及输送能耗，在集中供暖系统中引入了组装式热力站成套装置概念。通过在传统供暖系统中设置组装式热力站成套装置，对于提高传统供暖系统的集成度、优化控制以及降低施工安装周期等具有显著的效果。

　　太阳能供热采暖组合式热力站开发时借鉴热力站成套装置设计思路，即通过集成整合核心部件，形成太阳能供热采暖系统中集热系统、储热水箱、辅助热源系统、生活热水供应系统及供暖系统的连接站。但是，与该装置相比，由于太阳能供热采暖系统增加了集热装置、储热水箱及辅助热源，其形式复杂，控制系统繁琐，对施工工艺要求较高，对成套产品开发有一定影响。

　　综上，结合太阳能供热采暖系统自身特点，太阳能供热采暖组合式热力站按以下思路进行：

　　1.对太阳能供热采暖系统组成的核心部件进行整合，形成模块化产品，以提高系统集成度，简化系统形式;

　　2.预留与集热系统、供暖系统、生活热水系统及辅助热源系统管路接口，以简化施工工艺，方便现场安装；

　　3.控制系统简单，以方便用户操作使用；

　　4.价格低廉，符合村镇地区的消费水平。

　　3.2具体实现形式

　　太阳能供热采暖组合式热力站采用角钢焊接搭建整体框架，产品框架外围预留与贮热水箱、集热系统、供热采暖系统接口，与相关系统安装时通过油任即可实现管道直接连接。核心部件集热循环泵、采暖循环泵、温度采集控制系统等在产品框架中预留安装位置，通过利用管道支架、螺栓对设备及部件进行固定。产品框架中预留的安装位置能够实现不同型号设备灵活连接，满足村镇用户不同建筑面积供暖及生活热水需求。控制箱与水泵等设备分层布置，控制箱应位置于其他设备上方，并在水平方向与垂直方向预留一定间距，防止漏水电击。控制系统集中位于控制箱中，主要由成型的温度控制模块及温差控制模块构成，可实现温度及温差设定与控制、设备启停等自动或手动控制功能。

　　笔者在中国建筑科学研究院内自行组装搭建了太阳能供热采暖组合式热力站，该产品由集热系统循环水泵、供暖循环泵、控制箱、补水定压装置等设备构成，适用于建筑面积为150m2的村镇住宅。该产品整体框架外围预留管道接口，方便与其他系统连接、安装。控制箱内的温度控制模块采用HS-611+升降温两用温控表，温差控制模块选用HS-652型温差比较循环温控表，两类控制模块均可显示实时采集温度，并可手动设置设定温度（温差），温度探头采用3380型热敏电阻，测温误差均为±0.5℃。太阳能供热采暖组合式热力站装配及实物如图1～图2所示，产品选用的温度控制模块和温差控制模块如图3所示。

　　3.3产品技术特点

　　太阳能供热采暖组合式热力站具有体形紧凑、安装方便、操控简单、价格低廉、配置灵活等特点。

　　该产品将系统的动力部分、配电部分、控制部分和水处理部分等大部分设备部件集成一体。产品框架外形尺寸长510mm、宽370mm、高1670mm，占地面积约0.19m2，占用空间少，大大节约了安装占地面积。

　　该产品预留管道接口，可以实现与储热水箱、太阳能集热系统、供暖系统和生活热水系统的完美对接，施工安装方便,建设过程要求专业人员参与度小。

　　该产品设计人性化，温度控制可以根据实际需要进行设定调节，全部控制操作均可实现手自动转换，简单实用，便于用户操作。控制系统中采用的温度控制模块及温差控制模块可直接采购，控制系统无需程序开发，控制稳定可靠，精度符合运行要求，进一步降低了成本。

　　该产品以150m2建筑面积为基础设计计算，适用于一般村镇家庭。该组合式热力站可根据不同建筑形式、不同采暖末端以及不同集热器产品，灵活配置内部设备及配件，并可根据不同规模形成系列，在形成产品样本手册后，用户可自行订制相应产品，具有非常好的产业化前景。

　　3.4实际工程应用

　　3.4.1应用系统介绍

　　太阳能供热采暖组合式热力站组装搭建完成后，基于简单、经济、实用的原则，笔者在中国建筑科学研究院内将该产品应用于太阳能供热采暖系统中，并与相应的集热系统、储热水箱等进行了连接与安装。

　　与该产品匹配的太阳能集热系统、储热水箱采用直接连接方式，集热系统热媒为水，选用的平板型集热器总面积10m2，储热水箱容积1180L；生活热水供应依靠自来水顶水方式供水，系统预留辅助热源接口，供暖末端采用散热器。用于实现太阳能供热采暖系统控制功能的所有控制设备和配电系统集成在该产品的控制箱内，设备的启停均可实现手自动转换。控制箱内的温度控制模块、温差控制模块及集热系统、储热水箱内设置的温度测点，用于实现集热系统运行控制、高温保护控制、辅助热源控制及落水式防冻实施控制等。太阳能供热采暖系统原理如4所示，集热系统安装如图5所示。

　　与太阳能供热采暖组合式热力站匹配的系统建成后，对整套系统通水通电，并进行了调试。经过长时间运行，结果表明：该组合式热力站可满足系统稳定运行要求，在整个太阳能供热采暖系统中起到提供循环动力、补水定压、水质保证作用。该产品的控制箱可有效实现对温度、温差控制功能，集中控制设备启动、停止；同时能够按照需要自行设定温度及温差，控制精度满足村镇地区要求。

　　应用了太阳能供热采暖组合式热力站的太阳能供热采暖系统在全天运行，白天太阳辐照充足时充分集热，经由组合式热力站将热量蓄存至储热水箱，为采暖系统及生活热水系统提供热源；夜晚有冻结风险或太阳能辐照不足时，可手动开启防冻功能，实施落水式防冻控制；辅助热源与供暖循环泵按照设定温度自动或手动控制启停，便于用户根据实际情况进行调节。

　　系统运行一段时间后，为验证太阳能供热采暖系统运行效果，在系统上安装温度传感器、流量计、辐射表、风速仪等装置；在未设置辅助热源的情况下，对相关参数进行了现场测试，检测数据及计算结果如表1所示。

　　根据表1测试数据表明，在室外环境温度0℃~7℃，太阳辐照量7MJ/m2~16MJ/m2范围内，仅依靠太阳能集热系统为房间进行供暖，室内平均温度至少可达到10℃~13℃，基本满足白天生活起居需要，系统运行状况良好，达到了预期效果。如村镇用户实际使用时结合生物质锅炉或电锅炉等设备作为系统辅助热源，可有效改善冬季供暖室内热环境、提高热舒适度。

　　4经济性分析

　　太阳能供热采暖组合式热力站由2台水泵、2个温度控制模块、1个温差控制模块、1套定压补水设备、若干阀门及油任等设备及组件构成，所有设备及组件均为市场成熟产品，整套产品造价约1500元。其中，控制系统无需程序开发，产品选用的温度控制模块与温差控制模块价格仅为45~59元，价格低廉，简单实用，控制稳定，完全满足村镇居民使用需求。

　　应用了该组合式热力站的太阳能供热采暖系统总投资约为2万元，折合每平方米集热器面积为2000元，每平方米建筑面积约为133元，平均增投资约为33元/m2。该组合式热力站可灵活配置相关设备，形成产品系列后，用户可以直接采购。

　　产品运抵现场后方便用户快速安装，有效地降低了施工安装量，对太阳能供热采暖系统降低造价具有显著的作用，并且有利于在村镇地区推广使用太阳能供热采暖系统。

　　5结语

　　1.太阳能供热采暖组合式热力站可满足太阳能资源在三类地区以上，建筑面积为100m2~150m2的村镇住宅供暖和生活热水一般需求，其应用可推广到我国大部分北方供暖地区。

　　2.该组合式热力站集成度高，安装方便，使用简单，价格低廉，可有效调动村镇地区居民应用太阳能供热采暖的积极性，促进村镇地区太阳能供热采暖系统的推广应用。

　　3.该组合式热力站可与生物质燃烧设备等热源配合使用，可进一步降低传统能源消耗，减少污染物排放。

　　4.该组合式热力站可按照不同建筑形式及使用需求形成产品系列，用于集成化生产，具有非常好的产业化前景。