“户用太阳能采暖”是合肥顺昌企业在太阳能利用的又一科学推广和应用。

    尽管太阳能用于家庭采暖并不鲜见，但成功的案例极为少见，主要原因在于以下几方面：      

    1、当地的太阳能资源条件不足；

    2、系统设计不够完善，如集热器选型大多采用普通真空管使冬夏两季难以兼顾，维护频繁；集热系统抗冻设计考虑不够科学，导致太阳能集热效率低下；

    3、运行经济性不强，投入产出比低。顺昌企业在对国内以往户用太阳能采暖项目认真调研基础上，结合自身技术优势，选择在优质太阳能资源地区开展商业性推广，取得了良好成效。

 

一、项目设计说明

    本项目位于甘肃西部，北纬40°、东经94.4°，海拔1140米，年平均降水量40毫米（基本集中在7、8月），年蒸发量2505毫米，年平均气温9.4℃，最高气温43.6℃，最低气温-28.5℃。年平均无霜期142天，属典型的暖温带干旱性气候。

    建筑为连体家庭别墅，单层结构，户型面积102㎡，一期1栋24户，设计需要解决别墅冬季采暖和全年生活热水需求。来年续建2栋连体别墅，共36户，为2层结构，户型面积仍为102㎡。末端采暖形式均为地板辐射散热。

    由于该地属于Ⅰ类太阳能资源丰富区，年降水量特别少，加上末端散热为低温地暖管散热，而当地生态又特别脆弱，因此方案采取太阳能加辅热方式解决采暖和日常生活热水最为适宜，可达到节能和环保的双重目的，有较强的示范意义。鉴于该栋建筑户均宽度12米、东西总长接近300米，太阳能集热器又不能集中安装，为减少在今后运行使用中出现管理混乱情况，本设计没有考虑集中供热，设计采用户用太阳能热水供应系统，在每户的房顶安装太阳能集热器。

 

二、设计方案

1、设计基础数据

① 采暖期：145天（11月1日至次年3月14日）；

② 设计热负荷指标：19.1W/m²(按JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》规定的本地采暖耗热量指标)；

③ 采暖期室外平均温度：-2.8℃

④ 设计计算室外温度：-14℃； 

⑤ 设计气象参数

       

⑥ 房顶最大可供安装太阳能面积30㎡；

⑦ 本地电价：0.42元/kWh；

⑧ 本地天然气价格：1.45元/m³。

2、设计计算与系统配置：

① 设计热负荷指标、设计热负荷及设计日耗热

   设计热负荷指标：19.1×（18+14）/(18+2.8)= 29.38W/m²；

   设计热负荷：102×29.38≈3kW；

   设计日耗热：3×3600×24/1000=259.2MJ/日

② 太阳能集热器选取与计算：

   选用太阳能集热器的型号为φ58×1800×20 （单个模块的面积为3.75㎡）的模块组，该模块组采用热管真空管，真空管内部不走水，能够有效的降低系统冬季上冻和夏季过热造成爆管的可能性，而且即使有集热管破损情况，不影响系统运行，更安全可靠，同时集热器水容量少，集热效率高、加热速度快、能量损失少。

   太阳能集热器正南，设置于建筑平屋面上；太阳能集热器采用竖插管，其倾斜角度约为45°，便于四季吸收热量特别是冬季得热量最大。

太阳能集热面积的计算

   完全使用太阳能满足采暖需要的面积按下式计算：

         

 

   经计算，得出：37.86㎡。

   结合太阳能布置情况选择在屋面安装“Φ58×1800-20支”双真空太阳能集热器6组，单个模块轮廓面积为3.75㎡，共计22.5㎡，太阳能保证率为59.4%，即在设计日均气温-14℃下，太阳能提供59.4%的采暖热需求；而在日平均气温达到-2.9℃以上时，则不需要辅助能源，仅靠太阳能集热系统即可满足采暖要求。

③ 储热水箱的计算与选型

   集热与采暖热需求存在时间差异，即白天气温较高、并且由于温室效应的存在，采暖负荷低；而夜间气温低、没有光照、采暖负荷高，本设计方案采用一台蓄热水箱，用于储存太阳能系统热能，其容量根据太阳能集热器的收集热量进行计算，即22.5㎡的太阳能集热器，按采暖期平均日照辐照量17.7MJ/㎡·d，日集热量为169.3MJ，假如水温由40℃至85℃（温升△T=45℃），理论蓄热水的容量约为898L，鉴于白天采暖热和生活热水需消耗部分热量，这部分热量约为太阳能集热器总收集热量的25%（采暖前后期），本系统的集热水箱选择1台800L的圆柱形不锈钢保温水箱，尺寸为φ800×1600。

④ 水泵选型

   太阳能集热系统采用温差强制循环，循环泵流量与集热器的面积有关，按照0.015L/（s·㎡）进行计算，小时循环流量为：1.2t/h。选用1台威乐PH-254E水泵，性能参数为： Q=1.5t/h、H=14m、P=330W。

   末端供热为地板辐射采暖模式，设计供回水温度45/35℃，温差10℃，设计循环流量约为260L/h，选用2台（1用1备）威乐PH-101E水泵，Q=0.2t/h、H=5m，P=200W。

⑤ 盘管换热面积

   Ahx =  Qhx / ( 1－ηL ) ( ε× Uhx ×Δ tj )

   式中：Ahx——间接系统热交换器换热面积，㎡；

        ηL——贮热水箱到热交换器的管路热损失率，0.05；

         Qhx——热交换器换热量，按照水龙头流量8L/min，22.31kW；

         ε——结垢影响系数，0.9；

        Uhx——热交换器传热系数，内置不锈钢管，传热系数按2.5kW/m²·K ；

       Δtj——传热温差，本方案取25℃（自来水进出水温度5℃/45℃；水箱水温55/45℃）。

   需要的换热面积为0.417㎡；实际选择SUS304φ25×2盘管6米，换热面积0.471m²。

⑥ 辅助加热选型

   建筑物设计热负荷为3kW，辅助热源功率应超过3kW，由于太阳能集热系统已提供了绝大部分的采暖热能，采用燃气辅助热能会显著增加造价，经济性不强，本方案结合当地电价和燃气价格，考虑用户入户电源容量，在集热水箱中下部安装2×2kW电热管，即使在-24℃极端气温下也能满足采暖室内温度需求。

⑦ 设备布置与安装

   在屋顶安装太阳能集热器，为减少对室内占用，集热水箱安装在厨房外，从安全抗冻角度，所有泵、阀均安装于厨房内，电气控制柜安装在厨房墙壁。集热系统管道采用镀锌管，聚氨酯瓦壳保温、硅酸铝纤维棉塞缝，外护板为铝板，由于排空需要，管道安装坡度2%，保证管道水能在较短时间放干并尽量减少残留水。

 

三、系统运行控制

 

• 冬季采暖：采用屋面安装太阳能集热器生产的热水供地暖采暖供热，当集热水箱热能不足时，启动电辅助加热补充。
• 生活热水：通过安装在保温水箱中的换热盘管进行换热，自来水在盘管内与水箱内热水间接换热升温后，用于洗浴或洗刷。
• 各功能如下：

l 集热系统补水：采用浮球阀向集热水箱内自动补水。

l 集热水定时顶入集热和定时排空：根据采暖季当地日出日落时间，在PLC内预设整个采暖期每天的早晨水箱水顶入时间和下午排空时间，以获得有效的集热和减小热损耗，并起到抗冻作用。非采暖期不做自动排空设计，但可手动排空。

l 集热温差循环：通过检测设在太阳能集热器阵列末端出口测温点的温度T₂和水箱下部水温T₁，当T₂-T₁≥设定的启动值时，集热循环泵启动，将集热器中的热水顶入保温水箱，将水箱下部低温水顶入集热系统，循环加热；当T₂-T₁＜设定的停泵值，集热循环泵停止。

l 采暖恒温供热：设定供热温度值（40℃～45℃），采暖循环泵抽取集热水箱热水，通过电动三通温度调节阀混合来自地暖回水，使供热温度在设定值上；地暖的每个分水器前安装有自力式三通温控阀，改变进入房间地暖的热水量保持室内温度恒温。

l 辅助加热：电热管辅助加热，集热水箱水温T₃≤设定启动值时，电加热启动，当T₃≥设定停止时，电热管停止加热；保证室内采暖需求。

l 自动化控制：采用PLC+触摸屏控制，预设程序，可手动修改，所有运行参数如集热水箱温度、集热器顶部温度、室内外温度、集热循环泵运行状况等，均在触摸屏上动态显示，具有自动报警和提示、安全保护。

 

四、运行费用

1、辅助热能

采暖期日均能耗：19.1×102×3600×24×10^-6=168.32MJ；

太阳能日均提供热量：17.7×0.5×（1-0.15）×22.5=169.26MJ；

采暖总能耗：168.32×145=24406.4MJ。

从上可以看出，太阳能日均获得的热量超过日均采暖耗热量，即是说采暖前期及后期，室外温度高于采暖期平均温度（-2.8℃），太阳能能够提供采暖全部热量。采暖中期，室外温度低，太阳能提供的热量不足以提供采暖全部热能，需要辅助热源。从该地气象参数可以看出，11月和3月不需要辅助热源，12月、1月和2月需要电热辅助，又以1月需要的辅助热源消耗最多。采暖期各月需要的辅助热能见下表：

消耗电力：3668.32/0.98/3.6=1040kWh；

电热成本：1040×0.42=436.7元。

2、动力消耗

动力消耗主要为集热循环泵（0.33kW）和采暖循环泵（0.2kW）的电力消耗，耗电按照电机功率的0.8倍，采暖循环泵日运行24小时，集热循环泵日均5小时。

年采暖动力耗电量：0.8×145×（0.33×5+0.2×24）=748.2kWh；

动力电费：748.2×0.42=314.2元。

3、年采暖费用

年采暖费用为750.9元，单位面积采暖费用7.36元。

4、太阳能提供采暖热能

24406.4-3668.32=20738.08MJ，相当于采暖年节约电力5880kWh，节约电费2470元，年减少碳排放量6.35吨，节能减排成效显著。

 

   该项目单位家庭造价约5万元，由于政策性补贴，实际造价降低，加上非采暖季节提供的生活热水，使用 10年其产生的节能效益即可将全部投入收回，因此具有良好的节能减排效益，值得在太阳能资源条件好的地区推广使用。而顺昌企业在长期的太阳能热水工程实践和大量的试验摸索中，掌握了可靠的太阳能采暖设计与控制技术、积累了丰富的施工经验，对不同地区、不同用户进行针对性设计，为太阳能采暖系统长期可靠运行提供了坚实的质量保证。

 

方案详情请咨询：合肥顺昌企业集团

      咨询热线：+86-551-63846307