经典案例｜寒冷地区农村太阳能采暖及热水系统分析

摘要
本系统主要对高冷农村地区多层建筑（含4层及以下）太阳能空气采暖及生活热水进行设计。
关键词
太阳能空气集热系统、串并联式真空管集热器、储热换热水箱、末端风盘式供暖、辅助电加热、智能控制
一、项目概况
项目名称：张家口涿鹿县大河南镇扶贫生态农业多功能区采暖及热水供应项目
项目地址：张家口市涿鹿县大河南镇
建筑面积：1188㎡
二、设计资料
1、项目基本情况
本项目办公区、宿舍、餐厅等区域冬季24小时提供采暖，一年四季24小时供应生活热水，采用太阳能空气采暖+电辅助加热方式。
2、供暖面积：1188㎡，采暖设计温度18℃~22℃。
3、地理位置及气象参数：张家口地区属于太阳能资源丰富的二类区域，张家口涿鹿县（地理坐标：北纬40°39′，东经115°31′），属温带大陆性季风气候，冬季寒冷，全年平均气温为10.4℃，年平均风速为2.3m/s，年平均总辐照量：5600MJ/㎡，年平均日照时数：2900h。
三、主要设备技术参数
1、集热器规格参数
真空管采用高硼硅3.3玻璃，有效抗击高温，真空度不低于5×10-3Pa，对阳光有很高的吸收率（a≥94%），真空管内置串联系统。
集热联箱内胆采用SUS304-2B食品级不锈钢材料，厚度不小于0.41mm，联箱保温层材料为聚氨酯，在恒温下，机械发泡一次成型，厚度≥50mm，外壳材料为≥0.5mm的镀铝锌板喷塑。
2、储热换热水箱技术参数
采用立式平底平顶保温水箱，内胆304#外壳201#不锈钢板材，保温层为聚氨酯发泡，热损耗小，保温效果好。
3、辅助电加热技术参数
风道使用电加热管功率为60kW，水箱内电加热管功率为18kW（为2支9kW不锈钢加热管）。
四、系统设计方案
太阳能空气采暖系统，集热器、储热换热水箱屋面安装，串并联式真空管集热器+储热换热水箱+电辅助加热装置，末端采用风盘式供暖，安装智能控制系统。
1、集热器
集热器在建筑屋面南北多排串并联式排列安装，系统中采用38组集热器（每组集热器φ58-1800-50）。
2、储热换热水箱
太阳能储热换热水箱设计容量与集热器集热配比合理（以实际用水量为参数），本系统水箱容量为4吨（尺寸：φ1690mm*2350mm），储热换热水箱储能保证全天24小时取暖需求，不足部分由低谷电力提供电辅助。
3、管道
系统为空气采暖，管道设计按照风道规格参数计算，主管道风道尺寸为500*300mm，支管道风道尺寸为300mm*120mm；主风机采用离心风机，功率为2kW~3kW；末端为风盘，（电动风口尺寸：300mm*120mm）
4、智能控制系统
系统自控柜全智能自动控制，优先使用太阳能日有用得热量。太阳能不足时启动电辅助加热系统，保持供热水箱出口温度恒定。
系统数字模糊控制：定时定温，防冻和过热保护，自动补水，室温自动控制，电磁阀、控制阀、传感器、排气阀、安全阀、风机等控制元件开机自检。
五、项目系统设计图

六、项目效益分析
1、太阳能空气采暖+电辅助
春、夏、秋产生4吨热水系统运行费用及产生的热能：（按200天计算）
太阳能系统运行费用：1.5kW×8小时×0.55元×200天=1320元
将1吨冷水从15℃加热到45℃所需要的热量计算公式：
Q=1000公斤×（45℃~15℃）×1千卡/公斤/℃=30000千卡。
使用电加热水，电能耗费用明细：
每度电产生的最大热量是Q=860千卡/度；
1吨水的耗电量：30000千卡÷860千卡/度=34.9度；
4吨水的耗电量：34.9度×4=139.6度
200天所需费用：139.6度×0.55元/度×200天=15356元。
综上所述，春、夏、秋使用太阳能供生活用热水，节约电能25520度，节约费用14036元。
冬季采暖系统运行费用：
该地区每年采暖期165天，按照15天雨雪阴天，（电价按居民用电，峰谷电价为0.55元和0.3元）计算：
风机运行费用：（按每天12小时计算）
3kW×12小时×165天×0.55元=3267元
低谷电辅加热每天5小时
运行费用：60kW×5小时×0.3×150天=13500元
雨雪阴天天气情况下全天运行电辅助加热，每天运行费用（按照0:00 ~12:00）：太阳能空气供暖：（60kW×5小时×0.55 +60kW×8小时×0.3）×15天=4635元
生活用水：18kW×5小时×0.3×15天=405元
一个采暖季耗费电量63990kW·h
整个采暖期运行费用：
3267+13500+4635+405=21807元
2、储热式电锅炉系统采暖运行费用约10万元，耗费电量257400kW·h。
3、社会效益分析：（同储热式电锅炉系统对比）
每年减少燃煤65吨，减排二氧化碳162吨，减少粉尘44吨。
每年节约电能193410kW·h。
七、项目设计特点
“太阳能空气采暖+电热辅助”系统解决的问题：
1、煤改电（气）：空气源热泵运行费用高；燃气供应区域局限性；
2、国家发明专利非承压串联式真空管集热器，有效（93％以上）将摄取的能量释放利用；
3、克服高寒地区室外防冻问题，以及户外水系统漏水时对建筑屋面保温和防水层巨大的破坏；
4、系统末端采用空气供暖，不用再改造原有暖气片供暖系统需要的重新铺设地暖系统费用，直接联接原有系统即可；
5、投资少，系统运行费用低、稳定，售后维护简单；
6、增强型系统，可在系统中增加相变储热材料，更加均衡释放能量，充分对接低谷电力，节约运行费用。