太阳能区域采暖技术路线探讨

Original 黄俊鹏友绿网 2022-06-01

收录于合集 #零碳科技 112个

本文根据黄俊鹏博士在2019年ISH中国国际暖通高峰论坛太阳能采暖分论坛上的演讲进行整理。整理：IMSIA国际金属太阳能产业联盟李连孝。

------以下为正文------

我主要讲两个问题，一个是技术路线探讨，二是经济性分析，首先我们来看太阳能采暖的技术路线问题。

分户式太阳能采暖问题多

北京市在2010年前后做过多个整村太阳能采暖的试点示范，采用的技术路线多为太阳能+生物质锅炉的分户太阳能采暖。这些项目我们实地走访了不少，也访问了一些用户。实际的应用效果并不好，虽然是每个住户屋顶上都装了很大面积的太阳能集热器。但夏天生产的热水太多，到了冬天集热器面积又不够，室内的温度10摄氏度左右，差一点的8摄氏度。

这种情况比较尴尬，集热器大了没有足够的空间安装，而且热水常年有需求，采暖只有冬天有需求。是按照夏天热水的需求匹配太阳能集热器面积呢，还是按照冬天采暖匹配太阳能集热器面积呢？

农村的清洁采暖有很多的技术路线涉及到基础设施建设，比如使用燃气壁挂炉，需要安装燃气管网，使用空气源热泵，需要增设变压器。对于太阳能区域供热，需要农村有集中采暖管网。在村镇一级的山东省面积非常大，比北京的要多。如果是乡镇一级的河南省比较多的。所以在某些区域的农村，其实具备了推广太阳能区域供暖的可能性。

典型太阳能区域供暖的案例

一个是王家堡村太阳能跨季节蓄热供暖案例，采用的技术路线是太阳能+地源热泵。它的实际供暖面积2万平米左右，182户人家。其运行原理是，太阳能集热场在非采暖季通过地埋管将热能蓄存在土壤里，冬季通过热站向建筑供暖，系统采暖温差控制，自动循环。这个项目单纯供暖，没有热水。我们对该项目在做测试，已经连续测了两年，也在做数据分析。我们建了TRNSYS模型，目前正在做优化。

该项目每平米的供热成本，2017-2018采暖季实测下来平均每户是20元。评估这种跨季节储热系统的供热成本不能看第一年第二年的数据，还得看之后好多年的，因为要达到供热冷热平衡之后，它才达到最佳效果，电耗最低。所以我们计划对这个项目连续测试10年。

第二个项目就是加拿大的德雷克太阳能社区，采用的是跨季节钻井储热太阳能区域供热系统，总计为52户独立住宅提供采暖及生活热水所需热量。该项目采用屋顶安装平板集热器，集热器面积总计2312.8𝑚^2。系统采用钻井跨季节储热技术，总计钻井144口，井深35m，井间距2.25m。2015~2016年度采暖季太阳能保证率达100%；过去5年太阳能保证率在90%以上，2012~2016年太阳能保证率平均为96%；2013~2014极端寒冷冬季太阳能保证率达92%。

大家再回顾一下我们北京王家堡项目，系统设计没有那么细，没有热水系统。加拿大该项目是分户集热、集中储热、再集中供热，非常复杂。这个系统经过长期的储热和放热，已经运转良好，可以做到零能耗，这个系统运营也非常省钱，基本上没有成本。在这个项目中，太阳能必不可少的，因为生物质储能成本也很高的。

第三个案例是西藏拉萨浪卡子县县城太阳能集中供热工程，采用的是太阳能跨季节储热复合电锅炉区域供暖。

项目概况：采暖面积16万m2，包含集热场，供热管网，采暖末端和外墙保温。采暖期9月23日-5月31日，共251天。集热面积：22275m2；蓄热体积：1.5万m3；蓄热方式：水池；辅助热源为电锅炉：2X1.5MW；管网长度：10.12km。

浪卡子这个地区越到冬天太阳辐射越强，所以非常适合用太阳能供暖。太阳辐射反而夏天更弱一点，这跟它的采暖需求完全是匹配的，所以非常适合太阳能采暖。而且在藏区，无论人工成本还是运维方面，都不可能有易碎和高难度维护的产品。所以集中管理非常有好处，采用大幅面平板太阳能集热器也有助于降低运维成本。它现在才做了一年，一年的数据显示，全县城的供暖仅仅用太阳能就够用了。它储热用的是水坑，有关技术指标在这里不细讲了。

第四个是丹麦Marstal太阳能热站，采用的是太阳能复合生物质热电联供区域供热系统。该项目始建于1994年，到现在连续运行25年了。最初，太阳能只用了几千平米做试点，最后发现效果非常好，确实可以降低运营成本，近几年来，集热面积逐步扩大。目前，它的集热器面积已经达到33300平米，项目建设处于第三期阶段，以后还有第四期，以后太阳能的集热面积还将达到6万平米。它的储热水坑8万多立方米。虽然规模看上去很宏大，实际上因为负荷较大，太阳能在供热保证率上的占比也就25%左右，并不是很大。

项目概况：集热器运用地面安装单片面积为12.5𝑚^2的平板型太阳能集热器，集热器面积总计33,300m^2，建有太阳能跨季节储热水池，储热容积总计达85,000m^3 。日最大供热量23.3MW_th，年最大供热量18GWh。供热温度70-72℃（夏季），76℃（冬季），回水温度40℃（夏季），33℃（冬季）。

系统特点：100%采用可再生能源，集成了太阳能集热、跨季节储热、木屑锅炉供热、ORC（有机朗肯循环）低温余热发电系统，以及CO2空气源热泵系统等，是一个带实验和示范性质的多能源复合采暖供热系统。CO2热泵提升温度可达到78℃，COP为3.1，冷却能力为0.962MW。木屑锅炉的功率为4.15MW，总效率可以达到109%。系统在低谷电价时用热泵提温回水，在高电价时，运行ORC机组，所发的电力并网销售，年发电量2,600MWh。

太阳能是不是用的越多越好？

作为太阳能行业的从业者，不要强调太阳能是无所不能的，不要那么想，太阳能一定需要其他辅助能源。太阳能能够提供多少就利用多少。丹麦人用太阳能理念是，我能用一点是一点，我从太阳那里收到100%的免费能源，哪怕浪费了70%，还剩余30%的能源呢。剩下的70%能用电则用电补，能用气用气补，能把运行费用降下来就行。不能说让太阳能包打天下，毕竟是太阳能也需要靠天吃饭，即便加上了跨季节储能，也有较大的热损，需要做保温隔热，会大幅增加初投资。

太阳能也需要与其他形式的热源相结合。太阳能如何跟其它的能源辅助和结合，涉及到一个经济性的问题。我这儿也是给大家提供一个思考的方式，就是当量热价概念。前面也有人提到了热价概念，热价是很好的经济性的判断指标。

当量热价LCoH的公式如下图所示。公式的分子是这个项目所有的投资，减掉补贴减掉残值和税收减免等等，包括系统所有的运行成本。这个运行成本包括用电的是电费，用燃气的是燃气的费用，生物质是生物质的费用，不同的地区价格不一样，所以这个运行价格极大的影响了经济性，这是分子。分母我们采用的是固定的计算模型，以王家堡项目作为原型。供暖面积2000平米，供热需求是固定的。什么是变化的呢？太阳能的占比变化，从0到100变化的区间，从中，我们可以看到它的热价是怎样的变化趋势。

这里还涉及到对太阳能的计算。太阳能每天都在变化，所以计算不仅仅考虑了能源的价格，还考虑了太阳能集热器的性能，不同的性能产生的温度不一样。我们用的是ISO9806标准，考虑了散射和辐射，这个是标准适用于检测集热器性能的。这个用的是全年8760小时的动态算出来的。我也用中国的规范算过一次，按照中国的规范算出来热价偏高，我们认为不合适，中国的规范用的是一个简化公式。用中国的传统规范设计我们的太阳能系统，那个值普遍偏大。于是决定采用ISO9806的标准来算的。

首先做一个对比，以北京为例，在北京是分户好还是集中好，还是其他形式好？太阳能与空气源热泵系统，太阳能与燃气壁挂炉、太阳能与电加热、光伏与空气源热泵系统、太阳能与谷电蓄热系统。

在有些组合当中，太阳能用的不是越多越好。看红线，如果是分户的供暖，热价到0.28元是最低，这个是太阳能用10%就够了，用太多经济上来说不划算。因为我们评估时总习惯最大化利用可再生能源减排，那就是100%的利用。

分户的方案也是用的北京的基本模型，集中的方案最低热价0.32元，如果只看最低热价，在北京的围护结构条件下和能源价格边界条件下，分户更便宜。

再来看下面的，这是其它的几个方案，像电热泵，太阳能+产期锅炉，太阳能+地泵热供，这个集中更好，集中好管理。如果是空气热泵最好是分户。这个是集中分户的对比。

刚才讲到了为什么集中的热价比分户的热价高几分钱，一个0.32元，一个是0.28元，这个是单位热量的价格，累计起来。这个是规模的问题，如果规模扩大则成本降低，比如集热器的成本，在座的有很多厂商，买的多价格便宜。第二个管网的热损降低，可以从30%降到10%左右。规模会大大的影响热价。

我们做了计算，大家可以看这几种方案，首先地源热供，王家堡0.32元，蓝色部分是8万平米，绿色的是20万平米，供暖的面积增加，到20万平米的时候热价是0.2元，运行成本大幅度的降低了，最佳的集热器面积是1万平方米左右，不是越多越好，越往上加运维费用、成本都上去了。

不同的地方，不同太阳能技术组合的经济性表现也不一样。看下一个图。用太阳能用什么样的技术组合，在什么样的区域、考虑什么样的方案，这是我们前期设计做规划的时候，就应该去考虑出来的。

比如说各个地方的资源禀赋，这个是北京、石家庄、乌鲁木齐和拉萨，这个图的差异特别大，北京的图各位很熟了，北京和石家庄离的很近，基本上在同一个纬度吧，但是它的曲线不一样的，这个不一样主要是因为能源价格不一样，建筑结构保温隔热这些差不多，资源禀赋也差不多，这边0.32元，这边0.33元。这条绿色的线是太阳能+燃气锅炉，石家庄如果改燃气，太阳能用的越多越不划算，因为燃气的价格贵，不见得合适。在北京来说，它是向下的曲线。但是对于拉萨，我们看拉萨，这个非常有意思，无论是什么样的技术组合太阳能越多越好，越多越便宜，这就是拉萨。你换句话说对于拉萨太阳能用的越多越好，最好是100%。

所以说对于不同的地方，通过这样曲线的分析，我们可以得出，如果你需要比较不同的技术方案，你可以通过这样去比较，哪种方案它的综合经济性能最低；你也可以对某一个地方进行比较，或者说采用最佳的一个占比。我们通过这样的模型，这个计算特别麻烦，确实是，需要我们有大量的假设，需要大量的数据，来得到这样的曲线。

我们计划开发一个小的软件工具，通过它来算一算会得到什么样的曲线，到底适合什么地方，不同的地方曲线不一样。这样做的好处是，一是便于地方政府做决策，还可以方便将各个产品组合方案做对比，另外就是选择适合自己的辅助能源。

最后对我的发言做一个总结：

第一，低温供暖是大趋势。

以前的供热温度，我们的热网里七八十度，现在也慢慢降下来了。低温供暖对于太阳能供暖是有帮助的，加拿大德雷克的温度是55度，用的是热罐在房顶上吹热风，回水是45度。

第二，可再生能源的利用是全球大趋势，只有充分利用可再生能源才能真正把清洁供暖的成本降下来。

Marstal的系统，它使用的木屑是从立陶宛进口，非常贵，为了降低运营成本，系统在低谷电价时用热泵提温回水，在高电价时，运行ORC机组，所发的电力并网销售，年发电量2,600MWh。但仅仅这样还不够，运营方还在想方设法增加太阳能集热器的面积，因为只有规模化使用太阳能，才能真正的彻底的降低运营成本。

第三，太阳能在多能互补系统中的合理比例很重要。

对太阳能产品应用大家要有系统的思维，不能只是产品的思维，光一个集热器没法用，还得考虑给用户一整套的解决方案。在介绍我们产品的时候，需要从系统的角度考虑，就是安装、维护要为你的客户考虑的很周全。这一点，我们中国的太阳能热利用行业和企业，还是有一定的提升空间，我们在国外奥地利看的一些国外的企业，他们是系统思维，不光是仅仅做一个集热器板子卖给你，它相关的配套、配件提供得很丰富，包括物联网的监测，在北京有了很多的接口，目前北京能做到细致的思考非常少，还有很大的提升空间。

我的演讲就是这些，谢谢大家。

参考文献：

Huang Junpeng, Fan Jianhua, Simon Furbo, Feasibility study on solar district heating in China, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, Vol .108, pp.53-64
Huang Junpeng, Tian Zhiyong, Fan Jianhua, A comprehensive analysis on development and transition of the solar thermal market in China with more than 70% market share worldwide, Energy, 2019, Vol .174, pp.611-624
黄俊鹏，徐尤锦，欧洲太阳能区域供热典型案例分析，建设科技，2017年02期，p70-78，DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2017.02.001
黄俊鹏，陈讲运，徐尤锦，平板太阳能集热器技术发展趋势，建设科技，2017年04期，p40-47，DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2017.04.009
李峥嵘，徐尤锦，黄俊鹏，中国太阳能区域供热发展潜力，暖通空调，2017年09期，p68-74，
黄俊鹏，陈讲运，太阳能区域供热在中国发展的可行性，区域供热，2017年04期，p18-25，DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2017.04.005
李峥嵘，徐尤锦，黄俊鹏，季节蓄热太阳能区域供热的规模化优势，区域供热，2017年05期，DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2017.05.008
黄俊鹏，徐尤锦，欧洲太阳能区域供热的发展现状与趋势，建设科技，2016年23期，DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2016.23.019