太陽能區域供熱技術的國際經驗與啟示

1sdh太陽能集熱系統在能源行的區域加熱（sdh）基于區域熱網的用戶提供加熱服務。傳統區域供熱主要以化石能源、工業余熱為熱源,SDH則是在原有區域供熱系統不變的情況下,采用太陽能集熱器吸收太陽能,通過太陽能集熱管網系統輸送到區域供熱熱廠或換熱站,向市政區域熱網供熱,最終為熱用戶提供供暖和生活熱水所需熱量,太陽能是區域供熱系統熱源之一。根據集熱器鋪設規模SDH系統可分為集中式和分布式2種,為提高太陽能保證率,常建有季節蓄熱設施SDH在中北歐地區得到較快發展,技術已十分成熟,并且實現了商業化運營。截至2015年,歐洲SDH總裝機容量達745MW2太陽能供暖經驗及投資情況國家統計局數據顯示,2015年我國城鎮區域供熱面積達67.22億m我國太陽能供暖發展已有10余年歷史,前期主要為太陽能戶式供暖,廣泛用于農村地區;近年來逐漸發展到利用太陽能為學校、公共建筑、小區供暖,實現小規模應用,主要用于無城市熱力覆蓋區域的供暖。筆者在2016年實地調研了多個太陽能供暖工程,對企業、用戶、政府進行走訪,總結當前太陽能供暖工程經驗,探討SDH在中國發展的可行性。調研結果表明,采用太陽能供暖具有較大的節能性,北京將軍關村一戶農村太陽能供暖用戶透露,200m國內太陽能系統設備制造水平較低,太陽能企業缺乏規劃、設計、建設、運維規模化太陽能供暖系統能力;采用太陽能供暖初投資較高,雖然政府對太陽能熱水發展給予了政策支持和財政補貼,但太陽能供暖沒有受到重視;太陽能供暖示范項目運營效果差,壽命短。從技術、經濟、政策三方面都制約了中國太陽能供暖的發展。2.1太陽能供暖及熱水系統未充分利用因政府鼓勵采用清潔能源供熱,故太陽能供暖及熱水系統多設計為生物質鍋爐輔助太陽能供暖,但缺乏對當地生物質資源的充分論證,實際使用中多為燃煤鍋爐或電鍋爐輔助太陽能供暖。農村太陽能供暖及熱水系統基于最大化利用太陽能的原則設計,盡可能在屋頂最大面積鋪設集熱器,并沒有對系統進行優化,夏天容易過熱,必要時需遮蓋部分集熱器。太陽能供暖及熱水系統中,沒有進行管網系統水力計算,依靠經驗選取水泵,導致實際運行過程中集熱循環水泵故障較多。太陽能集熱系統管網布局較為混亂,系統調試、后期運維難度較大。2.2緩沖儲熱水箱布局不合理集熱器安裝缺乏規范性,與屋頂結合不夠牢固,不僅影響屋頂結構安全,而且對地面行人也構成安全威脅。緩沖儲熱水箱布局不合理,多安裝在2層,出現滲水、漏水,嚴重影響居民的生活。建議布置在盥洗室。太陽能集熱管網直接穿過建筑屋頂,造成屋頂漏水;管網鋪設混亂,缺乏必要的標識;水箱、集熱管網缺乏規范的保溫處理。2.3能供暖系統故障農村太陽能供暖的運維主要由用戶個人進行,由于缺乏專業知識和規范的運維手冊,存在很多用戶對太陽能供暖系統的故障束手無策、強制性改變管網設備、采用水代替防凍劑注入太陽能集熱系統、私自添加電鍋爐供暖、改變溫控裝置、自己更換水泵等問題。對于農村地區區域性太陽能供暖項目,有必要建立區域運維服務點,撰寫系統運維手冊供用戶學習,便于后期運維,保證太陽能供暖效率,延長太陽能供暖系統壽命。3中國sdh技術經濟分析3.1高效安裝成本大型平板集熱器(見圖2)便于地面安裝和屋頂安裝,能有效降低項目建設費用,從而減小初投資;大型平板集熱器價格低、性能好,使用壽命高達25a以上太陽輻照度G為800W/m式中η單位面積大型平板集熱器安裝成本(含集熱器產品成本、運送、安裝等所有費用)見圖4。其總體規律為:隨集熱場規模(集熱器面積)增大,單位面積集熱器安裝成本逐漸降低。太陽輻照度為800W/m3.2儲熱設施建設太陽能能流密度(單位輻射面積所接受的太陽輻射能量)低,受天氣變化影響大,穩定性差;冬夏供熱負荷不平衡,為提高太陽能保證率,需建設儲熱設施。SDH儲熱技術分為短期儲熱和季節蓄熱。短期儲熱一般是儲存一天到一周的熱量,常用于預熱區域供熱管網,儲熱設施為短期儲熱水罐和區域熱網,短期儲熱指標為單位面積集熱器220~250L。工程常用的4種季節蓄熱技術主要為蓄熱水箱、坑式蓄熱水池、地埋管鉆井蓄熱、含水土層蓄熱3.3發展可持續能源低溫區域供熱采用較低的供回水溫度,有利于減少管網熱損失,提高系統效率,促進可再生能源、熱電聯產等多能互補系統利用,推行可持續能源發展。其供水溫度介于30~70℃之間,采用預制保溫雙管,為新建建筑(每個供暖季建筑供暖負荷<25kW·h/m3.4多能互補技術國家能源技術創新“十三五”規劃提出到2020年非化石能源占我國能源供給比例將達到15%3.5sdh系統熱價分析當前我國京津冀地區大力推進清潔能源供熱,本文選取北京地區氣象參數和歐洲地區技術成熟的5種SDH模式,建立虛擬模型,分析SDH在北京地區應用的經濟性,并與傳統燃煤、燃氣區域供熱進行對比分析根據上述數據,采用SUNSTORE4-Feasibility-Evaluation-Tool模擬軟件由圖7可以看出:SDH系統1的熱價為531元/(MW·h),高于燃煤區域供熱和常規區域供熱,但低于燃氣區域供熱。SDH系統2~5的熱價均低于常規區域供熱,其中以SDH系統3,5的熱價最低,為364元/(MW·h),但SDH系統3建有季節蓄熱裝置,能連續、穩定供熱。由此可見太陽能區域供熱具有一定的經濟性優勢。SDH系統雖然初投資較高,但由于其運維成本較低,20a動態投資回收期內熱價較常規區域供熱要低。4中國sdh市場潛力和環境效益分析4.1供熱能力展望通過分析國家統計局的中國城市區域供熱數據得出:2015年中國區域供熱負荷達339326MW,供熱面積達67.22億m從圖8可以看出:中國區域供熱能力呈現逐年增長趨勢,這與我國經濟發展水平相適應,居民對改善冬季室內熱舒適需求越來越高,不僅北方地區需要供熱,南方地區供暖呼聲也十分強烈,可以預見短期區域供熱能力將進一步增長。據此對未來5a區域供熱市場進行預測,到2020年中國區域供熱能力將達到407.973GW,相比2015年增長68.647GW,見圖9。2030年中國區域供熱總能力將達到536.734GW。同時單位面積供熱負荷呈現逐年下降趨勢,說明我國建筑節能改造和區域供熱管網改造成果顯著,尤其是區域供熱管網改造將為低溫熱源的并入提供平臺。4.2既有區域供熱發展清潔能源供熱根據國家能源局發布的能源發展“十三五”規劃,2020年區域供熱清潔能源占比將達到15%,2030年爭取達到20%。以2015年的區域供熱能力為基準,在既有區域供熱改造中,假設清潔能源承擔供熱負荷份額分別為5%,10%,15%,20%,可得到清潔能源承擔的供熱負荷,見圖10。從圖10可以看出:按照國家能源規劃提出的2020年區域供熱清潔能源占15%的目標,我國既有區域供熱改造中清潔能源供熱負荷將達50.899GW;按2030年占20%的目標,清潔能源供熱負荷將達67.863GW。現階段即使只完成5%,供熱負荷也達16.966GW,清潔能源供熱市場很大。4.3年增長產業和能源供熱假設未來新增區域供熱負荷中清潔能源供熱負荷份額均在20%以上,根據圖9計算可得到每年新增清潔能源供熱負荷,見表5。2017年預計新增清潔能源區域供熱將達3.324GW,2020年新增清潔能源區域供熱將達4.155GW,5a總計新增17.873GW。4.4sdh在綠色能源加熱中的潛在能力和環境效益分析假設年均太陽輻照度為800W/m4.4.1設面積的確定既有區域供熱清潔能源改造發展SDH供熱負荷及集熱器鋪設面積見表6,7。可以看出:清潔能源供熱占區域供熱的5%且SDH占清潔能源供熱的5%時,SDH供熱負荷為0.848GW,SDH集熱器最大鋪設面積為673萬m4.4.2積分積表1新增區域供熱SDH供熱負荷及集熱器鋪設面積見表8,9。可以看出:2017年SDH占比5%的情況下,供熱負荷為166MW,SDH集熱器鋪設面積達132萬m4.4.3環境效應分析發展太陽能區域供熱不僅具有較大的節能潛力,還有很好的環境效益。根據《太陽能供熱采暖工程應用技術手冊》,單位面積集熱器年CO5太陽能區域供熱中國區域供熱市場巨大,未來一段時間區域供熱能力仍將保持增長;但我國區域供熱供回水溫度高,熱損失大,應加大區域供熱管網改造,發展低溫區域供熱技術,為以太陽能為主的低溫熱源并網區域供熱提供平