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太阳能集中供热系统在欧洲城市住宅小区的应用

晨怡热管 2008-11-7 23:00:46
   区域燃煤或燃油锅炉供热是比较常见的集中供热方式。近年来,欧洲一些比较发达的国家建立了许多太阳能集中供热站示范工程,为住宅小区供应生活热水及室内采暖。工程实例显示太阳能集中供热方式是一种投入产出效益比较高的太阳能热利用方式。一个采用季节性储热设备经过优化设计的太阳能集中供热系统,可以替代50%以上的化石燃料消耗(与无太阳能辅助供热的区域锅炉房集中供热相比)。本文对欧洲发达国家关于太阳能集中供热技术的研究应用作一介绍。


太阳能集中供热系统

    太阳能集中供热又称为区域太阳能供热。欧洲从20世纪80年代已开始研究。年耗热量40-79kWh/m的低能耗建筑是大规模太阳能供热具有经济性的必要条件。太阳能集中供热系统由太阳能集热器系统、热水收集及输送系统、储热系统、辅助供热系统(一般采用燃油或燃气锅炉)、中心和分户自动控制热交换系统组成。通过较大面积的集热器在夏季将太阳能转化为热能并通过水将之储存在大型的储热设备中,以提供冬季部分或全部采暖所需热量,从而达到全年经济有效地利用太阳能。

    太阳能供热系统可分为短期储热集中太阳能供热和季节性储热太阳能集中供热。短期集中太阳能供热主要应用于别墅型住宅、乡镇医院、小型旅馆或老年公寓、集体宿舍和体育馆等,这种系统在夏季可提供80%-100%的生活热水,全年提供10%-20%的室内采暖和生活热水所需热量。国内日益增多的热水供应工程可以归入此类。季节性储热太阳能集中供热主要用于超过100套别墅住宅的小区,通过季节性大型储热设备可以弥补太阳辐射度在冬季的不足,因此全年可提供超过50%的供热和生活热水所需热量。图1是典型的太阳能短期储热集中供热系统原理图。图2是季节性储热供热系统的原理图。

    目前,大规模太阳能集中供热系统工程大多数建立在中欧及北欧,主要分布在瑞典、丹麦、荷兰、德国、奥地利,在南欧只有希腊一国有季节性储热太阳能集中供热系统。

集热器及其布置

    太阳能集中供热均采用双循环系统,需要有很大面积的太阳集热器,其费用占总投资的25%-30%。北欧瑞典等国,由于地广人稀,太阳集热器一般直接安装在地面上,但在人口集中的中欧、南欧则无法实现。因此能与建筑很好结合,特别是大型的,镶嵌安装于屋面的平板太阳集热器得到很好地发展。目前就集热器而言,主要有3种型式:

    高效的真空管集热器;

    工厂化预组装的8-12m大面积集热器组件;

    太阳集热器屋顶:即由集热器代替整个屋面。

    在设计集中太阳能供热管道系统时,通常要考虑将整个系统尽可能集中布置,让循环水以较低的流速(即流进集热器的水量)约10-15L/mh流过整个集热器面积,这种所谓的低流速可以减少总载热体流量从而减小分配管网的管径及相应的循环泵的运行耗电量,可节约初始投资及运行费用。但为减少集热器的热损失而得到较高的集热器热转化效率,应让流过单个集热器的流速相对较大,为此应将集热器尽可能多的串联连接。
储热设备

    储热设备是实现太阳能集中供热的一个重要组成部分。在短期储热集中太阳能供热系统中多使用较大的不锈钢保温水箱;要保证系统提供全年50%以上热需求的季节性储热太阳能集中供热系统,一般都建有季节性储热库,它的费用约占总投资的35%-40%。欧洲国家在此项建筑技术方面作了很多研究性的工作,现在建成并使用中的储热库主要有4种系统型式(图3):

    (1)热水存储池:最常见的一种,多置于地下,热水存储池由钢板或混凝土做成,池顶盖及池壁都采取了很好的保温措施。如:德国汉堡的4500m,弗赖得里希港的1200m,汉诺威2000年世博会场馆的2750m热水存储池。
    (2)导管式储热库:这种系统热能是直接被储存在被水浸湿的土壤中,有很多U型管被插入垂直的孔洞内。在靠近地表附近,U型管被保温。管内介质通过U型管和管外湿土进行热交换,热量不断地被送入输出。如德国内卡苏尔姆的20000m,荷兰哥劳宁根的24000m导管式储热库。
    (3)砾石/水储热库:地下挖出一个大坑,用耐热防水塑料铺满坑底及坑壁,坑内填满砾石并灌水作为储热材料。由于砾石之间的空隙,坑底、坑壁及坑顶形成天然绝热,所以不需要另外保温。如德国斯图加特大学热能学院1985年,车姆内茨2000年运行的此类工程,其工程规模可达10万m以上。
    (4)地下水层储热库:利用地下水作为储热库,热水通过竖井送入,通过改变水流方向又从同一井口输出,如德国Rostock。

    在确定储热库的类型时,首先要考虑建筑所处地理位置及水文地质状况,对于后两种类型的储热库,一般应进行必要的地质勘探,取得当地水资源管理部门的同意;其次要对储热库进行经济性评估。

 经济性

    建筑能耗不仅占能源总消耗的很大一部分,且是产生CO温室气体的一个主要来源之一。最近几年,国外采用全面能源概念来评估某项建筑节能方面的新技术新工艺的经济性,即通过最低的额外费用支出而达到最大程度降低化石燃料的消耗以及相应降低CO排放量。全面能源概念强调尽可能有效地采取建筑保温措施,合理地进行能源的转换和供应,积极利用太阳能、生物质能等新能源。

    表1给出了国外不同规模太阳能利用工程的经济分析结果。

    从表1可见,CSHPDS系统经济指标最好,在正常住宅投资增加20欧元/m的条件下,即可产生比常规能源供热成本低的热量,其价格优势很明显。CSHPSS系统由于储热库投资高,但在增加投资75-140欧元/m,且太阳能所提供热能比例超过50%所需热能的情况下,也具有可比性。小规模太阳能热利用其投入产出比没有优势,但由于其初期投入费用比较低,故而应用最广。

    实现全面能源概念的关键是要从项目的立项开始,地方政府、设计师及项目组织者之间就应该达成共识,通盘考虑计划。

欧洲的应用现状及前景

    在欧洲,已安装了大约900万m的太阳集热器,这相当于产生4500MW的热能。其中10%的热能是由面积超过500m2的大型太阳能集热系统产生的,最大的10个系统分别建造在丹麦、瑞典、德国及荷兰。最早的一个季节性储热系统是于1983年在瑞典建造的,集热器面积达到4320m,采用10万m的砾石、水储热库。未来两年,欧洲计划建造更多大规模的带有季节性储热的太阳能集中供热系统用于研究。开发新技术以降低建造季节性储热系统的成本,同时降低集热器成本的工作已经开始。作为减少化石类能源消耗和减少城市二氧化碳排放的途径,太阳能在区域供热系统的创新应用将会逐渐变得重要。

    欧洲季节性储热大型太阳能供热系统的中期目标是使太阳热成本降至当前传统供热成本的两倍。随着集热器的生产,制造成本的降低,这些系统将会在未来几年真正进入市场。

    我国家用太阳热水器已完全市场化,但与欧洲相比其太阳能热利用的技术水平程度还比较低。太阳能集中供热涉及到建筑技术、供热技术、太阳能采集技术、自动控制等多个学科,而且现阶段其投资较大,需要全面系统科学地进行项目可行性评估及计算机模拟设计。

责任编辑: banye 参与评论
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