四季沐歌太阳能跨季节蓄热系统介绍

1、1四季沐歌 朱 宁2013.12 太阳能跨季节蓄热供暖-热水综合能源系统介绍2目 录为什么要做太阳能供暖传统太阳能供暖系统简述及问题国外太阳能跨季节蓄热供暖-热水系统应用本案例太阳能跨季节蓄热供暖-热水系统介绍及经济性分析国内跨季节蓄热供暖-热水系统应用四季沐歌优势3能源形势我国能源消费总量2004年国家发改委节能中长期专项规划 2010年 24亿吨标煤 2020年 30亿吨标煤实际消费总量 2005年 22.5亿吨标煤 2006年 24.6亿吨标煤2007年国家发改委能源发展“十一五”规划 2010年 调整为27亿吨标煤实际消费总量 2007年 26.5亿吨标煤 2010年 32.7亿吨标煤

2、 2011年 34.8亿吨标煤 2012年 36.2亿吨标煤节能形势紧迫！4 据统计，在能源总消费中建筑能耗的占比达30%左右，在建筑的能耗中，供暖和空调占61%，热水占22%（建筑供暖、空调和热水约占全国总能耗的25%）， 所以，建筑的供暖、空调和热水是节能的关键任务之一。 自从2010年以来，能源消耗总量每年增长约4-6%，按这个速度2014年即可达到近40亿吨标煤。而按照人均可以承受的CO2排放量的上限计算，我国化石能源消耗总量不能超过40亿吨。567沁园春霾北京风光，千里朦胧，万里尘飘。望四环内外，浓雾莽莽，鸟巢上下，阴霾滔滔!车舞长蛇，烟锁跑道，欲上六环把车飙，需晴日，将车身内外，尽

3、心洗扫。空气如此糟糕，引无数美女戴口罩，惜一罩掩面，白化妆了!唯露双眼，难判风骚。一代天骄，央视裤衩，只见后座不见腰。尘入肺，有不要命者，还做早操。环境污染危重！8北京地区 2013年8月23日，北京市人民政府办公厅颁布北京市2013-2017年清洁空气行动计划重点任务分解的通知，目标为到2017年，全市空气中的细颗粒物年均浓度比2012年下降25%以上，其中规定“多措并举推进清洁能源供暖，到2017年全市累计新增太阳能集热面积400万平米。”天津地区天津市清新空气行动方案，于2013年7月1日起正式实施，通过实施清新空气行动，到2017年，空气质量明显好转，全市重污染天气较大幅度减少，优良天

4、数逐年提高，PM2.5年均浓度比2012年下降25%。其中规定：既有建筑“平改坡”时，根据实际需要同步安装太阳能光伏和太阳能热水器；大力推广农房太阳能利用；其它地区 另外河北、山西、内蒙古、山东与环保部签污染防治责任书，纷纷出台具体行动计划。政策支持！910 各地节能减排政策的出台，燃煤锅炉逐渐被淘汰，常规能源就只有燃气锅炉了，国家发改委主任徐绍史2013年12月15日在全国发展和改革工作会议上表示：“煤改气必须先签订供气合同落实气源，燃气发电要暂停上马，避免各地一哄而上加剧供需矛盾”。另外燃气价格不断上涨，因此，燃气的使用受到一定限制。 此外一直被看好的空气源热泵在冬季环境温度较低的情况下，

5、效率也会较低，因此系统的保障能力会比较差，此外系统往往存在噪声扰民的问题。 相比空气源热泵，地源热泵能效高，冬季运行时，COP可达4左右，夏季运行时， COP可达5左右，但往往存在取热和蓄热不平衡的问题，这也是地源热泵发展所面临的主要瓶颈。 太阳能作为地源热泵的补充正是最好的配合方式，太阳能还可以和其他的清洁能源结合使用。作为一种可再生的清洁能源，太阳能不再只被希望用来满足生活热水需求，太阳能供暖逐渐形成一种趋势。11传统太阳能供暖系统11设计思路： 当太阳能可以将水箱的温度提升到设定温度时，例如35（地板供暖的要求），即可提供供暖，当温度达不到时，利用燃煤(气)炉或电加热。12太阳能保证率计

6、算: 以建筑面积200，配备集热面积30的常规系统为例，以节能建筑热负荷标准35W/，供暖季每天的平均辐照量为14.41MJ/（北京地区），太阳能系统效率0.30计，太阳能的保证率f： rQ- 太阳能系统的产热量：14.41*30*0.30=130MJsunQ- 建筑供暖所需热量：200*35*24*3.6/1000=605MJ经计算太阳能的保证率为f=0.21。12rsunfQQ1313系统存在问题A.冬季太阳能供热不足： 太阳能冬季效率偏低，理论上，本系统水箱内温度不会低于供暖回水温度30，在此基础上靠太阳能升温，效率较低（经计算进水在30，环境温度5，太阳能辐照强度600W的情况下，太阳

7、能集热器基于总面积的集热效率为0.38）。 一旦不允许使用燃煤供暖炉，改配空气源热泵作为辅助加热，冬季在太阳能效率低的情况下，空气源效率也会较低，因此系统的保障能力会很差。 14B.非供暖季系统过热严重：系统过热容易产生一系列问题： 一、造成一些橡胶件容易老化，增加售后的强度； 二、造成真空管容易炸管，真空度降低，集热效率降低，真空管寿命减少； 三、过高的温度也会影响管道的寿命。 15理念1. 为了更好地利用非供暖季的热量，因为非供暖季的太阳辐照量(以北京为例）占到全年的71%，供暖季才占到全年的29%，我们总不能舍弃71%而仅仅采用29%，舍本逐末。1515太阳能跨季节蓄热供暖-热水综合能源

8、系统概述2.太阳能跨季节性蓄热供暖-热水综合能源系统可以很好的解决非采暖季系统过热问题。16国外应用 美国在20世纪60年代首次提出跨季节蓄热的思想，并于70年代进行了大量的理论和实验研究， 国际能源署IEA于1981年启动了跨季节蓄热太阳能集中供热系统研究， 欧洲最早在20世纪90年代开始此方面的研究，而且在技术应用水平上一直保持着领先地位。 以德国、丹麦和瑞典等为代表的北欧和中欧国家，近年来在太阳能跨季节蓄热技术上发展较快，这些国家已经建立了一些示范工程，并取得了良好的使用效果。国外太阳能跨季节蓄热供暖-热水系统案例 到2013年10月，丹麦已安装37.5万太阳能，远高于计划的35万，同时

9、丹麦计划到2020年可再生能源占终端消费能源的35%，到2050年，实现100%依靠可再生能源的目标。17项目名称集热器面积（）蓄热方式蓄热体容积（m）设计最高储存温度（）开始运行时间德国-汉堡布拉姆费尔德3000混凝土水箱4500951996德国-腓特烈港魏根豪森4050混凝土水箱12000951996丹麦-马斯塔尔33000蓄水池75000951996德国-开姆尼茨540砾石-水水池8000851997德国-内卡苏姆的阿莫巴赫5470地埋管系统63300851997德国-施泰因富特510砾石-水水池1500901998德国-汉诺威康斯柏格1350混凝土水箱2750952000德国-罗斯托克

10、1000浅层含水层20000502000德国-阿滕基兴800地埋管系统10000852002加拿大-卡尔加里市2300地埋管系统35580802005德国-慕尼黑2900混凝土水箱5700952007德国-埃根施泰因1500蓄水池3000902007德国-克赖尔斯海姆5470地埋管系统37500852007 丹麦-奥尔堡37000蓄水池6000095在建18ARCON跨季节性蓄热工程介绍 ARCON跨季节性蓄热工程位于丹麦奥尔堡的Dronninglund（多宁隆德 ），是ARCON为当地一所热厂建设的太阳能供暖+热水工程，是目前全球最大的跨季节性蓄热项目，总集热面积37000，蓄热水池为600

11、00m，供应1000户居民冬季供暖和全年的生活热水，集热采用换热方式，集热循环使用防冻液。 19太阳能集热系统20蓄热系统21 德国内卡苏姆的太阳能跨季节性蓄热供热厂 目前德国最大的跨季节蓄热系统，集热器面积5470,采用地埋管蓄热，蓄热体容积 63300m。2223德国克赖尔斯海姆太阳能项目 本项目共安装3500的太阳能集热器，采用地埋管蓄热，蓄热体容积37500m。2425太阳能跨季节蓄热供暖-热水综合能源系统介绍26u系统组成集热系统:吸收太阳能量转化成热能的装置，主要为各种类型的太阳能集热器。 蓄热系统:用于储存热量的装置或介质，有蓄热水箱、蓄热水池、地埋管土壤蓄热、砾石-水蓄热、含水

12、层蓄热等。管路系统:主要为输送热能的管路及设备。辅助热源:太阳能不足的情况下需要由常规能源补充，通常采用燃气锅炉、热泵等。供暖末端:指传送热量的载体，通常为地暖盘管、空调末端等。27全玻璃真空管集热器集热系统太阳能集热器平板集热器28蓄热系统（4） 热水蓄热（1） 砾石-水蓄热（3） 地埋管蓄热（2） 蓄水层蓄热29 砾石-水蓄热系统特点：砾石-水蓄热也称为人工含水层蓄热，蓄热介质由砾石和水组成，因该蓄热装置不需要建设承重结构，因此造价相对热水蓄热装置低，但是热容偏小，蓄存相同热量体积是热水蓄热装置的3倍。在前面提到的14个典型项目中仅仅有2个项目采用这种方式。不推荐采用。30 蓄水层蓄热系统

13、特点：含水层蓄热对建设地点的地质构造条件的选择比较苛刻，含水层主要由沙石、砾石、沙子、石灰石等透水性能较好的物质组成，含水层的上下两层为不透水层，在蓄热装置中，需要安装冷水井和热水井各一口，这种方式往往是可遇不可求的。在前面提到的14个典型项目中仅仅有1个项目采用这种方式。不推荐采用。31 地埋管蓄热系统特点：地埋管蓄热装置是在打入地面以下30-100m的竖井内设置U型管，在蓄热过程中，将太阳能收集的热量储存在土壤和岩石中，到冬季供暖时，再将土壤和岩石中的热量交换出来，是目前主流的蓄热方式之一。在前面提到的14个典型项目中有4个项目采用这种方式。推荐采用。32 热水蓄热系统特点：热水蓄热是指以

14、水作为介质的蓄热方式，此类系统单位体积热容量大、流动性好，存取热量快捷、方便，热水蓄热装置一般为圆柱型，这种结构有助于减少形体系数，以减少热损失，目前全球最大的两个系统均采用热水蓄热。在前面提到的14个典型项目中有7个项目采用这种方式。推荐采用。33 经过30多年的发展，在四种蓄热系统中，目前主要采用的方式是热水蓄热和地埋管蓄热。34本案例项目设计及分析项目基本情况： 我们初步拟定北京某高校有学生2万人，太阳能系统满足日常4000人的热水需求和宿舍楼的冬季供暖要求。 太阳能集热器安装在宿舍楼屋面上，平均每人的建筑面积按照3.5计算，则总建筑面积为7万，设计安装1万集热器，进行下面的计算：35设

15、计思路与建设条件： 本项目我们设计采用太阳能+地埋管蓄热+地源热泵辅助方式，满足热水和供暖要求。 太阳能集热器置于各栋宿舍楼上， 太阳能集热器对建筑的承重要求为不低于60kg/，一般建筑均可满足。 地埋管系统可建于操场位置，地底下埋设地埋管，经计算本项目打井所需占地面积约为4800平米,非采暖季使得土壤温升7左右，不影响上面使用。 36自来水缓冲水箱系统运行原理图地源热泵采暖水箱热水箱生活热水采暖供水采暖回水37系统经济性分析及环保标准1.基础资料：北京地区地理位置(北纬3948，东经11628) 由上表可知30倾斜面上的太阳能年总辐照量6257.81MJ/，供暖季的辐照量1801.46MJ/

16、。太阳能总集热面积10000，集热器安装倾角15的情况下，集热面积补偿比为0.93，供暖季集热面上的太阳辐照量为1675MJ/，全年集热面上的太阳辐照量为5820MJ/。3738 将非供暖季的热量进行储存，供暖季集热面上的太阳辐照量为1675MJ/，供暖期125天，非供暖季集热面上的太阳辐照量为5820-1675MJ/，非供暖季太阳能系统平均综合效率取0.4，供热水时间为190天，供暖季平均综合效率取0.30，供热水时间为90天太阳能可储存的热量以50%计，供热人数4000人,每人40L,水温升30，建筑供暖负荷35w/计，则太阳能的保证率f 其中Qsun是太阳能为供暖提供的能量，Qr是建筑供

17、暖需要的热量。经计算Qsun=10440GJ， Qr=21591GJ太阳能的保证率为f=0.48，再配备地源热泵，地源热泵COP=4的情况下，系统的保证率就可以达到0.64。即在太阳能热水100%保证的情况，太阳能采暖的保证率可达到0.64.38382.节能计算rsunfQQ39计算过程：Qsun是太阳能为供暖提供的能量，Qr是建筑供暖需要的热量。我们已知太阳能的总产热量为非供暖产热量+供暖季产热量=（5820-1675）*10000*0.4+1675*10000*0.30=16580+5862=22442GJ每年供热水的热量为非供暖季190天的热量和供暖季90天的热量=4.18*4000*4

18、0*30*190+4.18*4000*40*30*90=3812+1806=5618GJ则有Qsun=(16580-3812)*0.5+(5862-1806)=6384+4056=10440GJQr=70000*35*24*3600*90+(125-90)/3=21591GJ经计算太阳能的保证率为f=0.48，再配备地源热泵，地源热泵COP=4的情况下，系统的保证率就可以达到0.64。40各种能源费用对比能源类型单位燃烧值热转换率市场价单位费用(万元)天然气MJ/m333.40.93.5元/m187电MJ/kWh3.60.961元/度464购买热量GJ110元/GJ1773.经济性计算 经上面

19、计算可知太阳能每年产生的有效能量约为16058GJ，下面仅从能源节约角度进行简单计算，常规系统产生相同热量的情况下常规能源的费用如下： 40414.环保标准 太阳热水系统的环保效益体现在因节省常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为二氧化碳、二氧化硫和粉尘的减排量，其中二氧化碳减排量如下：41系统每年的产热量16058GJ系统每年的CO2减排量1800T15年的减排量27000T425.系统投资概算： 其中： 地埋管系统造价约350万元； 地源热泵主机造价约200万元； 系统管道及保温水箱造价约650万元； 太阳能集热器造价约600万元； 控制系统造价约100万元； 常规能源造价约为100万元

20、合计总造价约为2000万元（为集热和蓄热系统的造价，不包含挖沟和埋沟等土建的费用）。 436.系统收益分析： 1)热水收益 系统每天可满足4000人洗浴，以热水收费2元/人次，每年运行时间为280天计，则每年的出售热水的效益为224万元。2)减排收益碳交易 442013年11月28日，北京市碳排放权交易成功开市。45经计算系统每年碳交易收益9.5万元(以成交均价53元/吨计)。46常规能源静态投资回收期/年燃气5电3购买热量5静态投资回收期计算： 经过以上的各项计算可知，系统的可从节约能源角度、热水收益、碳交易收益等方面进行系统的投资回收。 经计算系统理论静态投资回收期如下： 由此可见，太阳能

21、系统初投资虽然稍大于常规能源系统，但是回收较快，节能效果明显。47计算过程：系统的可从节约能源角度、热水收益、碳交易收益系统每年的收益=187（燃气)+224+9.5=420.5万元则对燃气来说系统回收期=2000/420.5=4.7年系统每年的收益=464（电)+224+9.5=597.5万元则对电来说系统回收期=2000/597.5=2.8年系统每年的收益=177(买热)+224+9.5=410.5元则对电来说系统回收期=2000/410.5=4.9年 48我们还可以进行进一步的节能改造：例如结合空气集热器本系统我们还可以通过的在宿舍南立面墙上安装空气集热器，空气集热器具有启动快，不怕冻的

22、优点，可以进一步提高系统的太阳能保证率，更加节能。49经过我们目前的测试：环境温度5的晴天，9:30-15：00，4空气集热器使得35的房间内温度可以达到17以上；环境温度0的晴天，10:00-14：30，4空气集热器使得35的房间内温度可以达到15以上。50 1.2009年国家住宅与居住环境工程技术研究中心完成了开发研究专项项目 居住建筑太阳能供暖系统平衡技术研究与开发 2.北京通州区科技创业园的中国建筑科学院研究院研发基地曾进行蓄热试验。 3.天津大学在2005年建造了一个8000m容积的埋管蓄热式太阳能跨季节蓄热系统，配套的太阳能集热面积约为400。 4.2013年，四季沐歌集团建成目前

23、国内最大的跨季节蓄热项目-河北经贸大学太阳能跨季节蓄热供暖-热水综合能源系统示范项目，集热面积11592， 蓄热水箱2万吨。 5.2013年，四季沐歌集团在德国政府的资助下，在洛阳基地建成跨季节蓄热供暖项目，集热面积224，蓄热水箱300吨，此项目的检测、研究实验数据将对太阳能跨季节蓄热具有很好的指导作用。太阳能跨季节蓄热供暖-热水系统在国内的发展51 国内对太阳能跨季节蓄热供暖热水系统的研究明显晚于且少于国外，这主要与我国传统的以煤为主要燃料的粗放的能源结构形式有关，其次，过去人们对建筑舒适度的要求较低，据统计，目前我国的平均建筑能耗和人均建筑能耗都低于发达国家，其中人均建筑能耗仅为美国的1

24、/7，DECD（经济合作和发展组织）国家的1/3。52535455 实际上，在目前建筑能耗的基础上2012年我国实际能源消耗总量已达36.2亿吨标准煤。但随着人们生活水平不断提高，对舒适度的要求也越来越高，仅仅基于提高围护结构的被动节能措施已经暴露了其局限性，开源已势在必行。所以太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、使用的清洁性、利用的经济性等特点在建筑节能中得到应用必然成为趋势。此外，我国太阳能资源具有得天独厚的优势。56 我国有着十分丰富的太阳能资源，太阳能年辐射总量大于4200MJ/的地区占国土的76%以上，我国部分城市和欧洲部分城市年总辐照情况对比如下：由上可知我国具有发展太阳能供

25、热供暖的优越自然条件。赫尔辛基汉堡斯德哥尔摩伦敦维也纳巴黎年辐射总量MJ/330234283553363738874013对比北京当地纬度倾角平面年辐射总量5844MJ/0.57 0.59 0.61 0.62 0.67 0.69 对比石家庄（参照大同）当地纬度倾角平面年辐射总量6332MJ/0.52 0.54 0.56 0.57 0.61 0.63 57 四季沐歌作为国内最大的太阳能生产、研发公司，在太阳能跨季节蓄热供暖方面也是走在了行业前面。 我们已经成功实施的项目有： 河北经贸大学太阳能跨季节蓄热供暖-热水综合示范项目； 洛阳基地跨季节蓄热供暖项目。四季沐歌已实施项目58 河北经贸大学太阳

26、能跨季节蓄热供暖-热水综合能源系统示范项目,共安装太阳能集热器11592， 蓄热水箱2万吨。 系统采用燃气锅炉作为辅助，满足河北经贸大学近3万师生部分供暖及热水需求。58石家庄“河北经贸大学”跨季节性蓄热项目概况5859 系统运行原理图 59图书馆风机盘管供水 跨 季 节 蓄 热 水 箱图书馆风机盘管回水洗浴供热水箱洗浴用水补水供暖炉暖气片补水5960系统运行工况 1.太阳能集热： 每栋楼上的太阳能集热器分别与主管路通过水泵进行温差循环，蓄热水箱与各栋楼的集热系统均通过主管路连接，各栋楼集热器不断集热，太阳能蓄热水箱也就不断蓄热。2.系统用热分成三部分：一部分供给洗浴用水提高基础水温，蓄热水箱

27、的水通过板式换热器给洗浴用水换热，若换出的水温能够满足洗浴要求，则直接使用，若不能满足要求进一步加热后供水。一部分供给3万平米图书馆供暖，供暖末端为风机盘管。一部分在学生放寒假期间，为避免宿舍楼楼内的供暖系统上冻，采用蓄热水箱内的水进行低温加热。606161河北经贸大学616262太阳能集热系统626363蓄热水箱间64监控系统工作界面 整个系统各区域工作情况实时监控，使得管理快捷方便；密码设置，更安全。64远程监控系统远程监控系统65 在德国政府的资助下，四季沐歌洛阳基地展厅采用太阳能跨季节蓄热供暖技术进行供热，建筑面积约为1500，利用已有的224太阳能集热器进行季节性蓄热，蓄热水箱为2个

28、圆形150T的大水箱，目前项目正在施工中。65洛阳基地跨季节蓄热项目概况6566洛阳基地太阳能跨季节蓄热系统运行原理图66供暖供水供暖回水分分层层蓄蓄热热水水箱箱2自来水66缓冲水箱蓄热水箱蓄热水箱供热水箱671.系统集热： 太阳能集热器置于楼顶，楼顶上安装缓冲水箱，缓冲水箱和集热器之间进行温差循环，太阳能蓄热水箱与缓冲水箱间同样采用温差循环，使得系统不断集热。2.系统蓄热 采用2个150T的分层蓄热水箱进行能量的储存，水箱内部均安装特有的分层结构，使得系统能够快速启动，底部低温情况下，集热器效率大大提高。系统设计概况67683.系统用热 系统用热根据蓄热水箱中的水可能达到的温度，分成两种情况

29、，当温度可以直接进行供暖时，蓄热水箱中的水通过板式换热器给地板供暖用的供热水箱换热，当温度不能满足直接供暖需要时，通过水源热泵给供热水箱加热，以满足供暖的需求。4.辅助能源 太阳能蓄热水箱中的水作为热源给水源热泵提供能量，水源热泵给供热水箱加热，以满足供暖的需求，采用水源热泵作为辅助能源，使得蓄热水箱内水的热量能够更充分的得到利用，储水箱水温可以低至10；若采用常规能源作为辅助，比如燃气锅炉，当储水箱内水的温度在低于供暖回水温度（比如30）的情况下，就需要采用辅助能源，使得储水箱内水的温度不会低于30，两种辅助热源相比则有如下结论：两个储热水箱共可储存300T水，两种辅助能源提取的储热水箱中水的能量之差=4.18*300*（30-10）=25080MJ,此部分能量相当于7257度电和834m燃气所产生的能量。6869 水箱外观及内部分层结构69705.特有的检测系统 7071检测数据71序号测试数据（1）太阳能辐照量（2）太阳能得热量（3）分层蓄热水箱得热量（4）水箱热损（5）分层蓄热