农村太阳能采暖技术及案例分析
我国早期的太阳能采暖工程运行已经有10年多的历史，如果算上被动房的实践则历史更长。
一、我国农村太阳能采暖技术应用现状1、发展概述
我国早期的太阳能采暖工程运行已经有10年多的历史，如果算上被动房的实践则历史更长。但无论是规模还是发展速度均落后热水，在2016年完成的3952（27664）万平方米/（MWth）中，热水还是占到90%以上，采暖、制冷、工农业应用加起来也不到10%。这种情况主要是受社会发展阶段的制约。
如今，绿色发展理念的确立，人民生活水平的提高，环境保护的压力，能源革命战略的实施，“十三五”规划的发布，特别是北方地区清洁供暖将催生采暖领域的快速发展，未来太阳能采暖将会以更快的速度发展，在广大农村住房、学校、医院卫生院、养老院、公共设施、农业生产设施等领域有着巨大且长远的市场空间，覆盖范围也将席卷全国适宜地区。
2、区域分布
采暖区分为集中供暖区域和需要供暖地区。我国地域辽阔，气候条件差别大，三分之二的国土面积属严寒、寒冷和夏热冬冷地区，需要采暖。
3、管理与政策
采暖管理体制需要在创新中完善。过去职能分散。城市集中供暖主管部门是建设部门，农村和非采暖区的供暖主管部门不是很明确。北京目前煤改清洁能源由农委牵头，山东建立农村供暖工作部门联席会议制度，联席会议办公室设在省住房城乡建设厅。采暖属于供热，还涉及能源管理部门。
近年来在习近平总书记讲话指引下，供暖日益得到我国政府重视。2016年7月，中国可再生能源规模化发展项目《可再生能源供热案例研究、潜力和政策框架研究》历时2年的结题，提出了我国可再生能源供热的政策和管理建议。
2017年3月2日国家能源局新能源司在北京召开了“非电可再生能源数据统计工作方案研究及设计”项目启动会。4月18日国家能源局下发的“关于促进可再生能源供热的意见（征求意见稿）”。5月16日财政部、住房城乡建设部、环境保护部、国家能源局下发关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知（财建〔2017〕238号文）。
6月6日国家能源局发出“关于开展北方地区可再生能源清洁取暖实施方案编制有关工作的通知”。
明确的资源潜力包括风能、太阳能、地热能、生物质能等各类可再生能源资源。6月21日国家能源局新能源司司长朱明撰文“脚踏实地推动可再生能源持续健康发展”，文中提到能源革命“三步走”的任务，第一步实现天然气和非化石能源成为供给增量主体，第二步实现非化石能源成为能源供给增量主体，第三步实现非化石能源成为能源供给主体。
但目前为止，总体来说，非电可再生能源统计体系尚在研究中，政府的目标引导机制被认为无法实施，可再生能源供热尚没有国家层面连续性政策，一些供热体制和机制上的障碍还有待消除，热能的计量和价格也部分缺失，热能的商品化还不完全；改革还在进行中。
4、技术发展
作为应用技术，太阳能采暖技术需要在实践中不断创新、总结和提高。由于政策力度差异，北京等地早期的太阳能采暖示范设计的太阳能保证率不高，太阳能运行成本低的特点没能充分体现。
随着近几年北方农村清洁供暖的实践，技术进步明显，各地都出现了较为成功的案例。业内对太阳能采暖已经总结出以下经验教训：采暖不同于热水，除去尽可能高效的转化和收集以外，关键是要维持特定围护结构中的温度。
因此，采暖要重视建筑保温性能改造提升；要有足够的集热面积，要重视蓄热技术应用，要重视与辅助能源的结合，要提高系统的可靠性；，要通过技术进步降低初装费，要重视数据采集分析，特别是应用物联网技术经过实践验证，积累经验，总结提高。
我国企业在创新实践中还开展了国际技术合作。如日出东方与丹麦阿康-桑玛克的合资公司在华成立，与加拿大自然资源部能源技术中心签署技术合作协议等。但由于体制机制障碍和政策差异，我国大规模太阳能蓄热采暖科研项目缺少，应用实践艰难，储能和区域供热技术发展缓慢，与国际先进水平还有较大差距。
国内外的供热经验都说明“集中式”和“大型化”具有建设成本低和节能减排的优势，是未来太阳能采暖方向，但我国北方许多地区目前还是习惯以户用采暖为主。北京市今年在延庆已经动工的180户的区域中建设集中供热管网，利用太阳能、地源热泵、土壤蓄热等技术实现太阳能区域供热的示范项目。西藏地区已开标的太阳能跨季节蓄热项目，都有望进一步推动太阳能采暖的技术进步。
二、典型案例及分析
1、太阳能户用建筑采暖应用
案例一、2010~2016年分布在河北省9市、29县1080余户“太阳能+多能互补采暖系统”。工程实景如下图：
工作原理：每户供暖建筑面积100m2，安装一套系统。系统由太阳能集热器、保温水箱、辅助能源（清洁炉具）、供暖末端设备、洗浴设备、管路和控制设备等组成。太阳能集热器将吸收的太阳能加热水存入保温水箱，通过供暖末端设备（本图为地暖，也可以为风机）用于建筑供暖，当太阳能不能使保温水箱中水的温度达到供暖要求时，由辅助能源（清洁炉具）提供供热需求。系统同时具有提供生活热水的功能。设计保证太阳能贡献率达到70%，余下30%（如阴天、雾霾天）由辅助能源补充供暖，因此系统集热器面积配置较大，达到33m2/100m2，这是该系统的突出特点。
1080户数据和效果统计：室内温度全部达到设计指标，用户可根据需要调节；提供了全年充足的生活热水；用户可以自主调整和延长采暖期，满足个性化需求；生活水平进一步改善提高。
下表为经济性分析：
主能源是可再生能源，环境效益好，节约社会环保治理费用；主能源低碳，符合能源结构变革，能源消费革命的战略方向；主能源廉价，除+电模式接近当地集中供暖费以外，全部模式运行费用低于当地集中供暖费，符合居民用得起方针；不再需要政府长期年度补贴，居民推广阻力小；主能源是新能源，初装费较高，但5年的总费用已经低于和接近单一常规能源总费用。
案例二、内蒙古包头市幸福路1号街坊“太阳能+空气源+电加热”采暖系统。工程实景如下图：
所在地冬季严寒，夏季炎热，昼夜温差大，无霜期较长，日照充足。全年日照时数2960小时。建筑采暖面积为100 ，属于老旧建筑，保温性能差，采暖末端为明装老旧铸铁暖气片。
工作原理如下图：
系统由太阳能集热器、储热水箱、空气源热泵、缓冲水箱、电加热元件、铸铁暖气片等组成。能源利用优先顺序太阳能、空气源热泵、电。对该建筑提供采暖和生活热水需求。集热器面积配置达到25m2/100m2左右。经济性分析：初装费：6万元以内。运行费用：目前室内温度均保持在19-22℃之间。极端天气室外零下28℃。最冷月平均每天采暖实际费用：0.43元/kWh×18kWh =7.74元；采暖季日平均耗电量：
9.5`11.2KWh；一个采暖季预计采暖费用：747~867元；采暖季每平方米采暖费用：7.5~8.7元。
2、带季节蓄热太阳能户用建筑采暖应用
案例：河北经贸大学太阳能跨季节蓄热采暖及热水应用综合项目（水体蓄热）。
项目采暖面积为8.3万m2，日用热水总量为121吨。采用横双排全玻璃真空管集热器1380组，铺设在14个宿舍楼楼面，共使用真空管6.9万支，总计集热面积1.16万m2，总储热水箱容量2万余吨，末端采用翅片式散热器采暖，集热器面积配置14m2/100m2左右。项目初期投资：4000万元，不含室内采暖末端和室内管路，折合到每平米建筑481元。年节约天然气1000万元左右。
工程实景如下图：
案例四、北京大兴榆垡镇刘家铺全村100户采用太阳能+地源热泵工程实景如下图：
工作原理：系统由太阳能集热器、地源热泵、保温水箱、采暖末端、土壤换热器、循环泵、控制系统等组成。太阳能与地源热泵结合，春季与秋季太阳能集热器采集热量，加热热水，储存在水箱中，在保证生活热水的前提下，将多余热量通过地埋循环管储存在地下土壤中。夏季建筑物制冷产生的热量也通过地埋循环管被换入地下土壤中蓄存。全年收集的太阳热能，向地下土壤输送并蓄存，冬季利用地源热泵采暖供热，实现全年的热量平衡。
经济性：
项目初投入约400元/m2，包括设备与安装的所有费用；项目2012年投入运行。经过2013年冬季和2014年全年运行后，性能达到夏季27℃，冬季18℃；第一年（2013年）冬季采暖开机时，地源侧供回水温度9-11℃。第二年（2014年）冬季采暖开机时，地源侧供回水温度13-15℃。100m2户均用电量：冬季3200kWh，夏季500kWh。全年运行费用低于5000kWh。
本项目是太阳能应用示范的又一种类型；初装费400元/m2，与案例一相当。项目特点是蓄热技术的应用，而且是季节性蓄热。一年后地源回水温度提升了4℃的数据，初步表明了蓄热技术的效果，地源供回水温度的提高为热泵性能的提升创造了条件；项目的运行费用低于目前北京地区热泵采暖运行费30%以上，说明了项目经济性可以通过技术进步而改善。
3、太阳能公共建筑采暖应用
案例五：太阳能在公共建筑上的应用——山东省乐陵市云红小学采暖系统。
工程实景如下图：
项目目属于公共建筑，只有白天的供暖需求，与太阳能供热时间十分匹配。该教学楼共计4层，采暖面积共计1907.79平方米。
项工作原理：系统由太阳能集热器、空气源热泵、保温水箱、采暖末端、控制系统、远程监控系统等组成。太阳能用于冬季采暖，系统优先使用太阳能热量进行采暖，如遇连续雨雪、雾霾天气，不足部分热量由空气源热泵提供。
监测数据分析：正常晴天时，太阳能可以满足采暖8小时用热量，与设计指标吻合，说明该建筑保温较好；晴天系统运行费用主要是集热循环泵、采暖循环泵、控制系统的耗电。监测每天约50kWh，整个采暖季（120天）约6000kWh。阴天或雾霾天需要启用热泵辅助，热泵匹配的为30P，监测每小时平均耗电为30千瓦时。此费用根据年度天气情况波动，若按18个阴天雾霾天计算，则整个采暖季热泵用电量为4320kWh。合计：6000+4320=10320，整个采暖季用电10320kWh，10320kWh&pide;1908平米=5.4度电/平米，折合5.4度/平方米•每个采暖季，远低于城镇集中供暖价格。
农村有大量公共建筑，如养老院、卫生院、学校、村委会、公共服务中心等。
案例六、阿坝州人民医院太阳能及水源热泵采暖项目，工程实景如下图。
项目地点：马尔康（阿坝藏族羌族自治州下辖县级市马尔康市，位于青藏高原南缘，在四川盆地西北部）工程时间：2015.6-2016.1。项目规模：采暖面积25000平方米，集热面积4200平方米，输入功率265KW的水源热泵机组2台。采用真空管型集热器、地面辐射采暖，辅助热源水源热泵，室内温度20℃，系统已成功运行2个采暖季。
4、太阳能在其他建筑的采暖应用
案例：内蒙古锡林郭勒盟蒙古包采暖系统。
工程实景如下图：
工作原理：系统由太阳能集热器、集热水箱、储热水箱、采暖末端、控制系统等组成。系统采用了保温墙、双层节能门窗、太阳能主被动采暖、光伏遮阳技术。
经济性分析：
监测数据显示为2017年2月5-11日，锡林浩特太蒙包室内温度的数据，基本上就在20℃上下浮动，温度振幅也符合人们生活舒服温度。通过一个冬季的运行测试，完全可以保证室内18℃以上，在最低气温时每天耗电量在5～10kWh，整个冬季大约40天时间需要电加热辅助采暖。
案例八、四川省理塘县太阳能生态园供暖应用。项目地点：四川省甘孜藏族自治州理塘县国税局。工程时间：2015.9-2015.11。项目规模：20×10米，采用真空管型集热器、低温风机盘管末端，室内温度15℃，该系统已成功运行2年。工程实景如下图：
案例九、大连希奥特太阳能有限公司综合楼采暖制冷热水联供系统。工程实景如下图：
该项目建筑面积5120平方米，实现太阳能供热、采暖、制冷的联供系统，2011建成，2013年通过住建部鉴定，目前已稳定运行7年，2016年夏天日本矢崎专家考察后评价为中国太阳能低温制冷最佳工程。项目总投资260万元，折合每平米507.8元，年运行电费73747元，折合每平米14.4元，使用寿命期20年，通过近几年技术进步，总投资可降为180万元，折合每平米350元，运行费用不变，经济性又进一步提高。
三、展望
太阳能采暖特别是储热技术的研究在国际上已经有近40年了，从早期瑞典岩洞，水坑，钻孔等方式建模；到90年代末德国水箱，钻孔，水池等储热示范项目；再到丹麦世界领先水平的水坑蓄热项目；以及2016年加拿大通过钻井获得太阳能保证率100%记录。
今年5月北京市建筑节能与环境工程协会太阳能专委会组织了对加拿大阿尔伯塔省德雷克太阳能社区(DLSC)太阳能土壤蓄热供暖项目进行了考察。该项目是由安装在车库屋顶上的太阳能集热器得到热量，通过地下土壤季节性储热实现52户家庭，为期6个月的采暖期供暖。
项目由加拿大自然资源部能源技术中心实施，随着蓄热量的升高，辅助能源陆续退出系统，实现了全部由太阳能供暖，2016年全系统供暖COP值达到17。项目集热、短期储热原理与我国目前太阳能采暖案例大同小异，季节蓄热由分布在直径35m区域，深35m的144个钻井，插入U型管组成，形成33,700m³容积的土壤蓄热体，相当水容积15,800m³。
科学技术是无国界的，北京市考察团回来后，信息迅速在业内传开，在国家层面没有支持政策的情况下，一些太阳能热利用企业已经开始学习、研究和建设应用示范项目，有望进一步提高我国太阳能采暖的蓄热技术水平，改变主要依赖化石能源采暖的能源结构。
四、结语
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。发展太阳能采暖符合能源替代、能源革命的方向。大量案例说明太阳能采暖具有适合分布式供能，适应区域宽，运行费用低，既符合居民用得起的方针，又能显著提高生活水平等特点。
太阳能采暖需要辅助能源配合，因此相对其他能源，初装费较高，但一是太阳能贡献率较高的太阳能+供暖系统不需要政府长期补贴，综合成本并不高；二是可以通过技术进步降低初装费；三是可以通过蓄热提高太阳能贡献率，进一步改善经济性；四是可以通过区域供暖规模化降低初装费。发挥好政府、市场两只手的作用，勇于创新，善于总结，就一定能不断提高我国太阳能采暖的技术水平。
注：作者系中国能源行业协会太阳能专委会张晓黎。
