薛道荣 于佳卉 韩成明

0 引言

2019 年，在河北省邢台市威县成功实施的1 万户“光热+”电户用采暖系统，充分体现了中温太阳能光热系统的高效、速热、防冻等高可靠特性，以及与常规电能设备优势互补的特性。该项技术的推广应用，有效地推动了太阳能光热从低温热水向中温供暖应用的产业转型升级。

目前，中温“光热+”户用供暖系统已经从河北地区向山西、山西、内蒙古、东北、西北地区辐射。中温“光热+”户用供暖系统区域适用性问题逐渐凸显出来。中温“光热+”户用供暖系统应与区域进行适用性匹配设计，并通过分析设计、试制示范，逐步实现产业化，规模化，市场化。

1 区域特性

《民用建筑设计统一标准》（GB 50352-2019）将中国划分为了7 个主5 261 气候区，410 220 个子气1 653 候区。

1.1 Ⅰ建筑气候区

严寒地区，该区冬季漫长严寒，夏季短促凉爽，西部偏于干燥，东部偏于湿润；气温年较差很大；冰冻期长，冻土深，积雪厚；太阳辐射量大，日照丰富，冬季达半年且多大风。

1.2 Ⅱ建筑气候区

寒冷地区，该区冬季较长且寒冷干燥，平原地区夏季炎热湿润，高原地区夏季较凉爽，降水量相对集中。气温年较差较大，日照较丰富，春秋季短促，气温变化剧烈，春季雨雪稀少，多大风、风沙天气，夏秋多冰雹和雷暴。

1.3 Ⅵ建筑气候区

严寒地区，1月平均气温0～-22 ℃；7月平均气温＜18℃。包括拉萨、西宁。该区的建筑物应充分满足防寒、保温、防冻的要求，夏天不需考虑防热。ⅥC 区和ⅥB 区尚应注意冻土对建筑物地基及地下管道的影响，并应特别注意防风沙。VIC 区东部建筑物尚应注意防雷击。该区长冬无夏，气候寒冷干燥。

1.4 Ⅶ建筑气候区

严寒地区，1 月平均气温-5～-20 ℃；7 月平均气温≥18℃；7 月平均相对湿度＜50%。包括银川、乌鲁木齐。该区的建筑物必须充分满足防寒、保温、防冻要求，夏季部分地区应兼顾防热。该区大部分地区冬季漫长严寒，南疆盆地冬季寒冷。1 月平均气温为-20～-5℃，极端最低气温为-50～ -20℃。

1.5 其他地区

Ⅲ建筑气候区：夏热冬冷地区。

Ⅳ建筑气候区：夏热冬暖地区。

Ⅴ建筑气候区：温和地区。

1.6 区域特性

由上述分析可知，区域特性主要体现在以下几个方面：

（1）冬季环境温度影响；

（2）雪量及积雪程度；

（3）风速。

（4）建筑特性。

2 技术特点

2.1 组成

如图1 所示，中温“光热+”户用采暖系统是中温太阳能光热系统耦合常规清洁能源，以户用供暖为主要用途的综合能源系统。主要包括：太阳能光热系统、辅助能源系统、室内散热末端、循环管路泵阀及云平台控制系统等。

图1 中温“光热+”户用采暖系统

2.2 光热系统

主要包括全玻璃真空太阳集热管、储热水箱、支架、连接管路等部分组成。

通过太阳能吸热元件——全玻璃真空太阳集热管将太阳能转化为满足供热采暖要求的热能的集热、储热、供热系统。白天太阳能光热系统充分发挥白天太阳能免费的优势，吸收太阳能转化热能，通过循环系统将热能输送到室内散热末端，对采暖房间进行持续供热采暖，且可提供四季生活热水。

2.3 辅助能源系统

主要有燃气炉、生物质锅炉、醇基燃料锅炉、热泵、电锅炉或电加热器。晚上或太阳能不足时，实时启动辅助能源系统进行室内供热采暖。

2.4 云平台控制系统

采用云平台控制系统，实现太阳能光热系统、辅助能源系统（电辅助系统或醇基燃料锅炉系统）的自动联动控制运行，同时实时上传系统信息，实现实时监控。

2.5 采暖末端

常用水暖采暖末端主要有：（1）水暖气片：包括配置辅助能源用水暖器，及内置电加热水暖器。当采用内置电加热水暖器时，则不需要配置辅助能源。（2）风机盘管：包括配置辅助能源用风机盘管，及内置电加热风机盘管。当采用内置电加热风机盘管时，则不需要配置辅助能源。（3）地暖：需要和辅助能源配置使用。考虑水温过高导致地暖过热损坏问题。

3 影响因素及解决方案

3.1 集热管

现用集热管主要分为全玻璃真空太阳能集热管和全玻璃热管真空太阳集热管。区别在于管内无水相变换热，或管内有水对流换热。

在严寒地区及部分寒冷地区，冬季环境温度较低易冻地区，应选用全玻璃热管真空太阳集热管，以发挥其防冻，防垢、防漏、防炸、速热的优势。

在部分冬季环境温度较高的寒冷地区，如北京以南地区时，如考虑到成本因素时，可选用全玻璃真空太阳集热管。但应优先考虑选择全玻璃热管真空太阳集热管。

优先考虑选择全玻璃热管真空太阳集热管的区域，当冬季雪量较大时，集热管圆头处容易积雪地区，应考虑圆头处积雪遮盖问题。主要是影响启动速度，少量影响得热量。

3.2 储热水箱

3.2.1 冻堵问题

现有水箱为开式非承压水箱，采用上排气结构。当水箱温度较高时，水箱内的水蒸气从上排气口排出，遇到冷空气易凝结在上排气口形成结冰，导致上排气口冻堵现象。冻堵时存在如下风险：（1）室内系统维护放水时，将造成水箱负压吸憋。（2）水箱内水温过高，压力过大，可能导致耐压薄弱位置脱离原位。因此，光热采暖机排气口应做防冻测试，消除冻堵隐患。

3.2.2 水箱冻问题

一般如无连续雪天，太阳能集热管均可吸热热能，并加热储热水箱内的水。

考虑到极寒连续雪天，且集热管被覆盖无法加热情况下，储热水箱内的水因散失热量而存在结冰的可能。考虑到储热水箱即使是100%水位条件下，上部仍有结冰膨胀空间。因此结冰导致水箱胀坏的可能性较小。

当晴天时，集热管吸收热量，可将水箱内的冰逐渐融化，正常使用。

3.2.3 水箱排孔间距

冬季雪量较大地区，建议增大排孔间距，防止积雪覆盖集热管，影响集热。考虑到综合成本，可将管间距从75mm 调整到80mm 或85mm。管间距增大近30%。对于雪量不大地区，则可以维持75mm 管间距。

3.3 支架

冬季雪量较大地区，可采用5821 支架代替5818 支架，其他水箱，集热管规格不变，则可通过抬高支架，减轻或消除集热管积雪覆盖问题。

考虑到系统以冬季供暖应用为主，安装角度一般应以当地纬度为基准，增加5～10°设计，一般不低于45°。应充分考虑安装朝向和遮挡问题。

3.4 管路防冻

太阳能冬季用热时，管路防冻是主要问题之一。常用方法主要有：（1）伴热防冻：极寒地区室外管路极易冻堵，采用伴热带防冻时将耗费大量电能，运行成本较高。对于部分寒冷地区，在极寒天气条件下管路冻堵时，可采用伴热带化冻使用。（2）循环防冻：极寒地区室外管路极易冻堵，采用循环防冻时将耗费大量热能，热能损失大，运行成本较高。且当冻堵时，无法用循环防冻化冻，需要配置伴热带防冻。

3.5 辅助能源

（1）因地制宜，充分发挥当地辅助能源优势，有效实施与太阳能光热优势组合。

（2）电能辅助时，考虑电网增容问题。燃气辅助时，应考虑燃气供应价格和稳定问题。

（3）生物质辅助时，考虑生物质原料来源，及与锅炉适应性问题。

3.6 采暖末端

无论采用何种水暖末端，在冬季不供暖时都应考虑管路排空，防止结冰冻坏问题。

北方供暖区域主要以水暖气片为主。现有系统适合常规水暖气片供暖和地暖供暖。

对于间断性供暖需求的区域，特别逐渐提出供暖需求的南方地区，可选择水暖风机盘管。

3.7 云控制器

以现有2G 或4G 模块云控制器较为适宜，可以实施远程监控，实时了解用户使用情况，系统采暖季节运行费用情况。

4 系统耦合优势

区别于常规太阳能热水系统仅能用于45℃生活热水应用，太阳能光热供暖系统可提供60℃以上冬季供暖应用，以及四季生活热水应用。太阳能光热供暖系统能源来源于太阳能，具有显著的免费、节能、减排、降费、降耗的优势。因此，太阳能光热系统节能量取决于安装数量的多少。安装得越多，则节省采暖运行费用越多。但初投资越多，非采暖季或采暖初期能源浪费也多。因此，应充分考虑初投资成本、供暖面积和常住人口数量等因素，应合理配置太阳能光热系统安装量，一般集热面积对比有效供暖面积配置按1:5～1:10 选用。

太阳能光热系统可以与常规电、燃气、生物质等多种能源和设备进行耦合应用。因地制宜地选择适合当地的清洁能源作为辅助能源应用，充分发挥常规能源的稳定性、保障性优势，实现中温太阳能光热系统和常规能源的优势互补。最终实现中温“光热+”户用供暖系统稳定、可靠、低成本、高效率供暖应用。

5 结论

中温太阳能光热供暖系统能够很好地适应中国北方各个地区的供暖区域需求，具有显著的免费、节能、减排、降费、降耗效益；中温“光热+”户用供暖系统实现了中温太阳能光热供暖系统和各种常规能源系统的优势互补和耦合，充分体现了两套系统的耦合互补关系，而不是竞争关系。因此，随着北方清洁能源供暖项目的逐年推进，以及双碳目标的确定，中温“光热+”户用供暖系统将在北方清洁能源用户供暖市场应用中逐步取得主要地位。