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创新 | 一种高效太阳能供热供暖系统问世

作者:admin 发布日期: 2019-11-05 二维码分享
能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源,从能源生产和利用形式看,主要可分为热能、电能、冷能、机械能和原料用能等。热能的生产主要包括燃料燃烧(煤炭、石油、天然气、生物质能等能源的燃烧)、太阳辐射能光热转换、热泵制热(空气源、地源、水源热泵等)、电加热、地热、核能等;电能的生产主要包括燃料燃烧产生动力带动发电机发电(如火电厂发电),水电、光电、风电、核电,波浪、潮汐等发电,燃料电池,势差(温差、浓度差)发电等;冷能的生产主要包括压缩制冷、吸收式制冷、热电制冷、气体涡流制冷、固体吸附制冷等;机械能的生产主要采用汽油发动机、柴油发动机、航空发动机等;能源作为原料主要包括化石能源制取化工产品等。
综合来看,热能是经济社会发展过程中利用范围.广泛、利用量.大的能源品种,涉及火力发电、工农业生产、建筑供热供暖制冷、交通运输和居民生活等各个领域和全过程,如果包括中间环节,我国以热能的形式消耗的能量占全社会能源消费总量的80%以上,因此,如果从源头解决热能的获取问题就可以从根本上解决我国的能源问题。
一、国家清洁供暖新要求
2016年12月21日,习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上指出,“推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针,宜气则气、宜电则电、尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重”。2017年12月,国家发展改革委等十部委印发《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》,提出北方供暖建筑面积206亿平方米,2016年底清洁供暖面积仅占34%,到2021年要达到70%,新增清洁供暖面积超过70亿平方米。
目前,清洁供暖主要四种途径:清洁煤炭供暖、煤改气、煤改电(包括空气能热泵)、太阳能等可再生能源供暖等。从经济性看,清洁煤炭供暖成本较低,但固有污染问题难以有效解决,煤改气和煤改电成本较高,政府需承担巨额补贴,难以为继。若新增70亿平方米供热面积全部实施煤改气,则每年新增天然气消费1000亿立方米,政府补贴约1000亿元/年,且补贴后,居民供暖成本仍将增加50%以上,大量使用优质能源天然气进行供暖是一种浪费,另外,国内天然气保障能力不足,需要大量进口,导致能源对外依存度攀升,能源安全面临严峻挑战;若全部实施煤改电,则每年新增用电5000亿至8000亿千瓦时,政府补贴约1000-2400亿元/年,补贴后,居民供暖成本仍增加50%以上;若使用太阳能空气能联合供暖,则每年新增用电2000亿千瓦时,政府补贴约400-600亿元/年,是.经济、.节能、.环保的清洁供暖模式。
二、新型太阳能供热供暖系统
目前,太阳能工程应用范围越来越广,但其自身存在的不足制约了太阳能供热供暖项目的发展,主要问题有:一是系统全年均在不断对外散热,特别是2/3以上没有光照的时间,散热量大;二是风吹雨打日晒影响系统可靠性和寿命;三是冬季效率低,北方地区不足20%,无法满足冬季供暖需求;四是占地面积大,土地资源利用率低;五是非供暖季系统过热严重,容易造成一些橡胶件老化,导致真空管炸管,影响管道的寿命;六是现有太阳能集热主要用于居民热水,工业大规模供热和冬季供暖等市场还有待开发。

太阳能热水

                                                                                                                   图1 传统太阳能系统和全年集热效率

太阳能热水

图2 新系统与传统太阳能系统

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图3 2018年4月至2019年2月两套太阳能系统效率情况
为高效合理利用太阳能资源,我们开发了一系列太阳能蓄热、供热、供暖、制冷、发电系统,适用于不同需求,破解了太阳能集热效率高、系统效率低,夏季效率高、冬季效率低的现实难题,可以大规模应用于北方地区冬季清洁供暖和工农业生产。经实验验证,达到了预期效果,新型太阳能系统具有以下特点:
一是效率高,单位占地面积太阳能效率达到50%以上,比现有太阳能集热系统高出20%,其中冬季效率达到40%,比现有系统高出....-300%。
二是经济性好,太阳能保证率高,辅助系统投资下降、辅助能源消耗低;单位供热量投资和运行成本低,回收周期短,清洁供暖回收周期约5-8年。
三是可靠性高,降低恶劣自然天气对系统的不利影响。
四是适用范围广,可应用于农业、工业、建筑、交通、居民生活等各个领域。
五是土地利用率高,单位供热量占地面积下降20%-50%。
六是节能减排效果显著,1万平方米可供5-10万平方米建筑,节约大量优质能源如天然气、电力等,降低能源对外依存度,减少污染物排放。

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图4 不同供热方式投资运行成本比较
根据有关数据,煤炭、天然气、电力、外购热力、河北经贸大学项目,每GJ费用分别为41元、116元、289元、110元和220元,与以上方案相比,我们设计的方案获得每GJ热量的成本仅33元,属于以上方式中.低的,具有很大经济效益和大规模推广应用前景。

表1  不同方案经济效益比较

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三、应用领域及市场
按照北方地区200亿平方米供热面积计算,仅北方地区居民供暖年市场规模就达到5000亿元,如果考虑未来长江流域冬季供暖以及全国酒店、宾馆、居民生活、工业用热水、冷量等,预计太阳能供暖供热制冷市场规模超过3万亿元。随着科技的创新,太阳能利用成本在不断下降,能源供求正在向工程市场偏移。来自太阳能热利用产业联盟的数据显示,2018年,全行业工程市场比重已经超过70%,且比重在不断提升。这其中,由于太阳能跨季节蓄热采暖投资少、成本低、清洁环保而越来越受到重视。除了民用太阳能热水工程以外,宾馆、酒店、医院、学校、造纸、食品、医药、化工、林渔等农、工、商领域的太阳能加热、制冷、采暖有很大的拓展空间,大规模太阳能跨季蓄热采暖供热制冷将成为能源转型新路径。
今后,太阳能热利用将在以下几个方面得到长足发展:
一是农村和城镇住宅建筑、公共建筑、经济适用房、廉租房的太阳能热水系统。
二是太阳能供暖和制冷技术,在东北、华北、西北地区太阳能与常规能源的融合,进行供暖,在需要冷热双供的华东、华中地区以及传统集中供暖未覆盖的长三角、珠三角等地区,将重点采用太阳能、地热能供暖制冷技术,建设太阳能热水、采暖和制冷的三联供系统。
三是在工业园区,积极推进太阳能供热与常规能源融合,推动工业用能结构的清洁化,在印染、陶瓷、食品加工、农业大棚、养殖场等用热需求大且与太阳能热利用系统供热匹配的行业,充分利用太阳能供热作为常规能源系统的基础热源,提供工业生产用热,推动工业供热的梯级循环利用。
四是利用太阳能集热产生的热能进行发电,如槽式太阳能热发电系统、蝶式太阳能热发电系统、塔式太阳能热发电系统或利用螺杆膨胀机进行发电等。
经过努力,到2035年,太阳能系统综合利用效率可达到60%以上(光热利用,比目前提高20个百分点左右),实现替代化石能源消费20亿吨标准煤,拉动全社会投资20万亿元,年节约全社会用能成本4万亿元,减少一半以上煤炭消耗,实现天然气自给自足,我国可成为能源净出口国,真正实现能源生产和消费革命,为建设美丽中国和基本实现现代化提供能源保障。