摘要：隨著村鎮建筑用能需求的不斷增長，太陽能熱利用系統得到了越來越廣泛的應用。根據目前村鎮地區經濟水平，開發了一種適用于村鎮建筑的太陽能供熱采暖組合式熱力站。該熱力站將系統的動力部分、配電部分、控制部分和水處理部分等大部分設備部件集成為一體，可以實現與儲熱水箱、太陽能集熱系統、供暖系統和生活熱水系統的完美對接，其操作簡便，而且有效降低施工量與成本，對促進村鎮地區太陽能供熱采暖系統的推廣應用有重大意義。
1引言
目前，村鎮地區太陽能熱利用形式仍以太陽能熱水器提供生活熱水為主。近年來，隨著農民生活水平日益提高，居住條件不斷改善，使用太陽能提供生活熱水在節能、方便、安全、無污染等方面的優點也逐漸被認識和接受。雖然太陽能熱水在村鎮地區得到了廣泛的應用，村鎮居民太陽能熱利用意識有所提高，但是太陽能熱利用形式單一，利用尚不充分。為提高能源利用率，節省常規能源消耗，村鎮地區迫切需要鼓勵推廣太陽能供熱采暖系統。
2技術現狀
近些年，我國開展了多項村鎮建筑主動式太陽能供熱采暖系統研究和示范，先后在北京市平谷區掛甲峪村、將軍關村、玻璃臺村示范建設了太陽能供熱采暖系統新民居，有效推進了太陽能熱利用技術在村鎮地區的應用，并已經取得了一定的示范效果。
目前，太陽能供熱采暖系統多由建設單位委托設計單位及太陽能產品設計、安裝，建設流程與一般建筑工程大致相同。針對村鎮地區，由于存在著各用戶建筑形式不統一、用戶經濟條件和實際需求、日常維護管理要求簡單等多方面的限制，且村鎮建筑多為自建房，一般無設計圖紙和專業施工隊伍，技術力量薄弱。如村鎮地區推廣應用太陽能供熱采暖系統完全按照一般工程建設思路進行，在建設過程中用戶與專業技術人員需長時間溝通配合，并且系統各組件受供貨周期影響，可能導致施工周期較長、用戶可接受性降低等問題。
目前市場上已有的太陽能熱力站相關產品，主要是為了滿足城鎮居住建筑使用需求，為節約居住空間，熱力站集成度非常高，因此采用了小型化高效循環泵和高效換熱部件，內部管路多采用銅管或不銹鋼管材質，控制模塊功能復雜，且設置有多個電動閥，導致熱力站產品價格較高，不適合在村鎮地區推廣使用。
綜上所述，探索開發適合村鎮地區推廣應用的太陽能供熱采暖系統，應具備功能簡單、性能可靠、模塊化安裝、施工簡易、成本低廉、運行操作簡便、后期免維護等特點。
3產品開發思路及技術特點
3.1產品開發思路
在傳統集中供暖系統中，熱力站是熱源與用戶的連接站。
為提高系統集成度，節約機房占地面積，降低熱損失及輸送能耗，在集中供暖系統中引入了組裝式熱力站成套裝置概念。通過在傳統供暖系統中設置組裝式熱力站成套裝置，對于提高傳統供暖系統的集成度、優化控制以及降低施工安裝周期等具有顯著的效果。
太陽能供熱采暖組合式熱力站開發時借鑒熱力站成套裝置設計思路，即通過集成整合核心部件，形成太陽能供熱采暖系統中集熱系統、儲熱水箱、輔助熱源系統、生活熱水供應系統及供暖系統的連接站。但是，與該裝置相比，由于太陽能供熱采暖系統增加了集熱裝置、儲熱水箱及輔助熱源，其形式復雜，控制系統繁瑣，對施工工藝要求較高，對成套產品開發有一定影響。
綜上，結合太陽能供熱采暖系統自身特點，太陽能供熱采暖組合式熱力站按以下思路進行：
1.對太陽能供熱采暖系統組成的核心部件進行整合，形成模塊化產品，以提高系統集成度，簡化系統形式;
2.預留與集熱系統、供暖系統、生活熱水系統及輔助熱源系統管路接口，以簡化施工工藝，方便現場安裝；
3.控制系統簡單，以方便用戶操作使用；
4.價格低廉，符合村鎮地區的消費水平。
3.2具體實現形式
太陽能供熱采暖組合式熱力站采用角鋼焊接搭建整體框架，產品框架外圍預留與貯熱水箱、集熱系統、供熱采暖系統接口，與相關系統安裝時通過油任即可實現管道直接連接。核心部件集熱循環泵、采暖循環泵、溫度采集控制系統等在產品框架中預留安裝位置，通過利用管道支架、螺栓對設備及部件進行固定。產品框架中預留的安裝位置能夠實現不同型號設備靈活連接，滿足村鎮用戶不同建筑面積供暖及生活熱水需求。控制箱與水泵等設備分層布置，控制箱應位置于其他設備上方，并在水平方向與垂直方向預留一定間距，防止漏水電擊。控制系統集中位于控制箱中，主要由成型的溫度控制模塊及溫差控制模塊構成，可實現溫度及溫差設定與控制、設備啟停等自動或手動控制功能。
筆者在中國建筑科學研究院內自行組裝搭建了太陽能供熱采暖組合式熱力站，該產品由集熱系統循環水泵、供暖循環泵、控制箱、補水定壓裝置等設備構成，適用于建筑面積為150m2的村鎮住宅。該產品整體框架外圍預留管道接口，方便與其他系統連接、安裝。控制箱內的溫度控制模塊采用HS-611+升降溫兩用溫控表，溫差控制模塊選用HS-652型溫差比較循環溫控表，兩類控制模塊均可顯示實時采集溫度，并可手動設置設定溫度（溫差），溫度探頭采用3380型熱敏電阻，測溫誤差均為±0.5℃。太陽能供熱采暖組合式熱力站裝配及實物如圖1～圖2所示，產品選用的溫度控制模塊和溫差控制模塊如圖3所示。
3.3產品技術特點
太陽能供熱采暖組合式熱力站具有體形緊湊、安裝方便、操控簡單、價格低廉、配置靈活等特點。
該產品將系統的動力部分、配電部分、控制部分和水處理部分等大部分設備部件集成一體。產品框架外形尺寸長510mm、寬370mm、高1670mm，占地面積約0.19m2，占用空間少，大大節約了安裝占地面積。
該產品預留管道接口，可以實現與儲熱水箱、太陽能集熱系統、供暖系統和生活熱水系統的完美對接，施工安裝方便,建設過程要求專業人員參與度小。
該產品設計人性化，溫度控制可以根據實際需要進行設定調節，全部控制操作均可實現手自動轉換，簡單實用，便于用戶操作。控制系統中采用的溫度控制模塊及溫差控制模塊可直接采購，控制系統無需程序開發，控制穩定可靠，精度符合運行要求，進一步降低了成本。
該產品以150m2建筑面積為基礎設計計算，適用于一般村鎮家庭。該組合式熱力站可根據不同建筑形式、不同采暖末端以及不同集熱器產品，靈活配置內部設備及配件，并可根據不同規模形成系列，在形成產品樣本手冊后，用戶可自行訂制相應產品，具有非常好的產業化前景。
3.4實際工程應用
3.4.1應用系統介紹
太陽能供熱采暖組合式熱力站組裝搭建完成后，基于簡單、經濟、實用的原則，筆者在中國建筑科學研究院內將該產品應用于太陽能供熱采暖系統中，并與相應的集熱系統、儲熱水箱等進行了連接與安裝。
與該產品匹配的太陽能集熱系統、儲熱水箱采用直接連接方式，集熱系統熱媒為水，選用的平板型集熱器總面積10m2，儲熱水箱容積1180L；生活熱水供應依靠自來水頂水方式供水，系統預留輔助熱源接口，供暖末端采用散熱器。用于實現太陽能供熱采暖系統控制功能的所有控制設備和配電系統集成在該產品的控制箱內，設備的啟停均可實現手自動轉換。控制箱內的溫度控制模塊、溫差控制模塊及集熱系統、儲熱水箱內設置的溫度測點，用于實現集熱系統運行控制、高溫保護控制、輔助熱源控制及落水式防凍實施控制等。太陽能供熱采暖系統原理如4所示，集熱系統安裝如圖5所示。
與太陽能供熱采暖組合式熱力站匹配的系統建成后，對整套系統通水通電，并進行了調試。經過長時間運行，結果表明：該組合式熱力站可滿足系統穩定運行要求，在整個太陽能供熱采暖系統中起到提供循環動力、補水定壓、水質保證作用。該產品的控制箱可有效實現對溫度、溫差控制功能，集中控制設備啟動、停止；同時能夠按照需要自行設定溫度及溫差，控制精度滿足村鎮地區要求。
應用了太陽能供熱采暖組合式熱力站的太陽能供熱采暖系統在全天運行，白天太陽輻照充足時充分集熱，經由組合式熱力站將熱量蓄存至儲熱水箱，為采暖系統及生活熱水系統提供熱源；夜晚有凍結風險或太陽能輻照不足時，可手動開啟防凍功能，實施落水式防凍控制；輔助熱源與供暖循環泵按照設定溫度自動或手動控制啟停，便于用戶根據實際情況進行調節。
系統運行一段時間后，為驗證太陽能供熱采暖系統運行效果，在系統上安裝溫度傳感器、流量計、輻射表、風速儀等裝置；在未設置輔助熱源的情況下，對相關參數進行了現場測試，檢測數據及計算結果如表1所示。
根據表1測試數據表明，在室外環境溫度0℃~7℃，太陽輻照量7MJ/m2~16MJ/m2范圍內，僅依靠太陽能集熱系統為房間進行供暖，室內平均溫度至少可達到10℃~13℃，基本滿足白天生活起居需要，系統運行狀況良好，達到了預期效果。如村鎮用戶實際使用時結合生物質鍋爐或電鍋爐等設備作為系統輔助熱源，可有效改善冬季供暖室內熱環境、提高熱舒適度。
4經濟性分析
太陽能供熱采暖組合式熱力站由2臺水泵、2個溫度控制模塊、1個溫差控制模塊、1套定壓補水設備、若干閥門及油任等設備及組件構成，所有設備及組件均為市場成熟產品，整套產品造價約1500元。其中，控制系統無需程序開發，產品選用的溫度控制模塊與溫差控制模塊價格僅為45~59元，價格低廉，簡單實用，控制穩定，完全滿足村鎮居民使用需求。
應用了該組合式熱力站的太陽能供熱采暖系統總投資約為2萬元，折合每平方米集熱器面積為2000元，每平方米建筑面積約為133元，平均增投資約為33元/m2。該組合式熱力站可靈活配置相關設備，形成產品系列后，用戶可以直接采購。
產品運抵現場后方便用戶快速安裝，有效地降低了施工安裝量，對太陽能供熱采暖系統降低造價具有顯著的作用，并且有利于在村鎮地區推廣使用太陽能供熱采暖系統。
5結語
1.太陽能供熱采暖組合式熱力站可滿足太陽能資源在三類地區以上，建筑面積為100m2~150m2的村鎮住宅供暖和生活熱水一般需求，其應用可推廣到我國大部分北方供暖地區。
2.該組合式熱力站集成度高，安裝方便，使用簡單，價格低廉，可有效調動村鎮地區居民應用太陽能供熱采暖的積極性，促進村鎮地區太陽能供熱采暖系統的推廣應用。
3.該組合式熱力站可與生物質燃燒設備等熱源配合使用，可進一步降低傳統能源消耗，減少污染物排放。
4.該組合式熱力站可按照不同建筑形式及使用需求形成產品系列，用于集成化生產，具有非常好的產業化前景。
