北京密云區石城鎮桃花地新村太陽能供熱采暖工程位于密云區石城鎮政府以北一公里路邊，密云水庫西側。
密云水庫是幾千萬北京居民的“生命之源”。保護水庫周邊環境的重要性是不言而喻的。以前農村居民多采用小型燃煤爐+散熱器自然循環的形式進行采暖，這種方式排放大量污染物，造成嚴重的大氣污染，大氣污染中的有害物質部分通過降雨（雪）威脅到水庫水質保護。太陽能作為新能源和可再生能源的一種，是取之不盡、用之不竭的潔凈能源。利用太陽能采暖技術減少大氣污染是落實首都藍天行動的重要途徑之一。因此石城鎮政府在桃源新區建設中采用了新型綠色房屋并安裝了太陽能采暖系統，結合水箱內置電加熱替代了散煤燃燒取暖系統，盡可能的減少污染物的排放，保護水庫環境。
石城鎮桃花地新村建筑為單體獨棟住宅，共45棟，每棟2層，采暖面積200平方米左右。該建筑的圍護結構較好、保暖性能良好；屋面為坡屋頂，主體朝向為正南方向，采光條件良好，適宜于安裝太陽能集熱器。
本項目建筑形式為二層，由于受屋頂安裝面積限制，每戶只能安裝18㎡平板集熱器，冬季為住戶一層提供地板低溫輻射采暖，達到部分節能的目的。春夏秋季為用戶提供充足的生活熱水。除了連續陰天等不利氣象條件，太陽能系統可以完全滿足三季生活熱水的需要。當太陽能不能滿足需求時，輔助熱源電加熱滿足用能要求。建筑二層的采暖根據需要使用空調解決。
2、系統設計
2.1 設計原則
本系統考慮到采暖的季節性，因而確定的設計原則是：在采暖期，太陽能供熱采暖系統主要用于采暖，同時提供少量的生活熱水；在非采暖期，太陽能供熱采暖系統為住宅提供生活熱水，做到全年綜合利用，從而使整個系統產生更大的經濟效益。
2.2 系統組成及運行原理
圖1給出了密云石城鎮太陽能供熱采暖系統的原理示意圖。該系統由太陽能平板集熱器、水箱（含電加熱器）、循環管路、控制系統、地板采暖系統、水泵、洗浴噴頭等組成。太陽能集熱器安裝在屋頂南坡，水箱、水泵及控制系統都安裝在一層廚房間內。
太陽能集熱系統采用溫差循環方式，落空式防凍防過熱設計。在集熱器上集管和儲熱水箱下部設立兩個溫度測點（T1和T2），當T1與T2溫差高于設定上限溫差，太陽能循環泵開始運行，把集熱器吸收的太陽能能傳輸到儲熱水箱；當T1與T2溫差低于設定下限溫差，太陽能循環泵停止工作；在冬季當T1達到防凍警示溫度后，循環泵停止工作，太陽能集熱器中的水在重力作用下回流到水箱，實現排空防凍；在非采暖季，只要水箱高于設定最高溫度，循環泵停止工作，集熱器中的水回流到水箱，系統停止往水箱輸送熱量，集熱器逐步達到悶曬平衡狀態，實現排空防過熱。
系統實現全自動運行，當需要采暖時，開啟采暖循環泵，將儲熱水箱的熱量通過管路和地板采暖系統送到房間中，以提高房間溫度，達到提高和保證室溫的目的。
系統為全系統節能運行模式，分為不同時間、不同季節相互配合切換使用，使整套供暖系統達到最佳的節能效果。
由于太陽能受天氣和室內管道散溫情況的制約，為了能夠很好的滿足用水的要求，太陽能系統設計輔助熱源，本工程采用電加熱系統作為輔助熱源。電加熱系統簡便易行通電即可使用。在陰雨天太陽能提供的熱水不能滿足用熱要求時，微電腦控制器開啟輸出信號，開啟輔助電加熱系統，當太陽能供熱溫度高于或達到正常供熱值時，輔助加熱系統停止加熱。最大限度地利用太陽能，達到節能的目的。
2.3 系統技術特點
2.3.1 與建筑相結合設計
本采暖系統在設計時首先考慮太陽能與建筑相結合設計問題。集熱元件采用平板集熱器，與屋面平行安裝，與建筑協調美觀；同時，為了房屋內部的美觀，集熱器的循環管路布設在墻內。
2.3.2 垂直分層復合儲熱水箱
本太陽能采暖系統采用復合水箱，屬國內首創技術應用，該水箱將開式儲熱水箱和閉式生活熱水水箱嵌套在一起。儲熱水箱設計成開式水箱適宜于落空式太陽能系統；閉式生活熱水水箱利用水箱壁面進行換熱，省去換熱系統，并利用自來水管網壓力提供洗浴用水，系統結構簡單，成本低。生活熱水水箱與太陽能集熱系統和采暖系統隔開，并采用搪瓷水箱，保證生活熱水達到飲用水水質；嵌套水箱還可以大大提高非采暖季的熱水供應量；太陽能系統與采暖系統為直接系統，不設置換熱裝置，可降低太陽能系統工作溫度，提高太陽能的集熱效率。
水箱另一個顯著特點是設計成垂直分層水箱。垂直分層水箱工作原理是利用水在不同溫度下的密度差，實現同一水箱可以產生不同的溫度分區，即低溫的水位于水箱底部，高溫的水位于水箱上部，相互不摻混。太陽能集熱器與分層水箱下部相連；采暖系統與水箱中部相連；水箱上部水溫最高，布置生活熱水水箱。
對于節能建筑，低溫地板輻射采暖的供水溫度較低，一般在30℃~40℃；太陽能集熱系統一般根據水箱底部溫度決定其工作溫度，工作溫度越低，太陽能系統集熱效率越高；生活熱水要求供水溫度較高，一般在50℃~60℃，尤其為了避免軍團菌滋生，不允許生活熱水長期處在30℃~40℃溫度范圍內。垂直分層水箱可以滿足以上不同用途水的溫度要求。
2.3.3 低溫地板輻射采暖系統
本太陽能供熱采暖系統采暖末段采用低溫地板輻射采暖系統，該供暖方式有如下優點：
1）系統通過地下換熱盤管加熱地面，地面向房間散熱，形成腳暖頭涼的溫度場，符合人體生理學需求，提高采暖的舒適度；
2）地板輻射采暖供水溫度低，適合與太陽能集熱系統結合，太陽能集熱器工作在高效率區域，提高太陽能利用效率；
3）地板輻射采暖有較大儲熱能力，可以減少儲熱水箱的容積，此外節能建筑可以在夜晚關閉采暖系統，利用地面熱容保證室內的溫度。地板輻射采暖設計中，盤管采用密管距，低供水溫設計方案，保證系統高效率運行。
2.3.4 排空防過熱防凍措施
本太陽能供熱采暖系統冬季采用排空防凍，水泵一停或者意外停電情況下，水自動回流到水箱，避免系統結凍和過熱造成系統故障，并減小夜晚的熱損失。
2.3.5 電加熱輔助
本太陽能供熱采暖系統輔助能源是電加熱，清潔能源，低谷電期間可以蓄熱，運行費用低。
2.3.6 全自動運行，操作方便
本太陽能供熱采暖系統可以全自動運行，密云區石城鎮桃花地新村相關用戶在不更改設定參數情況下無需進行相關操控，只是在更改設定參數時才需要進行操控，且更改參數可以參照說明書指導進行，非常方便。所以項目無需專業運行管理團隊，用戶可獨立操作，獨立管理。
3、系統經濟環保效益分析
本項目最終審定工程價格為2005590.30元，共45戶，單戶造價44568元。從本項目投資回收年限看，以太陽能采暖方式替代電能等價格比較高的能源，投資靜態回收期大致在8.5年左右，而系統壽命在15年，所以靜態投資回收期遠低于系統壽命，投資回報較高，項目技術經濟性較好。
單戶太陽能系統年替代散煤量為3787 Kg/年，二氧化碳減排量10224Kg/年；二氧化硫減排量204 Kg/年。整個項目45戶年節約散煤170t/年，年減排二氧化碳460t/年，年減排二氧化硫9t/年。
項目自建成運行至今，經濟效益方面與單純電取暖相比共節約電費55.8萬元，社會效益方面相比較散煤燃燒取暖相比共減排二氧化碳1288t，減排二氧化硫25t。
4、系統運行結果及安裝實景圖
項目自從2013年11月正式投入使用以來，經過了實際考驗，目前45套系統整體運行情況良好。
經過走訪用戶并結合軟件模擬，本項目考慮供暖/熱水全部需求情況下，采暖季太陽能采暖系統負責區域內室內溫度一般設定在20℃，全年太陽能保證率在40%左右，全年運行費用約為15~20元/平方米。
該項目被評為2016年度“首都藍天行動科技示范工程”。
圖4 密云石城鎮太陽能供熱采暖系統實景
5、結語
項目總體成效體現在如下幾個方面：首先是綠色環保，采用的是太陽能這種潔凈的綠色能源，避免了礦物質燃料對環境的污染，能為用戶提供一個干凈舒適的生活空間；然后是高效節能，太陽能供暖系統能最大效率的利用太陽能，可節約能源成本40%~60%以上，運行成本大大降低；接著是安全可靠，太陽能采暖不會產生傳統燒煤采暖爐一氧化碳中毒的危險，它是安全可靠的系統；最后是美觀長久，平板太陽能集熱器可布置在坡屋頂，與建筑結合較好，且全部金屬流道，金屬邊框，使用壽命長。
該項目技術成熟，最先應用于平谷掛甲峪村的村民新建住宅采暖，還有在平谷區黃松峪鄉、金海湖鎮、王辛莊鎮、平谷縣城等散戶戶用太陽能采暖系統，石城鎮項目是該技術第二次大規模應用。目前北京市太陽能研究所集團有限公司采用此技術所做的太陽能采暖系統，合計安裝集熱器面積3280m2，合計服務建筑面積23900m2。
該太陽能供熱采暖相關技術通過中國農村能源行業協會組織專家進行的技術鑒定，鑒定結論表明：該項技術采用平板集熱器、嵌套式溫度分層水箱、排空的防過熱防凍措施、全自動控制，具有可靠性高、熱性能好、運行費用低等特點。嵌套式溫度分層水箱，將開式儲熱水箱和承壓生活熱水水箱結合構成夾套式換熱器，系統利用水箱溫度分層滿足不同供熱溫度需求，保證系統高效運行。該技術曾經于2010年應用在“新型太陽能采暖系統”，獲得北京市自主創新產品證書，于2011年應用在“全天候太陽能供熱采暖裝置”，獲得國家重點新產品證書。
（作者：北京市太陽能研究所集團有限公司 律翠萍、郝睿）
