加拿大某太陽能區(qū)域供熱示范研究項(xiàng)目，于2007年投入使用并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，連續(xù)測(cè)試5年。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明集熱器效率穩(wěn)定在33%，儲(chǔ)熱效率為55%左右，太陽能保證率逐年遞增最終達(dá)到97%，輔助能最終達(dá)到零使用。本方案根據(jù)加拿大區(qū)域供熱示范研究項(xiàng)目，結(jié)合河北地區(qū)農(nóng)村建筑實(shí)際情況，現(xiàn)提出一種"太陽能-土壤池跨季蓄熱供熱"的區(qū)域供熱方案。
方案優(yōu)點(diǎn)
1、集中供暖，供熱質(zhì)量高，供熱穩(wěn)定不間斷，給用戶提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。節(jié)約能源，減少大氣污染，保護(hù)環(huán)境；
2、充分利用土壤蓄熱池儲(chǔ)存春夏秋三季閑置的太陽能，在冬季為項(xiàng)目供熱。隨著項(xiàng)目的長(zhǎng)久運(yùn)行太陽能保證率逐年提高，最終可達(dá)到95%以上。可實(shí)現(xiàn)零輔助能供熱，運(yùn)行費(fèi)用極低；
3、安全可靠性高。系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件少，沒有安全隱患，壽命長(zhǎng)。
供熱范圍
以石家莊周邊一個(gè)自然村為例，在村莊合適位置建設(shè)集中供暖能源站，并對(duì)能源站進(jìn)行了各項(xiàng)分析。其中設(shè)定自然村共50戶，每戶平均采暖面積100m²，總采暖面積5000m²。
(1)室外設(shè)計(jì)參數(shù)
冬季大氣壓：102020.00Pa；
冬季室外供暖計(jì)算干球溫度：-6.00℃；
冬季通風(fēng)計(jì)算溫度：-5.90℃；
冬季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度：-8.60℃；
冬季室外空調(diào)計(jì)算相對(duì)濕度：0.54
室外平均風(fēng)速：1.40m/s；
最多風(fēng)向平均風(fēng)速：1.80m/s。
(2)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)
農(nóng)村住宅室內(nèi)采暖計(jì)算溫度與城市建筑的不同，在農(nóng)村地區(qū)人們的工作相對(duì)比較自由，在家里也不像城市那樣休閑，在家中所穿衣物比城市居民多。所以，按照較低的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度考慮農(nóng)村冬季采暖所需，是與農(nóng)村居民的生活水平以及生活習(xí)慣相符合的。農(nóng)村居民對(duì)14℃左右的室內(nèi)溫度普遍認(rèn)為能夠承受，因此，本方案設(shè)計(jì)冬季室內(nèi)采暖計(jì)算溫度以15℃以上考慮。
(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)
根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況設(shè)定：
外墻：240mm磚墻，內(nèi)外抹灰；
外窗：北墻無外窗，南側(cè)臥室及客廳窗戶尺寸2500mm×2400mm。單層塑鋼窗；
外門：木框單層玻璃門，玻璃比例60%~70%；
屋頂：預(yù)制鋼筋混凝土2500屋頂，外刷水泥砂漿。
(4)供暖熱負(fù)荷
利用鴻業(yè)軟件，對(duì)熱用戶進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，綜合熱指標(biāo)為85W/㎡，考慮同時(shí)使用率，本項(xiàng)目總熱負(fù)荷為340kW。
本方案供暖能源站集中供暖的工作原理：利用安裝在土壤蓄熱池上方的太陽能集熱器進(jìn)行熱量采集，將收集到的熱量通過管網(wǎng)輸送到能源站及地下土壤蓄熱池。根據(jù)不同季節(jié)可利用太陽能數(shù)量的不同，分別設(shè)置了短期(臨時(shí))太陽能蓄熱儲(chǔ)能水箱以及跨季節(jié)太陽能儲(chǔ)能土壤蓄熱池，以提高太陽能的利用率。在冬季陽光充足的天氣，利用短期(臨時(shí))太陽能蓄熱儲(chǔ)能水箱直接供熱;冬季其余的采暖用能，則由儲(chǔ)存在土壤蓄熱池中的熱量來滿足。同時(shí)，為保障用能安全，在供暖能源站內(nèi)設(shè)置有空氣源熱泵機(jī)組輔助供能。
圖：太陽能土壤池蓄熱池運(yùn)行原理
(1)能源站
圖：能源站
(2)太陽能采集系統(tǒng)
圖：太陽能平板集熱器
采暖系統(tǒng)集熱器總面積應(yīng)按下式計(jì)算：
采暖計(jì)算公式
式中：
Ac--直接系統(tǒng)集熱器總面積(㎡)：
Q h--建筑物耗熱量(W)：
Jt--當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系钠骄仗栞椪樟縖J/(㎡•d)]，按規(guī)范取值[J/(㎡•d)]：
ηcd--基于總面積的集熱器平均集熱效率(%)，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算50%：
ηL--管路及貯熱裝置熱損失率(%)，取值20%。
(3)能源短期(臨時(shí))儲(chǔ)存系統(tǒng)
(3)能源短期(臨時(shí))儲(chǔ)存系統(tǒng)
能源中心內(nèi)設(shè)置短期(臨時(shí))太陽能蓄熱儲(chǔ)能水箱，它主要有兩個(gè)功能:一是作為熱量?jī)?chǔ)存和釋放的緩沖裝置，減緩熱流速度;所有熱量的進(jìn)、出都必須通過此，而不是直接進(jìn)入小區(qū)管網(wǎng);二是在陽光充足的季節(jié)儲(chǔ)存少量的熱能供即時(shí)使用，避免將熱量?jī)?chǔ)存到土壤蓄熱池后由于傳輸和儲(chǔ)藏過程中帶來熱量損耗，提高效率。
考慮到短期(臨時(shí))太陽能蓄熱儲(chǔ)能水箱的造價(jià)和將來的維護(hù)費(fèi)用，本方案設(shè)計(jì)使用較低造價(jià)，大小為30m³的儲(chǔ)熱水箱，而不是一個(gè)造價(jià)昂貴的大儲(chǔ)存罐。
(4)土壤池蓄熱系統(tǒng)
冬季平均20%的熱負(fù)荷由太陽能即時(shí)供熱來滿足，剩余80%的熱負(fù)荷由土壤蓄熱池來提供。其中采暖期共120天，每天供熱24小時(shí)，部分負(fù)荷天數(shù)系數(shù)采用0.65。
1)每立方米土壤熱池(采暖期可釋放)蓄熱量
其中：
土壤容重:1.2~1.4g/cm；
土壤比熱容:0.84~0.94kJ/(kg·℃)；
土壤熱池溫降:65℃降至35℃。
2)每眼儲(chǔ)熱井有效容積
土壤蓄熱池內(nèi)間距2.5米，深度為35米。
1.25×1.25×π×35=171.8 m，，約170 m。
土壤蓄熱池根據(jù)所需蓄熱池供熱負(fù)荷，計(jì)算所需蓄熱井?dāng)?shù)，井深35m。蓄熱池頂層覆蓋保溫材料、保溫膜以及0.5米厚的種植土。井內(nèi)采用φ32×3 PE100雙U型管進(jìn)行儲(chǔ)熱。
圖：輔助熱源系統(tǒng)
集中供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)已是一種成熟的敷設(shè)方式，其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，防水性能及保溫性能好，熱損失小，使用年限長(zhǎng)，工程造價(jià)低，節(jié)省建材、安裝施工方便快捷，節(jié)省投資。結(jié)合農(nóng)村實(shí)際情況，采用直埋加架空相結(jié)合的敷設(shè)方式。根據(jù)各相關(guān)規(guī)范，對(duì)各連接、熱補(bǔ)償方式進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行專業(yè)的水力計(jì)算、保溫層厚度計(jì)算。
圖：集中供熱管網(wǎng)布置示意圖
圖：集中供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)示意圖
本方案初投資主要包括能源站內(nèi)管網(wǎng)、設(shè)備，能源站外太陽能集熱器、土壤蓄熱池，以及從能源站到各用戶的集中供熱管網(wǎng)。
圖：初投資分析表
預(yù)期總投資為214萬元，平均每戶4.28萬元。
