报告人：单明 院 系：建筑技术科学系 热能工程系 2014 年 1 月 10 日

1. 报告人：单明 院 系：建筑技术科学系 热能工程系 2014年1月10日 清华大学博士后低碳论坛 太阳能在建筑中的合理利用方式及原则探讨

2. 报告提纲

3. 太阳能在建筑中的应用背景 • 我国太阳能资源丰富，北方地区大部分地区属于太阳能可利用区，能量密度大于6000MJ/（m2·a)，全年日照小时数3000h以上。 • 太阳能资源量丰富

4. 应用背景 • 太阳能利用带来巨大环境效益 50%效率 减排量 300kg CO2 100kgce 1m2 明确列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)》能源领域中的可再生能源低成本规模化开发利用优先主题

5. 应用背景 • 太阳能是解决建筑供暖的重要途经之一 • 北方地区（城市和农村）冬季采暖能耗已达2.5亿tce，占全国建筑总能耗的43%，排放CO2超过9亿吨 • 太阳能采暖潜力巨大！ 中国建筑能耗结构图 数据来源：中国建筑节能年度发展研究报告2008

6. 报告提纲

7. 太阳能建筑中利用方式

8. 目前PV板能够达到的最高发电效率为15%左右 • 如果无积灰、环境温度、集热部件老化等影响，PV年发电效率8% 年发电量(kWh/kWp) 引自清华大学朱颖心教授授课PPT内容

9. 光伏板的生产能耗约为5400-6700 kWh/1kWp PV • 如果发电效率为8%，光伏板寿命周期内，1/3~1/2的能耗用于生产环节 • 根据实测，实际应用过程中，由于表面积灰，环境温度、摆放位置等影响，导致光伏板发电效率有可能低至5%； • 在太阳能资源不是十分丰富的地区（如南方大部分地区），甚至出现生产能耗大于发电量，在此情况下，太阳能光伏就不再是节能技术。 引自清华大学朱颖心教授授课PPT内容

10. 孰优孰劣：热-热转换？热-电-热转换？ 利用太阳能给建筑采暖： 100W/m2 40W/m2 36W/m2 太阳能 集热器 输配以及末端系统 末端 （假设平均集热效率40%） （假设热效率90%） 输电系统 光伏发电 （假设输送效率100%） （假设平均发电效率8%） 100W/m2 8W/m2 8W/m2 8W/m2 太阳能利用效率低 末端 直接电采暖 末端 初投资巨大 采用热泵采暖 24W/m2 （假设COP=3） 原则：用热不给电，供需匹配

11. 光伏发电技术适用原则： • 适用范围: 我国西部偏远的农村地区 • 太阳能资源丰富 • 建筑密度低，有充足的集热器摆放位置 • 偏远地区缺少供电基础设施 • 在方案确定之前，要经过详细的技术经济分析 • 经济性 • 对能源的影响 • 对环境的影响 太阳能在建筑中利用应以光热为主！

12. 报告提纲

13. 太阳能光热采暖系统 采暖系统分类： • 按有无机械系统 • 被动式太阳房 • 主动式采暖系统 • 按传热介质 • 空气——空气采暖系统 • 液体——热水采暖系统 • 按集热规模 • 分散式采暖系统 • 集中式采暖系统

14. 分散式太阳能热水采暖系统存在的问题 被动式太阳能热利用在北方农宅中广泛使用 如果能利用主动式太阳能供暖系统则可以进一步提高太阳能供暖率，减少燃料燃烧 • 表面利好： • 太阳能热水集热器已经形成产业化 • 太阳能热水集热器效率高，配以蓄热传输系统，可以形成供暖系统 • 利用屋顶面积，形成太阳能建筑一体化 • 实际结果：除了一些完全由政府投资建的项目外，农民并未接受并主动用 怎么用？ 可以实现太阳能主动式供暖的高效热利用 为什么在农村地区的推广举步维艰？

15. 太阳能热水系统实测： • 室内热环境： 水箱 测试农宅全景及集热面 • 集热器效率： • 全天平均集热效率为33.3％ • 经济性： • 总投资每户4~5万元，生命周期25年内，无法回收初投资 • 农民反应： • 太阳能主要用于提供生活热水 • 冬季基本依靠炕、燃煤锅炉采暖 • 由于太阳能系统主要由政府出资，农民并未有经济损失，因此无抱怨 供回水干管上的热表 控制面板 • 2005年安装，2008年3月1日~3月7日测试 • 采用真空管式集热器+地面辐射供暖，集热器总面积为20m2，有效集热面积14m2，为150㎡的建筑供暖 • 采用电辅助供暖和薪柴保障系统（秸杆和煤两用），但测试期间未使用 • 整个系统每平方米建筑面积340元左右，每一农宅太阳能热水系统投资4~5万元左右。

16. 初投资低 经济性差、保证率低、推广难度大 需要较低水平的维护 可靠性高

17. 集中式太阳能热水采暖工程存在的问题 某火车站 太阳能热水采暖系统 • 集热器：真空联集管 • 轮廓面积：3900m2 • 储热体积：1200m3 • 水箱类型：开式水箱 • 设计温度： • 集热侧：50℃/40℃ • 供暖侧：41℃/36℃ • 辅助热源：燃油锅炉 • （按90%负荷设计） 太阳能采暖系统原理图

18. 应用现状与分析 ——集中式太阳能热水采暖工程 设计参数： 设计典型日太阳能贡献率40% 太阳能集热系统设计 设计热负荷 典型设计日热需求14.8 MWh 平均热负荷功率615kW 按集热效率30%计算，集热量5.9 MWh 11小时辐照平均集热功率500kW 运行效果实测： • 太阳能集热系统对采暖末端的时间累积平均贡献率非常低，约 10%左右，远低于设计值： • 一半以上的运行时间内储热水箱的热量换不出来，导致集热板换热量对末端的贡献率出现负值。

19. 应用现状与分析 ——集中式太阳能热水采暖工程 系统运行原理示意图及实际运行工况： 工况1：正常运行参数 计算条件： 4吨燃油 锅炉 锅炉供水46℃，末端供回水温差6℃，水箱初始温度40℃ 3900m2集热器 地板 采暖 末端 46℃ 单天集热6.0 MWh 补热4.8MWh 42℃ 32 ~ 41℃ 60m2板换 80m2板换 36℃ 40℃ 水体惯性蓄热1.6MWh 44℃ 1200m3 蓄热水箱 40m3/h 80m3/h 108m3/h 34℃ 32℃ 36℃ 单天热需求 6.7MWh 散热2.3MWh 管路等散热0.2MWh 有效换热1.9MWh 全天水箱及管路热损失占太阳能集热量的43%，系统的热损失较大。 全天太阳能对末端的贡献率28.2%。 水箱采用20mm岩棉毡保温，导热率 0.045W/(mK)，保温效果欠佳。

20. 应用现状与分析 ——集中式太阳能热水采暖工程 工况2：不利运行参数 计算条件： 4吨燃油 锅炉 锅炉供水44℃，末端供回水温差6℃，水箱初始温度32℃ 补热8.1MWh 3900m2集热器 地板 采暖 末端 单天集热6.3MWh 44℃ 38℃ 32~41℃ 60m2板换 80m2板换 水体惯性蓄热2.7MWh 32℃ 34℃ 42℃ 1200m3 蓄热水箱 40m3/h 80m3/h 108m3/h 32.5℃ 36℃ 32℃ 单天热需求 6.7MWh 散热2.0MWh 管路等散热0.2MWh 换热 -1.4MWh 全天水箱及管路热损失占太阳能集热量的35%。 全天太阳能从供热侧吸热，对末端的贡献率为负值，集热量换不出来。 水体惯性蓄热量大部分损失掉了 水箱体积太大

21. 太阳能自身的缺陷—供需极大不平衡性 建筑采暖负荷与太阳辐射全天不平衡性 建筑采暖负荷与太阳辐射季节不平衡性 太阳能资源具有时间上非连续性和“夏盈冬亏”特性 而一般能量需求是连续的

22. 低温集热 • 太阳能利用的核心问题—储热 中温集热 高温集热 ≠ 太阳能的特点： 周期性波动 不稳定性 集热量与末端需求相匹配 集热效率高，总集热量大 集热是太阳能转化的核心，储热是太阳能利用的核心。

23. 太阳能储热的重要意义：解决太阳能热利用系统产热与用热不匹配问题太阳能储热的重要意义：解决太阳能热利用系统产热与用热不匹配问题 • 低温短期储热：解决分布式建筑采暖关键问题 • 低温跨季节储热：提高太阳能系统全年利用率，实现夏热冬用 • 中高温储热：太阳能工业应用及太阳能热发电的关键 • 产业化前景：规模优势带来成本优势，太阳能建筑采暖潜在需求量达到10亿m2以上，是目前全国太阳能热水器保有量的6倍。 夜间采暖需求高，增加储热体积 三口之家冬季热负荷估算 热负荷扩大，增加集热面积 采暖连续性要求高，补热系统满负荷设计

24. 国外太阳能跨季节储热系统应用现状 国外太阳能跨季节蓄热系统 欧洲集热器面积大于500㎡的太阳能热力站 • 太阳能储热技术已经成为推动太阳能产业发展的热点技术 • 目前太阳能跨季节储热示范工程规模相对较小，尚难实现更大规模供暖示范 • 由于技术研究的不足等原因，已经有10%的工程被迫关闭

25. 报告提纲

26. 适用于北方农宅的低成本太阳能空气集热系统研究和示范适用于北方农宅的低成本太阳能空气集热系统研究和示范

27. 空气集热系统能够满足初投资低、易维护、可靠性高的要求，在农村地区具有广泛适用性。空气集热系统能够满足初投资低、易维护、可靠性高的要求，在农村地区具有广泛适用性。 • 空气集热系统由太阳能空气集热器、风机、散流器、温控器等部件组成。当太阳能辐射较好时，风机开启，循环加热室内空气，主要解决白天房间的采暖问题。 特点： 1）初投资低：屋顶集热器造价在400~500元/m2集热面积左右； 2）需要较低水平的维护：定期清洗过滤网； 3）可靠性高：冬季不存在冻结的问题。 满足农民要求

28. 太阳能空气集热采暖案例： 地理位置 改造农宅外观 屋顶空气集热器 • 示范工程位于北京市怀柔区渤海镇，2008年搭建示范工程，2009年1月份入户测试 • 在安装可再生能源供暖系统前，对该农宅的北墙、东西墙体做了保温改造，其余围护结构未改造 • 门窗密封性能一般，通过测试发现，该农宅的换气次数可以达到0.7~0.8h-1 • 集热器采用空腔型传统集热器，集热器尺寸为2m×3m，集热面积6m2，测试房间14m2 • 集热器水平面倾角为50° • 系统采用温控器控制风机开关，集热器出口温度高于30℃开风机，风机开启后，低于28℃，风机关闭 • 房间无夜间供暖需求，除空气系统外，无其补热系统

29. 1月5日~1月7日：屋顶太阳能空气集热系统 • 1月9日~1月11日：屋顶太阳能空气集热系统+直接受益窗 1月5日~1月7日 1月9日~1月11日 • 室外气温： • 最高气温：0~3℃ • 最低气温：-8~-12℃ • 集热器表面太阳辐射强度： • 最大辐射强度:800~900W/m2 1月9日~1月11日 1月5日~1月7日 集热器表面太阳总辐射仪 壁面热流及温度测点 室温空气温度测点

30. 空气集热器热效率（未优化）： • 集热器热效率17%~23%，比热水系统低13%左右 (与前面所述的热水系统相比) • 空腔型的传统集热器，初投资（集热面积)，约为是热水系统的1/4 • 单位供热量的初投资是热水系统的2~3倍 • 空气系统投资回收期约8~9年 • 因此，空气系统的经济性好于热水系统 室内热环境： 送风口 回风口 1月11日 1月5日 • 只有屋顶空气集热系统：风机运行阶段室内空气温度8.3℃ • 屋顶集热系统+直接受益窗：风机运行阶段室内空气温度11.5℃

31. 通过对空气集热器进行优化设计，可以较大幅度提升集热器的热效率，改进集热器的热性能，进一步提高经济性。 集热器 翅片结构 • 优化后的集热系统造价400~500元/㎡ • 主要用于保证白天采暖需求，集热面积:采暖面积约为1:4 • 供暖季集热效率40%以上

32. 主被动结合式太阳能采暖系统研究

33. 主被动结合太阳能采暖系统组成 系统原理图

34. 主被动结合太阳能采暖系统运行效果（初步） • 太阳能集热器全天效率为40% • 主动式太阳能供暖贡献率为35% • 热泵系统夜间COP为2，白天热泵系统COP为3左右 • 系统整体比常规系统节能70%

35. 基于太阳能长周期蓄热的区域性建筑集中供暖系统集成与示范基于太阳能长周期蓄热的区域性建筑集中供暖系统集成与示范

36. 缺乏经济、稳定、高效的储热方式，是阻碍太阳能规模化光热利用和推广的关键因素

37. 简单，热容大，但水箱需承压，造价高，适用于中小型系统简单，热容大，但水箱需承压，造价高，适用于中小型系统 水箱蓄热 • 6000m2集热面积（1200万元）+50万m3土壤蓄热打井费用（600万元）——7~8年左右回收期 • 6000m2集热面积（1200万元）+16.3万m3的水箱蓄热体积（1.63亿元）——至少68年回收期 地埋管土壤蓄热 • 无需额外储热池 • 造价现对低 • 系统容量易控制 • 易与其他系统配合 • 热容小 • 容量小时储热损失大 • 适用于大型系统 储热池不承压，但热容略小，储热池体积较大 砾石-水蓄热 不需额外建造储热池，对地质条件要求高 • 单位体积储热体的蓄热量

38. 不同储热规模的热损比例 • 储热规模超过50万m3时，系统长周期热损比例可以降到10%以内 储热体合理规模 损失率随储热体体积变化曲线（初步估算结果）

39. 储热季稳态参数设计计算 • 取热温差和放热温差 Q储= 4320hr×3600s×CP×G×ΔT储 Q取= 1800hr×3600s×CP×G×ΔT取 储热体的热损失按照20%估算： Q取 = Q储×(1-20%) 根据吸收机的运行参数，设计取热温差ΔT取=10℃，则ΔT储=4.63℃ 根据以上几个公式，以及土壤储热期及放热期温度变化与取放热量的热平衡关系，计算系统稳态运行参数与循环流量变化的关系。

40. 吸收式热泵取热原理 代替电力驱动的压缩机 太阳能中温集热(130℃) 冷凝器 发生器 建筑供暖(70℃) 高温工业废热 (130℃) 储热土壤(>50℃) 技术优势： 1、解决非采暖季太阳能产热和工业废热的利用问题； 2、用吸收式换热设备（吸收器和发生器）代替传统电 力驱动压缩机，可节省大量电能； 3、容易扩大系统规模，有利于减少储热损失，提高系 统的整体能效。 蒸发器 吸收器

41. 示范工程（内蒙赤峰） ★太阳能和工业余热联合储热集成供热示范工程，供热面积10万平方米 ★针对不同采暖阶段的采暖需求，研究系统参数匹配和系统的合理运行控制方式 赤峰小新地 铜厂 水泥厂

42. 示范工程进展（内蒙赤峰） 图：软水循环定压水箱 图：厂外热网管线 图：汽-水换热器 图：远传数据仪表1 图：二系统板换 图：远传数据仪表2

43. 总结 • 太阳能在建筑中利用的大原则： • 太阳能不是“万能”的，应以光热利用为主，做到供需匹配 • 太阳能光伏利用原则： • 适用于太阳能资源丰富、无供电基础设施的农村地区，如我国西部的偏远农村地区 • 方案确定之前，要经过详细的技术经济分析 • 太阳能光热利用原则： • 经济高效——单位有效热量的初投资低 • 维护方便——无需频繁维护、甚至免维护 • 高可靠性——无冻结等问题出现 • 稳定性强——克服太阳能“非连续性、夏盈冬亏”的弊端

44. 谢 谢！