一、項目基本情況

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，太陽能實際功能面積 100 平方米，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。

二、設計參數

北京山區氣候環境條件：北京地處北緯 39048，冬季月日照小時數 201h，冬季平均日太陽能輻照量 4479W/m2，環境溫度：11-3 月平均氣溫-1.6℃，冬季極端日平均氣溫-9℃，最低溫度-15℃，北京山區村鎮冬季溫度更低，極端天氣最低溫度達-27.4℃。

由于受屋頂安裝面積限制，冬季太陽能供熱采暖系統只能為住戶一層提供地板低溫輻射采暖，采暖面積為 100 ㎡。設計參數如下：

（1）供暖面積：100 ㎡。

（2）采暖設計熱負荷指標：80W/㎡，采暖期內平均建筑物日耗熱量指標：40W/㎡，低谷電時段建筑物耗熱量指標：30W/㎡。

（3）供暖季天數：120 天。

（4）太陽能供水溫度 40℃，不足熱量經輔助熱源補充，谷電蓄熱溫度 85℃。

（5）室內設計溫度：16℃

（6）太陽能保證率：30%

（7）供暖季太陽能集熱器平均集熱效率：40%

（8）供暖季日均太陽輻射量：15.72 (MJ/㎡·日)

（9）系統熱損失：0.2

（10）戶內供電總量 9KW 以內

三、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。

圖 1 密云石城鎮太陽能供熱采暖系統原理示意圖

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。

四、系統經濟環保效益分析

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。

五、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 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

六、典型經驗和做法

項目總體成效體現在如下幾個方面：

（1）使用太陽能采暖技術是符合北方農村“散煤替代”供熱采暖的有效措施之一。

（2）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。

（3）高效節能，太陽能供熱采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。

（4）高效運行，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。

（5）安全可靠，太陽能供熱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。

（6）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。

（7）主被動結合太陽能+低谷電輔熱供暖系統可以最大限度降低投資，提高運行經濟性，在現階段最具有推廣價值，建議重點推廣應用。

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。目前桑普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。

七、問題和建議

由于屋頂面積有限，安裝的集熱器面積有限，導致太陽能采暖保證率低。但換種思路來想，只要使用了太陽能這種免費能源，不管太陽能保證率多少，都是節能和環保的。為了實現“雙碳”目標，建議大力推廣太陽能采暖技術應用。 使用太陽能采暖技術確實是符合北方農村“散煤替代”供熱采暖的有效措施之一，同時，主被動結合太陽能+低谷電輔熱供暖系統，可以最大限度降低投資， 提高運行經濟性，在現階段最具有推廣價值，建議重點推廣應用。

本系統模式適用于太陽能戶用采暖，比如農村平房或別墅的采暖。

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