創新 | 一種新型太陽能供熱(rè)供暖系統問世
能源是可(kě)以直接或經轉換提供人(rén)類所需的(de)光(guāng)、熱(rè)、動力等任一形式能量的(de)載能體資源，從能源生産和(hé)利用(yòng)形式看，主要可(kě)分(fēn)爲熱(rè)能、電能、冷(lěng)能、機械能和(hé)原料用(yòng)能等。熱(rè)能的(de)生産主要包括燃料燃燒（煤炭、石油、天然氣、生物(wù)質能等能源的(de)燃燒）、太陽輻射能光(guāng)熱(rè)轉換、熱(rè)泵制熱(rè)（空氣源、地源、水(shuǐ)源熱(rè)泵等）、電加熱(rè)、地熱(rè)、核能等；電能的(de)生産主要包括燃料燃燒産生動力帶動發電機發電（如火電廠發電），水(shuǐ)電、光(guāng)電、風電、核電，波浪、潮汐等發電，燃料電池，勢差（溫差、濃度差）發電等；冷(lěng)能的(de)生産主要包括壓縮制冷(lěng)、吸收式制冷(lěng)、熱(rè)電制冷(lěng)、氣體渦流制冷(lěng)、固體吸附制冷(lěng)等；機械能的(de)生産主要采用(yòng)汽油發動機、柴油發動機、航空發動機等；能源作爲原料主要包括化(huà)石能源制取化(huà)工産品等。綜合來(lái)看，熱(rè)能是經濟社會發展過程中利用(yòng)範圍.廣泛、利用(yòng)量.大(dà)的(de)能源品種，涉及火力發電、工農業生産、建築供熱(rè)供暖制冷(lěng)、交通(tōng)運輸和(hé)居民生活等各個(gè)領域和(hé)全過程，如果包括中間環節，我國以熱(rè)能的(de)形式消耗的(de)能量占全社會能源消費總量的(de)80%以上，因此，如果從源頭解決熱(rè)能的(de)獲取問題就可(kě)以從根本上解決我國的(de)能源問題。2016年12月(yuè)21日，**在**财經**小組第十四次會議(yì)上指出，“推進北(běi)方地區(qū)冬季清潔取暖，關系北(běi)方地區(qū)廣大(dà)群衆溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生産和(hé)消費革命、農村(cūn)生活方式革命的(de)重要内容。要按照(zhào)企業爲主、政府推動、居民可(kě)承受的(de)方針，宜氣則氣、宜電則電、盡可(kě)能利用(yòng)清潔能源，加快(kuài)提高(gāo)清潔供暖比重”。2017年12月(yuè)，**發展改革委等十部委印發《北(běi)方地區(qū)冬季清潔取暖規劃（2017-2021年）》，提出北(běi)方供暖建築面積206億平方米，2016年底清潔供暖面積僅占34%，到2021年要達到70%，新增清潔供暖面積超過70億平方米。目前，清潔供暖主要四種途徑：清潔煤炭供暖、煤改氣、煤改電（包括空氣能熱(rè)泵）、太陽能等可(kě)再生能源供暖等。從經濟性看，清潔煤炭供暖成本較低，但固有污染問題難以有效解決，煤改氣和(hé)煤改電成本較高(gāo)，政府需承擔巨額補貼，難以爲繼。若新增70億平方米供熱(rè)面積全部實施煤改氣，則每年新增天然氣消費1000億立方米，政府補貼約1000億元/年，且補貼後，居民供暖成本仍将增加50%以上，大(dà)量使用(yòng)**能源天然氣進行供暖是一種浪費，另外，國内天然氣保障能力不足，需要大(dà)量進口，導緻能源對(duì)外依存度攀升，能源安**臨嚴峻挑戰；若全部實施煤改電，則每年新增用(yòng)電5000億至8000億千瓦時(shí)，政府補貼約1000-2400億元/年，補貼後，居民供暖成本仍增加50%以上；若使用(yòng)太陽能空氣能聯合供暖，則每年新增用(yòng)電2000億千瓦時(shí)，政府補貼約400-600億元/年，是.經濟、.節能、.環保的(de)清潔供暖模式。目前，太陽能工程應用(yòng)範圍越來(lái)越廣，但其自身存在的(de)不足制約了(le)太陽能供熱(rè)供暖項目的(de)發展，主要問題有：一是系統全年均在不斷對(duì)外散熱(rè)，特别是2/3以上沒有光(guāng)照(zhào)的(de)時(shí)間，散熱(rè)量大(dà)；二是風吹雨(yǔ)打日曬影(yǐng)響系統可(kě)靠性和(hé)壽命；三是冬季效率低，北(běi)方地區(qū)不足20%，無法滿足冬季供暖需求；四是占地面積大(dà)，土地資源利用(yòng)率低；五是非供暖季系統過熱(rè)嚴重，容易造成一些橡膠件老化(huà)，導緻真空管炸管，影(yǐng)響管道的(de)壽命;六是現有太陽能集熱(rè)主要用(yòng)于居民熱(rè)水(shuǐ)，工業大(dà)規模供熱(rè)和(hé)冬季供暖等市場(chǎng)還(hái)有待開發。
圖1 傳統太陽能系統和(hé)全年集熱(rè)效率
圖3 2018年4月(yuè)至2019年2月(yuè)兩套太陽能系統效率情況爲**合理(lǐ)利用(yòng)太陽能資源，我們開發了(le)一系列太陽能蓄熱(rè)、供熱(rè)、供暖、制冷(lěng)、發電系統，适用(yòng)于不同需求，破解了(le)太陽能集熱(rè)效率高(gāo)、系統效率低，夏季效率高(gāo)、冬季效率低的(de)現實難題，可(kě)以大(dà)規模應用(yòng)于北(běi)方地區(qū)冬季清潔供暖和(hé)工農業生産。經實驗驗證，達到了(le)預期效果，新型太陽能系統具有以下(xià)特點：一是效率高(gāo)，單位占地面積太陽能效率達到50%以上，比現有太陽能集熱(rè)系統高(gāo)出20%，其中冬季效率達到40%，比現有系統高(gāo)出....-300%。二是經濟性好，太陽能**率高(gāo)，輔助系統投資下(xià)降、輔助能源消耗低；單位供熱(rè)量投資和(hé)運行成本低，回收周期短，清潔供暖回收周期約5-8年。三是可(kě)靠性高(gāo)，降低惡劣自然天氣對(duì)系統的(de)不利影(yǐng)響。四是适用(yòng)範圍廣，可(kě)應用(yòng)于農業、工業、建築、交通(tōng)、居民生活等各個(gè)領域。五是土地利用(yòng)率高(gāo)，單位供熱(rè)量占地面積下(xià)降20%-50%。六是節能減排效果顯著，1萬平方米可(kě)供5-10萬平方米建築，節約大(dà)量**能源如天然氣、電力等，降低能源對(duì)外依存度，減少污染物(wù)排放。
根據有關數據，煤炭、天然氣、電力、外購(gòu)熱(rè)力、河(hé)北(běi)經貿大(dà)學項目，每GJ費用(yòng)分(fēn)别爲41元、116元、289元、110元和(hé)220元，與以上方案相比，我們設計的(de)方案獲得(de)每GJ熱(rè)量的(de)成本僅33元，屬于以上方式中.低的(de)，具有很大(dà)經濟效益和(hé)大(dà)規模推廣應用(yòng)前景。
表1 不同方案經濟效益比較
按照(zhào)北(běi)方地區(qū)200億平方米供熱(rè)面積計算(suàn)，僅北(běi)方地區(qū)居民供暖年市場(chǎng)規模就達到5000億元，如果考慮未來(lái)長(cháng)江流域冬季供暖以及**酒店(diàn)、賓館、居民生活、工業用(yòng)熱(rè)水(shuǐ)、冷(lěng)量等，預計太陽能供暖供熱(rè)制冷(lěng)市場(chǎng)規模超過3萬億元。随著(zhe)科技的(de)創新，太陽能利用(yòng)成本在不斷下(xià)降，能源供求正在向工程市場(chǎng)偏移。來(lái)自太陽能熱(rè)利用(yòng)産業聯盟的(de)數據顯示，2018年，全行業工程市場(chǎng)比重已經超過70%，且比重在不斷提升。這(zhè)其中，由于太陽能跨季節蓄熱(rè)采暖投資少、成本低、清潔環保而越來(lái)越受到重視。除了(le)民用(yòng)太陽能熱(rè)水(shuǐ)工程以外，賓館、酒店(diàn)、醫院、學校、造紙、食品、醫藥、化(huà)工、林(lín)漁等農、工、商領域的(de)太陽能加熱(rè)、制冷(lěng)、采暖有很大(dà)的(de)拓展空間，大(dà)規模太陽能跨季蓄熱(rè)采暖供熱(rè)制冷(lěng)将成爲能源轉型新路徑。今後，太陽能熱(rè)利用(yòng)将在以下(xià)幾個(gè)方面得(de)到長(cháng)足發展：一是農村(cūn)和(hé)城(chéng)鎮住宅建築、公共建築、經濟适用(yòng)房(fáng)、廉租房(fáng)的(de)太陽能熱(rè)水(shuǐ)系統。二是太陽能供暖和(hé)制冷(lěng)技術，在東北(běi)、華北(běi)、西北(běi)地區(qū)太陽能與常規能源的(de)融合，進行供暖，在需要冷(lěng)熱(rè)雙供的(de)華東、華中地區(qū)以及傳統集中供暖未覆蓋的(de)長(cháng)三角、珠三角等地區(qū)，将重點采用(yòng)太陽能、地熱(rè)能供暖制冷(lěng)技術，建設太陽能熱(rè)水(shuǐ)、采暖和(hé)制冷(lěng)的(de)三聯供系統。三是在工業園區(qū)，積極推進太陽能供熱(rè)與常規能源融合，推動工業用(yòng)能結構的(de)清潔化(huà)，在印染、陶瓷、食品加工、農業大(dà)棚、養殖場(chǎng)等用(yòng)熱(rè)需求大(dà)且與太陽能熱(rè)利用(yòng)系統供熱(rè)匹配的(de)行業，充分(fēn)利用(yòng)太陽能供熱(rè)作爲常規能源系統的(de)基礎熱(rè)源，提供工業生産用(yòng)熱(rè)，推動工業供熱(rè)的(de)梯級循環利用(yòng)。四是利用(yòng)太陽能集熱(rè)産生的(de)熱(rè)能進行發電，如槽式太陽能熱(rè)發電系統、蝶式太陽能熱(rè)發電系統、塔式太陽能熱(rè)發電系統或利用(yòng)螺杆膨脹機進行發電等。經過努力，到2035年，太陽能系統綜合利用(yòng)效率可(kě)達到60%以上（光(guāng)熱(rè)利用(yòng)，比目前提高(gāo)20個(gè)百分(fēn)點左右），實現替代化(huà)石能源消費20億噸标準煤，拉動全社會投資20萬億元，年節約全社會用(yòng)能成本4萬億元，減少一半以上煤炭消耗，實現天然氣自給自足，我國可(kě)成爲能源淨出口國，真正實現能源生産和(hé)消費革命，爲建設美(měi)麗中國和(hé)基本實現現代化(huà)提供能源保障。
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