北京密云区石城镇桃花地新村太阳能供热采暖工程位于密云区石城镇政府以北一公里路边，密云水库西侧。
密云水库是几千万北京居民的“生命之源”。保护水库周边环境的重要性是不言而喻的。以前农村居民多采用小型燃煤炉+散热器自然循环的形式进行采暖，这种方式排放大量污染物，造成严重的大气污染，大气污染中的有害物质部分通过降雨（雪）威胁到水库水质保护。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，是取之不尽、用之不竭的洁净能源。利用太阳能采暖技术减少大气污染是落实首都蓝天行动的重要途径之一。因此石城镇政府在桃源新区建设中采用了新型绿色房屋并安装了太阳能采暖系统，结合水箱内置电加热替代了散煤燃烧取暖系统，尽可能的减少污染物的排放，保护水库环境。
石城镇桃花地新村建筑为单体独栋住宅，共45栋，每栋2层，采暖面积200平方米左右。该建筑的围护结构较好、保暖性能良好；屋面为坡屋顶，主体朝向为正南方向，采光条件良好，适宜于安装太阳能集热器。
本项目建筑形式为二层，由于受屋顶安装面积限制，每户只能安装18㎡平板集热器，冬季为住户一层提供地板低温辐射采暖，达到部分节能的目的。春夏秋季为用户提供充足的生活热水。除了连续阴天等不利气象条件，太阳能系统可以完全满足三季生活热水的需要。当太阳能不能满足需求时，辅助热源电加热满足用能要求。建筑二层的采暖根据需要使用空调解决。
2、系统设计
2.1 设计原则
本系统考虑到采暖的季节性，因而确定的设计原则是：在采暖期，太阳能供热采暖系统主要用于采暖，同时提供少量的生活热水；在非采暖期，太阳能供热采暖系统为住宅提供生活热水，做到全年综合利用，从而使整个系统产生更大的经济效益。
2.2 系统组成及运行原理
图1给出了密云石城镇太阳能供热采暖系统的原理示意图。该系统由太阳能平板集热器、水箱（含电加热器）、循环管路、控制系统、地板采暖系统、水泵、洗浴喷头等组成。太阳能集热器安装在屋顶南坡，水箱、水泵及控制系统都安装在一层厨房间内。
太阳能集热系统采用温差循环方式，落空式防冻防过热设计。在集热器上集管和储热水箱下部设立两个温度测点（T1和T2），当T1与T2温差高于设定上限温差，太阳能循环泵开始运行，把集热器吸收的太阳能能传输到储热水箱；当T1与T2温差低于设定下限温差，太阳能循环泵停止工作；在冬季当T1达到防冻警示温度后，循环泵停止工作，太阳能集热器中的水在重力作用下回流到水箱，实现排空防冻；在非采暖季，只要水箱高于设定最高温度，循环泵停止工作，集热器中的水回流到水箱，系统停止往水箱输送热量，集热器逐步达到闷晒平衡状态，实现排空防过热。
系统实现全自动运行，当需要采暖时，开启采暖循环泵，将储热水箱的热量通过管路和地板采暖系统送到房间中，以提高房间温度，达到提高和保证室温的目的。
系统为全系统节能运行模式，分为不同时间、不同季节相互配合切换使用，使整套供暖系统达到最佳的节能效果。
由于太阳能受天气和室内管道散温情况的制约，为了能够很好的满足用水的要求，太阳能系统设计辅助热源，本工程采用电加热系统作为辅助热源。电加热系统简便易行通电即可使用。在阴雨天太阳能提供的热水不能满足用热要求时，微电脑控制器开启输出信号，开启辅助电加热系统，当太阳能供热温度高于或达到正常供热值时，辅助加热系统停止加热。最大限度地利用太阳能，达到节能的目的。
2.3 系统技术特点
2.3.1 与建筑相结合设计
本采暖系统在设计时首先考虑太阳能与建筑相结合设计问题。集热元件采用平板集热器，与屋面平行安装，与建筑协调美观；同时，为了房屋内部的美观，集热器的循环管路布设在墙内。
2.3.2 垂直分层复合储热水箱
本太阳能采暖系统采用复合水箱，属国内首创技术应用，该水箱将开式储热水箱和闭式生活热水水箱嵌套在一起。储热水箱设计成开式水箱适宜于落空式太阳能系统；闭式生活热水水箱利用水箱壁面进行换热，省去换热系统，并利用自来水管网压力提供洗浴用水，系统结构简单，成本低。生活热水水箱与太阳能集热系统和采暖系统隔开，并采用搪瓷水箱，保证生活热水达到饮用水水质；嵌套水箱还可以大大提高非采暖季的热水供应量；太阳能系统与采暖系统为直接系统，不设置换热装置，可降低太阳能系统工作温度，提高太阳能的集热效率。
水箱另一个显著特点是设计成垂直分层水箱。垂直分层水箱工作原理是利用水在不同温度下的密度差，实现同一水箱可以产生不同的温度分区，即低温的水位于水箱底部，高温的水位于水箱上部，相互不掺混。太阳能集热器与分层水箱下部相连；采暖系统与水箱中部相连；水箱上部水温最高，布置生活热水水箱。
对于节能建筑，低温地板辐射采暖的供水温度较低，一般在30℃~40℃；太阳能集热系统一般根据水箱底部温度决定其工作温度，工作温度越低，太阳能系统集热效率越高；生活热水要求供水温度较高，一般在50℃~60℃，尤其为了避免军团菌滋生，不允许生活热水长期处在30℃~40℃温度范围内。垂直分层水箱可以满足以上不同用途水的温度要求。
2.3.3 低温地板辐射采暖系统
本太阳能供热采暖系统采暖末段采用低温地板辐射采暖系统，该供暖方式有如下优点：
1）系统通过地下换热盘管加热地面，地面向房间散热，形成脚暖头凉的温度场，符合人体生理学需求，提高采暖的舒适度；
2）地板辐射采暖供水温度低，适合与太阳能集热系统结合，太阳能集热器工作在高效率区域，提高太阳能利用效率；
3）地板辐射采暖有较大储热能力，可以减少储热水箱的容积，此外节能建筑可以在夜晚关闭采暖系统，利用地面热容保证室内的温度。地板辐射采暖设计中，盘管采用密管距，低供水温设计方案，保证系统高效率运行。
2.3.4 排空防过热防冻措施
本太阳能供热采暖系统冬季采用排空防冻，水泵一停或者意外停电情况下，水自动回流到水箱，避免系统结冻和过热造成系统故障，并减小夜晚的热损失。
2.3.5 电加热辅助
本太阳能供热采暖系统辅助能源是电加热，清洁能源，低谷电期间可以蓄热，运行费用低。
2.3.6 全自动运行，操作方便
本太阳能供热采暖系统可以全自动运行，密云区石城镇桃花地新村相关用户在不更改设定参数情况下无需进行相关操控，只是在更改设定参数时才需要进行操控，且更改参数可以参照说明书指导进行，非常方便。所以项目无需专业运行管理团队，用户可独立操作，独立管理。
3、系统经济环保效益分析
本项目最终审定工程价格为2005590.30元，共45户，单户造价44568元。从本项目投资回收年限看，以太阳能采暖方式替代电能等价格比较高的能源，投资静态回收期大致在8.5年左右，而系统寿命在15年，所以静态投资回收期远低于系统寿命，投资回报较高，项目技术经济性较好。
单户太阳能系统年替代散煤量为3787 Kg/年，二氧化碳减排量10224Kg/年；二氧化硫减排量204 Kg/年。整个项目45户年节约散煤170t/年，年减排二氧化碳460t/年，年减排二氧化硫9t/年。
项目自建成运行至今，经济效益方面与单纯电取暖相比共节约电费55.8万元，社会效益方面相比较散煤燃烧取暖相比共减排二氧化碳1288t，减排二氧化硫25t。
4、系统运行结果及安装实景图
项目自从2013年11月正式投入使用以来，经过了实际考验，目前45套系统整体运行情况良好。
经过走访用户并结合软件模拟，本项目考虑供暖/热水全部需求情况下，采暖季太阳能采暖系统负责区域内室内温度一般设定在20℃，全年太阳能保证率在40%左右，全年运行费用约为15~20元/平方米。
该项目被评为2016年度“首都蓝天行动科技示范工程”。
图4 密云石城镇太阳能供热采暖系统实景
5、结语
项目总体成效体现在如下几个方面：首先是绿色环保，采用的是太阳能这种洁净的绿色能源，避免了矿物质燃料对环境的污染，能为用户提供一个干净舒适的生活空间；然后是高效节能，太阳能供暖系统能最大效率的利用太阳能，可节约能源成本40%~60%以上，运行成本大大降低；接着是安全可靠，太阳能采暖不会产生传统烧煤采暖炉一氧化碳中毒的危险，它是安全可靠的系统；最后是美观长久，平板太阳能集热器可布置在坡屋顶，与建筑结合较好，且全部金属流道，金属边框，使用寿命长。
该项目技术成熟，最先应用于平谷挂甲峪村的村民新建住宅采暖，还有在平谷区黄松峪乡、金海湖镇、王辛庄镇、平谷县城等散户户用太阳能采暖系统，石城镇项目是该技术第二次大规模应用。目前北京市太阳能研究所集团有限公司采用此技术所做的太阳能采暖系统，合计安装集热器面积3280m2，合计服务建筑面积23900m2。
该太阳能供热采暖相关技术通过中国农村能源行业协会组织专家进行的技术鉴定，鉴定结论表明：该项技术采用平板集热器、嵌套式温度分层水箱、排空的防过热防冻措施、全自动控制，具有可靠性高、热性能好、运行费用低等特点。嵌套式温度分层水箱，将开式储热水箱和承压生活热水水箱结合构成夹套式换热器，系统利用水箱温度分层满足不同供热温度需求，保证系统高效运行。该技术曾经于2010年应用在“新型太阳能采暖系统”，获得北京市自主创新产品证书，于2011年应用在“全天候太阳能供热采暖装置”，获得国家重点新产品证书。
（作者：北京市太阳能研究所集团有限公司 律翠萍、郝睿）
