真正的太阳能供暖系统

聚能中温太阳能供暖系统

目录

序言 (2)

一、清洁能源供暖是大势所趋 (3)

1.1传统能源供暖现状及问题 (3)

1.2国家大力推行清洁能源供暖 (4)

二、太阳能供暖潜力巨大 (6)

2.1太阳能供暖在清洁能源供暖中优势明显 (6)

2.2太阳能供暖技术亟待突破 (9)

三、聚能中温太阳能供暖系统填补太阳能供暖的空白 (12)

3.1聚能中温太阳能集热器技术核心 (12)

3.2聚能中温太阳能供暖系统系统介绍 (14)

3.3聚能中温太阳能供暖系统的特点 (17)

3.4聚能中温太阳能供暖系统的应用案例（单户供暖系统） (18)

四、聚能太阳能系统技术展望 (20)

五、总结 (22)

序言

随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，发展的同时，常规能源的大量使用对环境造成不利影响，发展与环境之间的尖锐矛盾成为了社会所面临的重要问题，低碳发展已经成为社会共识。在此背景下，仅仅依靠对某种燃料或者技术的政策是行不通的，这需要我们迈向更低碳的能源结构转型道路，可再生能源将是能源增长的最大来源。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，将成为未来能源结构中的重要补充部分。

目前太阳能利用主要有光电利用和光热利用两种。太阳能光电利用主要是利用光伏板将太阳辐射能转换为电能，属于对太阳能热量的间接利用；而太阳能光热利用主要是利用太阳能集热器将太阳辐射能转换为热能，属于对太阳能热量最直接的利用。

使用太阳能光热利用技术打造出一款建筑供暖专用的系统，提高太阳能系统的转换效率，特别在严寒或极寒地区也能够有效使用，这将对低碳发展有着非常积极的作用。太阳能供暖是太阳能光热利用的新方向，越来越受到人们的重视。

一、清洁能源供暖是大势所趋

1.1传统能源供暖现状及问题

长期以来，我国北方地区冬季供暖以燃煤为主。到2016年底，我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米，其中燃煤供暖面积占了83%，供暖用煤年消耗约4亿吨标煤，约占全国总能耗的10%；其中散烧煤（含低效小锅炉用煤）约2亿吨标煤，主要分布在农村地区。

燃煤供暖最主要的问题是产生大量的污染物，会对人与环境造成严重的危害。比如烧煤过程中产生的一氧化碳会导致居民中毒；而产生的颗粒物也会导致城市雾霾加重，损害人体健康，特别是呼吸道方面影响较大，诸如急性呼吸道感染、慢性气管炎、肺癌和哮喘等呼吸道疾病。从长期发展来看，燃煤供暖中产生的二氧化硫和氮氧化物等有害物质会造成酸雨等现象，产生大量的二氧化碳会加速全球气候变暖，导致冰川融化等一系列危害人类生存的自然灾害，对人类的生活环境影响巨大。

近年来，国家力推清洁供暖，在部分城镇地区禁止燃煤供暖已取得了一定成效，但农村地区采用燃煤取暖的现象依然普遍，这将导致燃煤供暖的污染问题得不到根本解决。通过太阳能等清洁能源供暖全面取代燃煤供暖，这对于降低污染物的排放，改善人民生活环境，提高人民生活质量具有重要作用。

1.2国家大力推行清洁能源供暖

随着社会经济的发展，生态环境问题在国家决策中的权重越来越高，国家能源结构优化调整势在必行。同时，我国对能源结构的优化调整将促使新型供暖方式不断涌现。未来供暖方式必将向低碳、智能、多样、个性化、“多能互补”转变，清洁供暖是指利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、清洁化燃煤（超低排放）、核能等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的供暖方式。

推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》制定了2021年全国达成70%清洁取暖率的总体目标。《规划》针对“2+26”重点城市提出了更高的要求，到2021年，城市城区全部实现清洁取暖，县城和城乡结合部清洁取暖率达到80%以上，农村地区清洁取暖率60%以上，力争初步实现雾霾严重城市地区的供暖清洁化，这体现了国家保护人民生活环境的决心。

目前北方地区清洁供暖改造主要以电和气为主。相比于燃煤取暖，电和气虽然清洁，但成本较高，不得不依赖于政府的财政补贴政策；且电和气受限于电网

和燃气管网供应范围和能力，推广区域范围也有限。部分地区出现群众用不上、用不起清洁能源的问题。因此国家在政策上大力鼓励企业通过技术创新实现国家未来多能源互补和更低碳的能源结构转型。在此发展趋势下，清洁能源供暖在中国未来10年将大有可为，清洁能源供暖市场将迎来巨大的商机和发展。

二、太阳能供暖潜力巨大

2.1太阳能供暖在清洁能源供暖中优势明显

2.1.1目前清洁供暖方式存在不足

目前清洁供暖方式主要有天然气供暖、电供暖、生物质供暖、清洁煤供暖4种。

天然气供暖：

天然气相比燃煤有更高的燃烧效率和更小污染气体排放量，但使用天然气供暖价格偏高，居民返用燃煤供暖现象频发，造成“返煤”现象。并且，我国的天然气高度依赖进口，供应保障能力较弱，冬季时某些地区容易出现断供现象，会造成民生问题。此外，天然气管网覆盖属于国家基建工程，目前涉及范围相对较小，很多农村地区无法普及，在偏远的新疆和西藏等农村地区，使用天然气供暖几乎不现实。

电供暖:

当前电供暖主要有电锅炉与空气源热泵两种：电锅炉的运行成本极高，连城镇的居民都难以承受，农村地区的老百姓几乎不用；空气源热泵的运行成本在普通寒冷地区与天然气供暖成本相当，但是在严寒地区空气源热泵的运行费用会急剧增加且供暖效果极差，导致空气源热泵无法在严寒地区使用，无法达到供暖需求。因此在推广电供暖进程中，由于电的使用成本高，同样会造成“返煤”现象。且农网需要采用电供暖还需要电网增容改造，这笔改造费用也非常高昂，无法解决农网用电供暖的燃眉之急。

生物质供暖:

生物质供暖是指使用生物质颗粒作为燃料的供暖方式，生物质颗粒由木屑、草类、垃圾残留物或农作物残留物等原料经过加工制成。生物质供暖适宜就近收集原材料生产使用，但是实际情况会受到原料供应不足的影响，难以稳定满足供暖需求，并且价格波动大。除此之外，生物质供暖的运行成本尚比天然气稍高。然而生物质颗粒燃烧依然存在着轻度的污染。

清洁煤供暖:

清洁煤是以低硫、低灰、高热值的优质无烟煤为主要原料，加入固硫、黏合、助燃等有机添加剂加工而成的煤制品。当前散煤受到国家严格控制，同时清洁煤的总量也一样受限，逐年递减，导致价格持续走高。清洁煤燃烧效率低，且同样对环境有污染。

综合以上各能源供暖应用情况可以看出：当前主流清洁能源供暖成本居高不下，各自也存在着许多不足，目前急需一种运行成本更低的供暖方式来满足广大北方地区供暖需求。

2.1.2太阳能供暖优势明显

中国太阳能资源分布图

太阳能作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。

中国是太阳能资源相当丰富的国家，从中国太阳能资源分布图（太阳辐射从绿色到红色逐渐增强）可看出，我国绝大部分需供暖地区都适合采用太阳能供暖。

太阳能供暖可极大地弥补天然气、电、生物质和清洁煤供暖上的不足，优势非常明显：

●运行成本极低，太阳资源取之不竭，不再担心“返煤”现象；

●节省电、气巨大的基建改造费用，同时降低对国外能源的进口依赖；

●零排放，实现真正意义上的环保;

●集中分散均可灵活部署，特别适合新疆和西藏等偏远和极寒地区。

因此，快速发展太阳能供暖技术，将可极大弥补现有清洁能源供暖方案的不足，推进《规划》的真正落地。

2.2太阳能供暖技术亟待突破

近年来，国家政策鼓励发展太阳能供暖技术及应用。国内从事太阳能光热领域的厂商和专家响应国家号召，利用现有太阳能光热技术用于打造满足建筑供暖要求的太阳能供暖系统。目前，太阳能供暖系统都是基于现有的太阳能光热技术打造而来的，主要分为两类：第一类是基于传统太阳能热水技术的供暖系统，第二类是基于高温太阳能光热技术的供暖系统。

然而太阳能供暖技术要求系统在冬季仅靠太阳能（不依靠其他辅助能源）就可持续保持供暖水温达55℃以上，特别在严寒或极寒地区（温度甚至低至零下40℃）也能够有效使用，这实现起来并非易事。

目前，上述两类系统并不能有效解决太阳能建筑供暖的问题。基于传统太阳能热水系统技术的供暖系统在冬季时受外界温度影响极大，集热效率低，集热温度不足以满足建筑供暖的要求；而基于高温太阳能光热系统技术的供暖系统建造价格昂贵、环境适应性差。这两类产品在实际建筑供暖的应用中均存在缺陷，不适用于太阳能供暖领域。以下是详细的说明：

2.2.1传统太阳能热水系统不适用于太阳能供暖领域

传统太阳能热水系统主要分为平板型和全玻璃真空管型（如下图所示）。这类系统普遍应用于提供生活热水，技术比较成熟。近年来，很多太阳能系统厂商和专家把这类系统进行改造，并将其应用到建筑供暖领域，推进了太阳能供暖领域的探索与发展。

但是这类系统因其产品结构问题，受外界温度影响极大。在冬季，系统的集热效率会大幅降低，集热温度不足以达到供暖要求，导致系统只能通过大量电加热来提供供暖能源，无法仅靠太阳能来产生满足供暖所需的热量，所以这类系统不适用于太阳能供暖领域（以下附详细说明）。

平板型：其平板集热器是非真空型的，在北方寒冷或严寒地区低温环境下，集热器的热量大量向外部环境辐射，以致其工作效率大幅下降到30%以下，使得室内供暖水温不足40℃，无法达到供暖需求。

全玻璃真空管型：在北方寒冷或严寒地区低温环境下，真空管的集热效率大幅下降且全玻璃真空集热管非常容易破裂。由于全玻璃真空管的特殊结构，使得任何一根集热管破裂，整个系统的水都会倾泻而出，存在重大安全隐患。

2.2.2高温太阳能光热系统不适用于太阳能供暖领域

高温太阳能光热系统通过主动跟踪设备和聚光器高效吸收太阳能辐射，然后由换热装置产出高温蒸汽推动汽轮机发电（产品如下图）。因为此类系统主要是用于发电，集热温度高（400℃以上）、体积大，并不能直接用于供暖，所以国内厂商和专家基于现有的高温太阳能光热系统技术尝试打造出集热温度与体积都更适合供暖领域的小槽式太阳能系统。

小槽式太阳能系统，由太阳能真空管、聚光板、跟踪设备等构成，这与太阳能槽式发电系统的结构是一样的。但小槽式太阳能系统也存在难以克服的缺点：

●系统使用的高温太阳能真空管采用特殊材料且制造工艺复杂，价格昂贵；

●系统使用的主动跟踪设备的结构复杂、调校难度高，工程整体成本高昂；

●系统需要高倍聚光，对环境清洁度要求非常高，少量灰尘就会大大影响

聚光效果，环境适应性差。

综上，小槽式太阳能系统不适用于太阳能供暖领域。

建设成本高：小槽式太阳能系统由太阳能真空管、聚光器和跟踪设备等构成，其使用的太阳能真空管和跟踪设备的成本都使得整个系统建设成本偏高。系统采用高倍聚光可将真空管内介质快速提升至较高温度，因此真空管需要承受较高的温度而不至于破损（80~250℃），而在集热温度超100℃时，真空管的金属膨胀比玻璃要快，容易造成玻璃破裂等安全问题，解决此问题的工艺复杂、材料昂贵，行业内此类高温太阳能真空管的造价不菲；系统的主动跟踪设备的调校及其维护的成本都是比较高昂的，这将整体推高了小槽式太阳能系统的建设成本。

环境适应性差：小槽式太阳能系统采用高聚光比的聚光器，此类聚光器对环境的清洁度要求极高，在粉尘污染较大的环境下，集热效率会大幅下降，适用区域将大受限制。

2.2.3太阳能供暖的突破方向

传统太阳能热水系统的改造方案不可用于建筑供暖，核心原因是冬季集热温度不足；高温太阳能光热系统的改造方案无法用于建筑供暖，核心原因是其成本极高。太阳能供暖技术的突破方向在于研发出一款真正以太阳能作为主能源的供暖系统，该系统的集热温度要比传统太阳能热水系统更高、且经济性与环境适应性比高温太阳能光热系统更佳。然而这并不容易，其生产门槛极高，是所有太阳能光热利用领域厂商和专家的共同挑战。

三、聚能中温太阳能供暖系统填补了太阳能供暖的空白

广州聚能太阳能科技有限公司突破了太阳能供暖的技术瓶颈，研发出稳定、高效的“中温太阳能供暖系统”。根据实际测试数据，系统在冬季仅靠太阳能（不依靠其他辅助能源）就可持续保持供暖水温达55℃以上，特别在严寒或极寒地区（温度甚至低至零下40℃）也能够有效使用，关键性能均能达到国内外领先水平，填补了太阳能供暖的空白。

3.1聚能中温太阳能集热器技术核心

3.1.1复合抛物面聚光器技术

中温太阳能集热器采用复合抛物面聚光器（Compound Parabolic Concentrator，简称CPC聚光器）集热技术，将接收到的光线有效汇集到聚能自主研发的真空集热管（如下图）。

CPC聚光器具有集热温度高、非跟踪聚光、适应范围广三大特点：

集热温度高：CPC聚光器的聚光功能使得太阳能的集热温度大幅增加，克服了传统太阳能热水系统冬天温度太低，无法满足采暖要求的缺陷。

非跟踪聚光：CPC聚光器采用固定朝向安装，不需要主动跟踪太阳位置。相比槽式、碟式、塔式等主动跟踪太阳的聚光设备，CPC聚光器不需复杂的主动跟踪系统，安装方便，维护简单，不容易出现故障。

适应范围广：CPC聚光器可将多种角度的光线反射到太阳能真空管（如上图），当CPC聚光器有粉尘（会产生漫反射现象），光线仍可以反射到太阳能真空管中。因此，CPC聚光器对聚光面洁净度要求较低，可降低清洁维护的频率，应用范围更广，相比于槽式等需要精准聚光的系统有优势。

3.1.2自主研发的金属-玻璃真空集热管

CPC聚光器可将接收到的光线全部汇集到太阳能集热管，进而将集热管的温度提升至100~250℃。然而，在集热温度较高的情况下，全玻璃真空管会爆裂，导致系统瘫痪。由此太阳能集热管必须采用金属-玻璃真空管（外层玻璃，内层金属，中间抽真空），这就会带来一个重大的技术难题：由于金属比玻璃的膨胀系数要高得多，在高温下金属会撑爆玻璃，因此金属与玻璃的密封就成为了金属玻璃真空管在中高温应用中的技术核心。

目前做太阳能高温管的厂家为了解决该问题，其方案是采用昂贵的高膨胀率玻璃，并在金属与玻璃之间加装合适的膨胀节、可伐合金等过渡材料，这会使得金属-玻璃真空管的造价较高。有些企业为了降低玻璃的费用，换成普通玻璃，但这种做法又大大增加了焊接成本，整体费用无法下降。

本公司突破太阳能封装技术难关，研发出一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的特殊新材料，可将金属与普通玻璃熔封在一起，保证在中高温下玻璃管不会漏气，使得金属-玻璃真空集热管在中高温情况下稳定运行。

聚能自主研发的“金属-玻璃真空集热管”配合CPC聚光器组成高效集热器，从而打造出一款非跟踪聚光式中温太阳能系统。该系统集热温度高，无需复杂的跟踪系统，适应范围广，将是供暖应用的不二之选。

3.2聚能中温太阳能供暖系统系统介绍

聚能中温太阳能供暖系统主要分为多户集中供暖系统和单户供暖系统两类。多户集中供暖系统适合居民集中地区建造安装，优势在于供暖系统的统一维护和供暖用户的集中管理。单户供暖系统适合居民分散地区建造安装，在偏远或人口稀疏地区均可高效部署。

3.2.1聚能中温太阳能多户集中供暖系统：

系统图：

流程图：

聚能中温太阳能多户集中供暖系统以聚能太阳能集热器阵列为主要产热端，以辅助锅炉（辅助锅炉的燃料没有限制，可以是天然气、电、生物质等燃料）作补充以解决阴雨天等太阳能不足的情况。产热端产出的所有热量都通过导热油输送存储在蓄热水箱/熔盐蓄能罐之中，蓄热水箱中的高温热水（100℃左右）输送到换热站进行温度调节，换热站将温度适宜的热水（65℃左右）以提供给供暖用户使用。

3.2.2聚能中温太阳能单户供暖系统：

系统图：

流程图：

聚能中温太阳能单户供暖系统以聚能中温太阳能集热器为核心进行设计，配合以太阳能光伏板驱动的太阳能循环泵，打造出产热端为真正“零消耗”的太阳能供暖系统。

单户供暖系统供暖流程分为两个循环：1.太阳能集热循环（集热）；2.供暖循环（用热）。

太阳能集热循环：聚能中温太阳能集热器高效吸收太阳能后通过太阳能循环泵将热量输送至蓄热水箱中存储起来。阴天或者太阳能不足时，用辅助电加热器（或其他辅助加热器）补充水箱的温度。

供暖循环：当室内温度低于用户设定温度时，供暖循环水泵自动启动，将热水输送至散热器（暖气片或风机盘管），以提升室内温度。当室内温度高于设定温度后，供暖循环水泵自动停止，使室内始终保持在舒适的温度。

3.3聚能中温太阳能供暖系统的特点

●太阳能为主能源：聚能中温太阳能供暖系统集热温度高，受外界温度影

响极小，从根本上实现了以太阳能为主能源用于供暖的目标。这得益于自主研发的“金属-玻璃真空集热管”与CPC聚光器的完美结合。

●运行成本极低：系统采用太阳能作主能源，利用辅助能源进行适当补充，

整体受能源价格波动影响极小。在供暖季，系统单位供暖面积的运行费用每月不超过2元/平方米，运行成本极低，无需政府补贴，即可做到比燃煤更低的运行费用，从根本上杜绝了“反煤”现象，是其他供暖方式无法比拟的。

●延长供暖期：不同的用户在供暖需求上存在差异，比如有些用户希望供

暖时间提前一些，然而传统的分散供暖运行成本较高，大部分居民不舍得提前开暖气。聚能的中温太阳能供暖系统，使用太阳能资源，运行费用极低，因此居民可根据具体需求提前开始供暖或延后结束供暖，无需考虑运行成本的问题，让生活更加舒适。

●清洁环保，安全可靠：系统用于建筑供暖可减少二氧化碳、氮氧化物等

污染物排放，清洁环保；可减少低效煤炭的使用，节约能源，保护环境，同时避免一氧化碳中毒等事故发生，安全可靠。

●集成互补性强：系统可与电、天然气、生物质等辅助能源相结合，形成

“太阳能+”模式。可结合当地资源优势特点采用不同的互补方式，保证系统稳定供热，最大程度地满足供暖需求。

●适应范围广：系统无地域限制，在居民集中地区和分散地区均可安装部

署，可根据场地的具体情况灵活调整建设方式及安装面积；系统核心部件太阳能集热器抗冲击能力强，可应对冰雹、风雪等恶劣气候，防风雪设计，便于清扫和维护，在藏区等严寒地区均可正常工作。

3.4聚能中温太阳能供暖系统的应用案例（单户供暖系统）

项目背景

山东东营某民宅购置了冷暖两用空调机，夏天用于制冷，冬天用于供暖。然而使用中发现采用电供暖的方式，冬季用电成本很高；且由于1.5匹的空调功率不足以提供40平方米房间的供暖所需热量，需要考虑更换供暖设备。户主认为电供暖的方式过于耗费资源，希望采用“低运行成本”、“清洁环保”的太阳能供暖方案。在2019年，聚能公司为其搭建一套满足民宅使用的太阳能供暖系统。项目概况

民宅属于砖混结构建筑，供暖面积40平方米，总高6米，单层尖顶结构，屋顶仅简单铺了防水稻草，供暖期间大量的热量会通过屋顶流散到室外，保温效果比较差，在房屋3.3米高处做了简单的吊顶，经测算供暖实际能耗为国家标准节能房屋的2~3倍，能耗大。

聚能为其搭建的中温太阳能供暖系统，集热面积10平方米，利用蓄热水箱收集系统所吸收的太阳光热量，高温热水通过水循环进入室内管道，并利用风机盘管将热量提供给该民宅用于供暖。

该项目的系统参数如下：

系统功能供暖

集热器类型中温集热器

集热器采光面积10平方米

蓄热水箱750L保温水箱

系统设计原则集热器集热回路采用承压系统，保证集热效率；而供暖回

路采用开口非承压系统

防冻保护方案防冻液防冻

辅助热源电加热

项目运行效果

系统于2019年11月竣工，已正常运行使用了一个供暖季（2019年11月~2020年3月）。太阳能供暖系统以10平方米集热面积，提供了40平方米民宅的供暖热量。在晴天有阳光时，仅靠太阳能可将水箱温度提升至70~90℃，高温热水通过水循环进入室内管道，并利用风机盘管将热量提供给该民宅用于供暖，可维持室内温度18℃以上，时长达16小时以上。与电供暖方式比较，大大节约了电能。

经过一个供暖季，整个系统的节能率达70%以上，并且完全满足民宅供暖的需求。操作方面，系统采用智能控制自动运行，白天有太阳时自动开启集热循环，晚上水箱温度下降至一定温度后自动开启电辅助，无需人工操作。

整个太阳能供暖系统的运行效果，不仅解决了该民宅的供暖问题，还大大降低了其供暖成本。本系统的经济及环保效益显著，具有很好的社会效益。聚能太阳能供暖系统的实际应用，填补了太阳能供暖领域的空白，为清洁能源供暖的下一步推广和使用打下良好的基础。

四、聚能太阳能系统技术展望

广州聚能太阳能科技有限公司通过不断创新和研发，致力于中温太阳能系统，开发出集热效率更高、性价比更好、性能更稳定的中温太阳能集热器，已于近两年取得了有效的成果。除了中温太阳能采暖系统外，聚能中温太阳能集热系统也拥有着非常广阔的应用前景。

1．工业领域应用：

研究数据表明，工业用热耗能极其显著，我国工业用热能耗占全国每年总能耗的35%~49%。其中大部分工业用热温度需求都在250°C以下。根据下表统计分析，可利用中温太阳能集热系统提供热源的领域主要包括：石油化学、食品饮料、纺织印染、交通运输等工业领域。热能利用方式以水蒸气或热空气为主，主要应用温度集中在120~180℃范围。由此可见，中温太阳能热利用市场庞大且需求强劲。

太阳能用热的潜在工业领域及工艺过程表