户用空气源热泵采暖的终结者——                                         落地式太阳能热力站

                               户用空气源热泵采暖的终结者——

                                         落地式太阳能热力站

                                   怡远科技      李穆然    张愈聪

                                               （题图）

序：随着双改（煤改电、煤改气）工作的进行，北方农村的取暖方式近几年得到了极大的改变，污染较大的的散煤和秸秆逐步被干净的电和天然气所取代，空气质量和室内清洁都得到明显改善，也减轻了农户的劳动强度。美中不足的是相对于烧煤，用电和燃气采暖的费用还是相当高的。一旦停止了财政补贴，农民的经济负担变得难以承受，胆量大的农户偷偷地返煤复烧现象时有发生，此风扩展开来，说不定会让双改演变成第二个“大炼钢铁”。避免大范围返煤的唯一途径是找到比电和气使用费用更低的清洁能源。这种能源只有一种，那就是太阳能。遗憾的是当前国内整个社会舆论氛围，对太阳能供暖效果并不看好，记得去年各地的招采公告还有少数标段留给“太阳能+”，今年已经很少看到，指定使用空气源热泵的已占绝对多数。就连段位极高的太阳能龙头大咖们也一个个看风使舵转投空气源门下了。难道真的像一些人所说，空气源将成为农村采暖的唯一霸主，太阳能采暖将被彻底淘汰出局吗？对此，我们完全不认同这种观点。恰恰相反，我们认为在冬季采暖领域，至少在户用方面，太阳能采暖的费用低廉优势根本就不是空气源可以比拟，某些技术短板也可以得到补齐。只要让用户有一个货比三家的机会，，嗯把最终把选择权交给终端用户，那么，被选中的一定是太阳能，而不是空气能（或燃气）。下面对两种采暖方式的各自优缺点做一下比较，欢迎批评指正。

一、相比于空气源采暖，太阳能采暖的十大短板：

1、太阳能最大短板是冬季辐照不足：太阳能做为一种低能流密度能源，使用普通双玻璃真空管太阳能的集热系的唯一办法是找到统，在冬季受到超低气温和日辐照度减量双重作用，致使供水温度达不到终端散热器最低要求（甚至不到40℃）严重影响供暖效果。而超低温空气源热泵在零下20℃条件下，供水温度仍可以达到50℃以上。

2、太阳能系统需要防冻措施：水的冰点是零度，低于0℃就会凝为固体，同时伴随着1/10的体积膨胀。以水为热媒时，结冰对太阳能供暖系统的室外设备，如真空管、循环管路破坏性很大，严重时可造成系统报废。为此需要在管路外面缠绕电伴热带对管路进行加热，或者启动循环泵进行循环，两种方式都需要耗费常规能源。而空气源热泵管路里流动的是防冻工质，天然气不存在为防冻而消耗常规能源。

3、太阳能真空管夏季易过热：停暖以后，用热量减少。尤其到了夏季，强烈的太阳辐照下，真空管里的水会发生沸腾，蒸汽内压飙升，既能够造成大量玻璃真空管爆裂，又加速橡胶密封圈老化。给用户带来经济损失。空气源没有这种担心。

4、太阳能集热器破坏建筑外观：太阳能采暖集热方阵一般面积较大，再加上几百升的储热水箱大多需要安装在用户的屋顶上。这会带来对建筑外观、屋面荷载以及防水性能的影响与破坏。甚至埋下遇强风设备跌落而伤人的危险。而空气能的室外设备是固定在墙边支架上，这些危害一个也不会发生。

5、太阳能组件很零散，安装起来很麻烦：太阳能采暖系统的室内外设备安装过程（严格说是散件组装过程）很难过细规范，遇有不同房屋条件，需要不同处理方法，很难形成标准化作业流程，素有“三分产品七分安装”的说法，不仅费时费力，使用效果还不一定达到要求。空气源热泵作为一种独立的机电一体化产品，安装工作已经形成一种标准化作业流程，适合各种建筑形态与结构，工序简单快捷，也很容易达到预期使用效果。

6、冰雹是太阳能真空管的天敌：近年来，太阳能供暖系统的集热元件几乎百分百采用的是双玻璃真空管，和使用钢化玻璃做透明盖板的平板集热器相比，优点是冬季供水温度得以大大提高，缺点是对突发性冰雹的抗击能力为零。5分钟的冰雹足可把几千根玻璃管砸成一地碎玻璃碴，至今行内没有出现什么可靠的防雹手段，只得抱一种“哪会那么巧就轮到我倒霉”的侥幸心理来进行自我安慰。而对空气能来说，室外机是用钢架固定在墙体上，且有钢板外壳保护，被冰雹砸坏的可能为零。

7、太阳能采暖雪后会临时“死”机：有些人可能认为寒流天气会让太阳能无法供暖。其实不对！因为寒流和清朗透彻的天空一定结伴而行，它带来的结果是辐照度的增加，太阳能得热量不但不会减少反倒会高出平时一些。对集热器产热最大的破坏力是降落在真空管方阵上厚厚的的积雪，它完全遮挡住阳光对集热器的照射，不但产热为零，集热器本身反倒还需要输入外来热量以防冻裂。积雪一天不融化，热量倒供就一天不能停止。而高寒地区融化完一场雪通常要一个月以上，每场雪的间隔时间也许只有二十几天，概率上存在着积雪致使一套太阳能供暖系统采暖季热输出为负值的可能。这也是空气源热泵近年煤改清洁能源招标中频频胜出的原因之一。

8、太阳能系统只能供热不能制冷。而空气源热泵可以冷热联供，冬天供暖夏天送冷。这个本领容易得到管理层的青睐。

9、太阳能系统需要备用能源：太阳能辐照会受到日夜更替和云层有无的影响而具有不连续性，所以也会造成供暖过程的不连续性。空气源只要有空气就有热源，尽管不同温度条件下转化率（COP）会有差别，但毕竟供热连续性不受影响。也使空气源在市场上比太阳能占到先机。

10、太阳能采暖工程调试比较麻烦：空气源设备的工作原理和机械结构很复杂，科技含量高，但运行程序设置却十分简单，用户只要随时根据天气降温情况在面板上提高一下循环水温度就可以维持室温不降了。即便用户文化程度不高也能一学就会。反观太阳能供暖，原理和结构都很简单，谈不上有多高的科技含量。工况流程却复杂多变，连最简单的户用系统控制柜上也有6个输入项，6个输出项。诸如加热、补热、补水，撤水、供热、防冻等每道工序启停条件都要进行一一设置。年纪大的农村用户很难掌握全部操作要领。后台数据调查发现，许多户用太阳能采暖开通后不久，用户自己就把系统断电停用了。询问起原因，有的说起的作用不大，多数是抱怨学不会设置参数，界面一打开就不知道按哪个键好了。怕一旦按错，轻则有热供不出来，重则水漫全屋泡坏家用电器。看来，简化系统调试过程，做到开机“一键通”，也是一步必走之路。（附图1）是一套户用太阳能供暖远程控制柜，附图2是其调试说明书。

                                 附图1                                附图2

二、克服太阳能供暖十大短板的技术对策：

1、提高太阳能系统供暖季辐照强度，最简单的方法是通过增加聚光镜和改变倾角的方式提高集热器在采暖季的能流密度，行内也称“倒倾角聚光”，附图3是加聚光前和加聚光后集热器受光情况对比。附图4是聚光式集热器实景照片。实践证明，此举完全达到了上述目的，同是50只真空管方阵，改造前负30℃天气条件下单方阵最大日得热量为30kwh，热品位≤45℃。改造后最高日得热量达56～60kWh，热品位≥65℃。

                          附图3                             附图4

2、防冻手段：热虹吸既是集热器采热的循环动力，也可用来解决系统防冻问题：因为真空管和储水箱里的水温度很高，即使到后半夜其温度也不会降到30℃以下，这对集热循环管路来说等同于是两个稳定的热源，随着外管路温度的降低，管路内水的比重会加大，进而沿管路下沉，这时水箱和真空管的温水就会自动补充进来形成热虹吸流动。从而保证了集热循环管路的抗冻能力。至于供热循环管路的防冻也无需担忧，因为供热循环的启动次数一定和室外低温有关，天气越冷循环泵启动次数越多，单次循环时间越长。只要把冷水管和供回水管做在同一个保温套内，就足可以确保这三条管路安全过冬了。附图5是系统结构图，附图6是阿坝州农户供暖项目水箱温度曲线。还要指出，空气源虽然不需要耗能进行防冻，但是化霜也离不开电加热的。

                          附图5                              附图6

3、防止系统夏天过热：集热器（及镜面）的安装倾角决定了集热器在不同季节承接着不同的辐照强度，通过几百次模拟计算，找到了最佳的安装倾角值（计算过程省略）。附图7是纬度40度地段集热器中午辐照光路图，附图8是全年聚光指数和平均气温对比曲线，聚光指数值与气温呈现出明显的逆向变化规律，夏季集热器的能流密度仅仅是冬季的1/4。储水箱容积不变，辐照度大幅度降低，自然就遏止了夏季水箱过度升温现象发生。

                           附图7                               附图8

4、集热器及水箱对建筑不友好的处理办法：不要把集热器安装在农户屋顶上，而改为安装在农户庭院内。这不仅避免了集热器对建筑的多种伤害，还带来了抗风能力提高及便于清洗镜面两项利好。独立的集热模块的东西向宽度只有4米，南北宽度只有2米，高度不会超过房檐。北方农村一般院落比较宽阔，立式集热器貌似格栅，即使放在窗前也不阻挡视线。我们把这种安装方式叫做“落地式太阳能热力站”。附图9是安装在北京昌平某农户的太阳能热力站实景照片。

                                             附图9

5、通过结构模块化提高安装效率：集热器支架和镜面支架在工厂预制成型，到现场只用拾几根螺栓紧固就可以向上面固定联箱和尾座，然后插接真空管，把联箱上下口和储热水箱上下口用管路连接，集热侧管路即告完成。水箱供热侧管路上口需串接水泵、管道加热器、压力开关，下口接保压电动阀。这样就只剩下和室内终端散热器供回管口及冷水管管口进行对接一道工序了。对于熟练员工来说，每户的安装时间可以降到2小时以内。和安装一套空气源热泵的时间不相上下。附图10是系统装配式支架结构图。

                                             附图10

6、防雹有术：由于集热器需要镜面的二次来光，所以集热器必需以近于直立状态安装，可以在真空管集热器顶端搭建一个窄窄的防雹棚，来遮挡从天而降的大小冰雹，它只挡冰雹不挡光照。下图是一张经历过鸡蛋大冰雹洗礼的太阳能采暖工程照片。防雹棚同时还起到防止真空管结霜以及防止夜间降温过快的作用（树冠下部的树叶是见不到露和霜的，这和上部树叶遮挡了下部树叶向太空热辐射通道有关）。从附图11可以看到防雹棚的安装方法。其有效性已被一场鸡蛋大雹灾所证实。

                                            （附图11）

7、防雹棚既可防雹又可挡雪：下再大的雪也落不到集热器玻璃管上面，只能落在反射镜上面，反射镜又是有倾斜度的，而且越往北方倾斜度越大，无论是靠自然滑落还是依靠人工清扫，都很容易做到天气一放晴系统便立刻正常产热。不会再让倒供暖现象出现。

                                             附图12

8、太阳能采暖没有制冷功能，没有什么可指责的，多少年使用下来的燃煤炉、燃气炉、生物质也都不带制冷功能，从来也没人抱怨过。空气源可以制冷，也并不涵盖任何温度段，超低温工况就不适合做成冷热兼供机组。相比能不能冷热兼供，更重要的是能量的投入产出之比，即COP值谁大谁小。空气源用在高寒地区做供暖，全采暖季COP平均值很难超过1：2。而太阳能户用供暖项目，集热侧循环采用自然循环，升温不需要任何能量投入，只有供热过程需要一个功率很低的水泵，直接带来运行费用的降低。（相当于COP无穷大）

9、太阳能供暖肯定需要配备常规能源以备不测之需。最佳的搭配是“太阳能+电”，因为加电只是多加一根电热管而已，几乎不增加系统成本。有了电做后盾，在保证供热连续性方面就和空气源没有什么差别了。何况，空气源在超低温条件下也是转为电加热供热方式的，比起太阳能供暖在寒流来临时产热能力不减，尤其在高寒地区，空气源反倒成为弱势能源了。

10太阳能供暖要求具有智能化远程操控功能，对用户来说没有太大的实用意义。其它供暖方式，比如空气源热泵、燃气壁挂炉、生物质、电热水锅炉等，都没有见到这个要求。但是农民用户对这个功能并不太欢迎，除去每年还要额外缴纳一笔服务费用外，操作起来也很繁复，他们更希望操作起来越简单越好。落地式太阳能热力站采用无需远程控制柜的太阳能供暖系统设计，操作起来比空气源热泵还要简单，“一键通”直接设定供暖房间温度即可。下图是其工作原理图。

                                            图13                                    

三、落地式太阳能热力站带来十大惊喜：

1、降低了系统投资成本：同样满足日供热60kWh的条件下（适合40～60㎡建筑面积供暖），太阳能落地式热力站的成本是1.2万元/户。5P空气源热泵是2.8万元/户（含1万元电力增容费用），热力站比空气源可节约一半以上投资成本。和其它两种太阳能利用方式～光伏发电和光热发电工程每瓦造价相比，热力站稳居冠军宝座，三者记录分别是：热力站1.2元/W、光伏发电6元/W、光热发电20元/W。按单位采光面积能源当量转化率分别是：热力站1000W/㎡、光伏发电160W/㎡、光热发电92W/㎡。

2、填补了太阳能光热中低温度段产品空白：北方采暖占终端能源总消耗量的20%以上，需要的最佳介质温度范围50～90℃。太阳能光热全产品系列中恰恰缺失这一温度段的对路产品。普通真空管直晒型每根真空管得到的只有一束光照，出水水温低于50℃。各种带跟踪的聚光型技术可以达到几百度以上，成本又难于被民用采暖所接受。落地式热力站采用了免跟踪的倒倾角聚光新技术，每根真空管都可以得到两束阳光照射，辐照量翻了一番，每根58*1800管子的日产热量达到1kwh的行业最高纪录。它的输出温度恰好满足冬季需要的50～90℃之要求。

3、节约了运行费用：空气源用于冬季供暖情况下，投入一份电能收获两份热能（COP值1：2）。太阳能热力站靠自然循环收集热能，晴好天气无需任何电力投入就可足额产出设计热量。尽管无阳光日子需要电网一比一担纲供热，但三北地区采暖季晴天比例达8成以上。在满足5个月采暖期总供热量9000kWh的条件下，空气源用电4500kWh，按0.53元/kWh计算支付2385元电费。热力站供出热量9000kWh用电2250kWh，电费1193元，仅供暖部分热力站比空气源节省一半的电费。在非采暖季用热方面，热力站基本是零电费。空气源用多少热仍然要1/3的电费支出。

4、消除了多种危害：太阳能热力站具有十“防”功能：防风、防雪、防雹、防霜、防冻、防垢、防过热、防（军团）菌、防雷（击）、防炸（管），减轻了维修工作量，提高了安全等级。

5、保证了热水供给的连续性：上吨容积的立式储热水箱、8cm加厚聚氨酯保温层、顶部取水、出水自动补热这四项措施，保证了水箱内稳定的温度分层，消除了一体化太阳能热水器遇阴雨天断供热水的弊端，可以做到连阴7～10天生活热水照供不误。

6、提升了对环境亲和力：地面太阳能热力站不像一般安装在屋顶的太阳能供暖工程那样容易对建筑外观、屋面防水、结构承重造成某种程度的破坏。也不像空气源热泵那样会产生运行噪声和满地流淌化霜水。

7、缩短了管路长度还不占用室内空间：热力站贴近被供暖房屋安装，最大限度降低室外集热和供热管路总长，有效降低管路热损和循环阻力，显著提高日得热量。水箱不用搭建专用水箱间，节约附加成本，缩短组装工时。

8、提升了洗浴舒适度：虽然水箱非承压又处低位，但只要打开热水阀就可启动水泵自动增压，水停泵也停，确保出水强劲有力。

9、为用户增添了多种应用场景：一台热力站的储水箱容积相当于15台家用太阳能热水器之和，终温60℃条件下，储热量多达60kWh。7个月的非采暖季每天都有大量热量冗余。除洗浴以外，还可以应用在洗衣、洗碗、洗菜、烫脚、食品酿造和水发、谷物和菓蔬烘干、畜禽饮水加温等方面，家里有浴缸的还可以享受免费泡温泉。

10、“一键通”的系统操作：设备安装完毕除去需要在温控旋钮（图14）上设定一下房间温度以外，无需对任何其它运行流程进行设定与调试，通水通电后系统就进入全自动运行状态，该集热能自动集热，该补水能自动补水，该补热能自动补热……，再无需任何人为干预。号称功能最先进的户用采暖太阳能远程智能控制系统（附图15）所提供的所有重要功能，这里全能实现。智能控制不具有的生活热水提供功能这里也能轻易做到。系统还配置了用电计量插座（附图16），随时准确显示用电情况，用户可自行考量系统节能效果。

                            附图14             附图15          附图16

四、结语：综上所述，户用太阳能与户用空气能两种采暖路径成本和效果差异如此之大，三年以内哪个将最后胜出请拭目而待。