冬天超高温太阳能供热供暖综合系统
建设试点申请书
本申请包含以下九个部分：
一、申请原因；
二、太阳能源——农村乡镇建筑采暖用能的必然选择；
三、政策条件与技术依据；
四、我国实施太阳能采暖现状；
五、冬天超高温太阳能供热供暖综合系统运行特点；
六、各种能源供暖效益比较分析表；
七、农村建筑利用太阳能采暖的战略意义；
八、房屋采暖热负荷标准和集热器面积计算；
九、一个单体建筑试点资金计算。
一、申请原因
1、解决农村建筑能源问题是我政府与相关部门的重要职责
加强村镇规划和整治，改善农村人居环境，改变村容村貌，是新农村建设的重要任务之一。
农村住宅科学合理规划设计，要与能源发展和国民经济可持续发展相结合，在建筑节能与采暖用能方面，鼓励使用可再生能源，加大可再生能源可行性技术的推广和利用。这也是地方政府和相关部门的重要职责。
2、冬天超高温太阳能技术提出了可行的办法
中国农村能源行业协会太阳能综合利用协调组，本着“解决关键环节关键技术，降低成本”的精神，组织有关专家研制成功非跟踪聚光型真空管集热系统、曲尺型真空管集热系统、高效密排真空管技术等，专门用于太阳能采暖，已成功申请专利并在多个试点试用，效果良好。行业协会希望尽快推广这些技术，为我国的节能减排、为新农村建设做出贡献。
我县地处华北平原，农村居民建筑以一层或二层独栋建筑为主，冬季采暖耗能严重，但是采暖保证率不高，村民冬季生活舒适度低。为此，我对太阳能采暖的实际情况进行了多方了解和考察，对聚光太阳能采暖等冬天超高温太阳能技术进行深入了解，并多次与相关专家进行广泛探讨，希望找到一条解决我县人民冬季采暖问题的可持续发展的道路。
经考察，我们认为高效聚光型真空管、曲尺型真空管集热器等冬天超高温太阳能供热供暖综合系统是一项比较成熟的技术，从解决当前问题和可持续发展看来，是值得试验和推广的解决农村供暖问题的方法。
据了解，国家会对太阳能等可再生能源的技术发展和开发利用有一定的支持，所以特申请先在我县进行3-5个单体建筑的试点，进行冬天超高温太阳能采暖系统建设或改造。请政府予以重视并审批。
二、太阳能源——农村乡镇建筑采暖用能的必然选择
建筑采暖用能，占我国生活用能的很大一部分，一个普通家庭每年仅采暖就要消耗煤炭1.5~3吨。此外，洗浴、炊事、洗衣等生活用热水也消耗不少的燃气或电能。下面是北方农村冬季采暖常用的几种能源使用状况分析。
1、燃煤
目前我国北方农村家庭住宅供暖，大都是采用直接燃煤炉或土暖气，存在问题:价格逐渐提高；燃烧效率低，浪费大量宝贵的矿石燃料；排放二氧化碳等污染气体；温度波动较大，供暖质量很差；容易诱发疾病，危害人民身体健康。
因此，为提高生活品质，节省传统能源，农村家庭住宅采暖必须改变主要用煤炭的老路。
2、电·燃气·地热·风能
在农村建筑采暖用能的替代办法中，电、燃气价格昂贵，地热能、风能等替代能源不是任何地方都有，只有秸秆等生物质能和太阳能两种能源具有可行性。
3、秸秆柴草等生物质能
农作物秸秆、柴草是最原始的农村生活用能源，用于采暖则存在以下几方面问题：其一，很多作物秸秆可以作饲料，其价值更高。其二，作物秸秆热值低，烟熏火燎，污染生活环境，燃烧使用很不方便，群众不愿意用。其三，一部分作物秸秆可做工业原料，（如稻草麦草可造纸）一部分秸秆可还田作肥料。除去上述用处，所剩的秸秆量已不多，用于采暖已不足够。
另外，城乡结合部以及别墅、乡镇医院、学校等，不适用秸秆柴草采暖。
剩下的只有太阳能一条路。
4、太阳能资源丰富
从资源方面说，我国主要采暖区在北方，而北方又恰好是日照比较好的地区，太阳能资源比较丰富。尤其在需要采暖的冬季，晴天比较多，为太阳能采暖提供了有利的条件。
采暖用的是50~70度的低温热能，与太阳能集热温度正好相匹配，我国在太阳能热利用方面的技术又比较成熟，因此，利用太阳能采暖将是最现实、最干净、最经济的途径。
三、政策法规与技术依据
1、政策法规
《中华人民共和国可再生能源法第十七条》——法律基础；
《能源发展“十一五”规划》（国家发展改革委，20##年4月），《可再生能源“十一五”发展规划》；《民用建筑节能管理规定》；各地市能源发展及节能规划——政策支撑。
财政部、住宅与城乡建设部20##年7月联合发出以下通知：《关于印发加快推进农村地区可再生能源建筑应用的实施方案的通知》；《关于印发可再生能源建筑应用城市示范实施方案的通知》。
希望随着太阳能源利用关键技术的开发和成本减低，国家和各级地方政府会给予更多的鼓励支持政策。
2、技术依据
《民用建筑太阳能热水系统技术应用规范》、《太阳能供热采暖工程技术规范》；1986年颁布实施的部标《民用建筑热工设计规程》JGJ24—86，部标《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ26—86标准，1987年颁布实施的国标《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9—87)，以及1993年颁布实施的国标《民用建筑热工设计规范》(GB50176—93)等等。随着太阳能热水器、太阳能集中供热水工程的技术成熟和产业增长，太阳能采暖系统的整体工程的设计、施工和维护都将有规范可依。
20##年3月19日，住房和城乡建设部发布《太阳能供热采暖工程技术规范》国家标准，编号为GB50495--2009，自20##年8月1日起实施。
四、我国实施太阳能采暖现状
目前我们国内太阳能主动采暖以国家投资或国家补助试点为主,主要区域在北京周边辖区。主要采用使用真空管集热器和部分平板集热器。集热器面积与采暖面积配比在1:8左右,采暖保证率在30%左右。
存在问题：不论是哪种集热器，供热水温和产热量都达不到实际供暖需求。一次性投入较大，但供暖保证率低，主要依靠辅助热源，不能从根本上解决采暖问题。增加集热器面积会增加投入成本和夏季产水量。对夏季大量高温水的产生，不仅目前尚无有效的技术予以利用，还可能造成危害。
五、冬天超高温太阳能供热供暖综合系统运行特点
1、免跟踪聚焦真空管集热器——冬季采暖专用集热模块
这是一种比较豪华型的解决方案。适合屋顶面积大，供暖要求高的建筑。
首先，研究人员把 “跟踪聚焦”改成 “免跟踪聚焦”，只要聚焦抛物面喇叭口对准太阳，即聚焦抛物凹槽始终对着太阳从东至西的路径，聚焦凹槽按太阳路径的方向安置（东西向），真空管处于聚焦凹槽的聚焦点上，东西向安装。
这样的排列同样能聚焦，只不过早晨太阳在东方，太阳光斜射至聚焦凹槽，聚焦点偏西侧，仍聚焦在真空管上；午后，太阳在西方，阳光斜射至聚焦凹槽，聚焦点偏东侧，也聚焦在真空管上。太阳从早到晚和太阳自东至西的转动中，太阳光一直聚焦在真空集热管上，同样能达到聚焦的目的。研究人员通过模型实验，验证了效果非常不错，结构也很简单。经过一年的对比实验，得到了一组非常有说服力的数据，事实证明免跟踪聚焦的设想是正确的。
接着，研究人员开始研究利用免跟踪聚焦技术，解决冬天高水温、实现夏天水温不太高、全年恒温的难题。众所周知，太阳在一年中的季节变化，其本质就是太阳角在发生改变。对于北半球来说，12月22日太阳角为最小，6月21日太阳角为最大，角度差变化范围约在45°（不同地区不完全相同）。研究人员利用太阳角变化的规律，进行巧妙设计，让太阳自动调节聚焦凹槽的聚焦直射投影，冬天使聚焦凹槽的喇叭口与太阳光处在垂直状态。以冬天为标准，并从结构上将聚焦凹槽固定起来。这就使冬天几乎处在全聚焦状态，整个太阳能集热面全部接收热能，是夏天的接受面积的3倍，水温高达70℃～80℃。
夏天由于太阳角的变化，太阳直射角的偏离，太阳光几乎没有聚焦在真空管上，夏天的热能只靠少量的真空集热管提供热能，所以温度不可能太高，也不会沸腾。春秋季节，由于真空管的直径比聚焦点要大很多倍，随着太阳角的变化，尽管太阳角发生了偏转，免跟踪聚焦凹槽还能将部分光线聚集在真空管上，所以春秋季节水温也非常高，但不沸腾，全年几乎是恒温。这些是实验得出的结论，晴天时的最高温度70℃～80℃，不同地区通过真空管的间距调节都能达到这样的效果。
研究人员把这些结论通过撰写，申请了国内国际4个专利。
2、曲尺型双层热管错位排列——冬季采暖专用集热模块+集中供热水工程模块。
这是一种舒适型的解决方案。经济性好，水量大，水温高，防风防冻性能好，适合多种建筑。
由于近两年不锈钢材的大幅度涨价，这种新型的免跟踪聚焦真空管太阳能热水器成本明显增加，所以研究人员在开发中根据材料最低原则，建立了第二种方案：采用双层真空管错位排列法。下面就这种太阳能的原理及实验数据进行阐述。
曲尺形（双层集热管错位排列），采暖工程专用集热器，联箱为南北向，在联箱的两侧连有两排曲尺形（双层集热管错位）排列的集热管，集热管为东西向排列，联箱由支架支撑，支架可以调整水箱与地面的夹角，可根据不同的纬度选择不同的夹角，确使联箱及集热管组成的集热面在冬天与太阳光处在垂直状态，并从结构上固定。
由于太阳直射角的变化，在冬天，太阳光能全部照射到曲尺形（双层集热管错位）排列的上端和底端的集热管，处在曲尺形（双层集热管错位排列）底端的集热管，在上端的两根集热管的作用下，构成了犹如暗箱的近似结构，所以射进的光线经过底端圆形集热管的吸收和发散反射，反射光线反射至上端的集热管再次被吸收，上端圆形集热管也发生发散反射，有部分光线又反射至底端集热管再被吸收，部分光线在上端的两个集热管之间反射再吸收。就这样经过多次反射和吸收，几乎所有的光线被吸收，光能损失很少。处在上端的太阳能集热管有将近30%光线因为反射而损失，所以处在底端的太阳能集热管吸热效率比上端的集热管要高50%～80%。
在冬天，高密度曲尺形排列的集热管，全部处在太阳光的直射区域，太阳能热水器几乎没有漏光，有效吸热区域是普通太阳能热水器的200%。综合曲尺形底端集热管的高吸热效率，本发明的吸热率是普通太阳能热水器的250%～280%，所以在冬天可以提供超高温热水。
而在夏天由于太阳直射角的改变，处在曲尺形底端的集热管被曲尺形顶端的集热管挡住了太阳光，所以在夏天只有一半集热管吸热，处在曲尺形底端的集热管几乎不吸热，有效地降低太阳能的吸热量，从技术上确保夏天太阳能热水器热水的温度不太高。在春秋天，太阳光斜射，太阳光线直射角处在冬天和夏天的中间，在曲尺形上端的集热管不能全部挡住太阳光，处在曲尺形底端的集热管能吸收到部分光能，所以春秋天的吸热绝对值也比普通太阳能集热器高出很多，同样能实现高温热水，全年恒温。
经过反复仔细的研究，这种新型的全年恒温的太阳能集热器终于开发生产出来了，这其中包含着所有研究人员的努力和汗水。其中的困难和艰辛现在看起来都是微不足道的，因为他们相信，只有符合消费者真正需求的产品才能在市场上推广，他们的研究才有真正的意义。
3、高效密排恒高温太阳能热水器技术——冬季增高15度的太阳能热水器系列
“高效密排恒高温太阳能热水器”专利技术介绍
本发明涉及一种太阳能热水器，特别是一种高效密排恒高温太阳能热水器，主要适用于家庭、宾馆等地方。
在国家大力提倡节能环保的氛围中，太阳能热水器因为其节能绿色环保，而受到人们的青睐。但现在的太阳能热水器还存在着明显的缺点：
缺点一：由于集热管太阳能热水器管孔的加工工艺和稳固结构的限制，制约了真空管的排列距离，相邻真空管之间必须留有固定的距离，这样就留下了不少光照空白区域，太阳的光线就会白白损失了，太阳能热水器的利用率还不是最高；
缺点二：由于现有的太阳能热水器诞生时的设计理念主要考虑春秋两季光照效率最大化，所以现有太阳能热水器的支架角度（太阳能支架的前脚与水平地面的夹角）一般为38度和45度两种型号，中国的南方地区一般使用38度太阳能支架，中国的北方地区一般使用45度太阳能支架。正是由于这种不合理的设计，现有的太阳能热水器在冬天时因光照强度的减弱，光照时间的减短，使得太阳能热水器得到的有效辐射能大大低于春秋季，冬天的太阳能热水器的水温明显低了，所以在冬天就不能正常使用；同理，由于现有的太阳能热水器在夏天接收的太阳光光照太强，太阳能热水器得到的有效辐射能大大高于春秋季，而且用户一天使用的热水量又比较少，以至于太阳能热水器的水温经常达到沸腾，使太阳能发热管内壁产生水垢，严重影响太阳能发热管的工作效率及其使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种能够充分利用太阳能热水器各真空管之间光照空白区域的高效密排恒高温太阳能热水器，以提高其利用率。
本发明的另一目的是提供一种根据太阳高度角的变化，能够保证冬季光照效率最大化，夏季光照效率最小化的高效密排恒高温太阳能热水器。
本发明的有益效果是：将热水器储水箱上的真空管插孔改成错位排列，而真空管尾端的排管孔结构---为缩短孔与孔间距的水平排列,这样能有效缩短真空管东西方向水平间的绝对距离，在顾及到储水箱集热管插孔的加工工艺和稳固结构限制的同时，增加了单位面积内集热管的密度，充分利用了现有技术中相邻集热管之间的光照空白区域，大大提高了单位面积内光能的利用率；
另外增大支架前脚与水平地面的夹角，使得太阳光线在冬季与集热管几乎垂直，在夏季斜射在集热管上，从而保证了冬季光照效率的最大化和夏季光照效率的最小化，解决了现有技术中冬季水温偏低而夏季水温过高甚至长时间沸腾的问题，延长了太阳能发热管的使用寿命。为此在支架底部安装长条角铁型防风脚,以便增加太阳能热水器的稳定性.
本发明加上了密排的集热管后，与传统的太阳能热水器相比，同样大的水容量、同样的光照面积、同样的太阳辐射，得热量增加30-40%，在冬季比传统的太阳能热水器一天的温度要高15度左右；在春秋季比传统的太阳能热水器高8度左右；随着季节的变化，在夏季太阳的高度角增加到最大，太阳光斜射到太阳能热水器的集热管上，集热管的有效集热面积几乎是集热管在在地面上的投影面积，比冬季几乎减少了一半，所以夏季的热水温度得到有效控制。
采用高效密排恒高温热水器2-3台，可以供1-2间平房供暖，是人口少、经济型的供暖选择。同时可以解决春夏秋三季洗浴及生活用热水。
4、综合解决方案
根据建筑结构和供暖要求的不同，可以选择以上几种方案的结合，做到与建筑完美结合和充分利用空间面积以达到供暖需求的目的。
六、各种能源供暖效益比较分析表
下面是以建筑面积100平方米的单体建筑为例，在北京地区气候条件下，室外-9℃时，达到室内18℃时的供暖需求量，热负荷以40瓦/㎡计算。用这个值去配置供暖设备和计算年耗用燃料费。
综合评价：太阳能、发热电缆、燃煤、燃气、初投资依次减少。运行费用按10年使用期综合考虑，初投资和运行费用太阳能系统费用最低，费用状况由低到高顺序为太阳能＜燃煤锅炉＜燃气锅炉＜发热电缆。
七、农村建筑利用太阳能采暖的战略意义
1、解决农村城镇等单体建筑冬季建筑采暖用能问题
聚光太阳能采暖系统，具有高采暖保证率、高性价比、高度清洁环保的特点，为我国当前新农村建筑用能，提供了解决单体建筑冬季采暖用能的理想选择方案。是建筑采暖用能的一项重要的支撑技术。
2、改变农村生活方式和生活状态
农村及城市郊区乡镇等建筑，解决了冬季采暖质量问题，就会改变农村冬季生活方式和生活状态。增加老百姓生活舒适度，提高老百姓幸福指数，提高国民的整体生活质量和生活环境。
缩短了城乡差距，甚至变劣势为优势，有利于促进人力资源转向农村就业，促进广大农村挖潜拉需，推进新农村建设的步伐。
3、农村建筑用能结构改变
我国能源资源比较丰富，但是人均占有总量较低。特别是石油和天然气仅为世界平均水平的7.7%和7.1%。目前煤炭消费占我国一次能源消费的69%，比世界水平高42个百分点。
小城镇和农村的建筑在全社会建筑中所占比重超过70％。全年供热水和冬季采暖占整年能源消耗的70%左右。据调查，北京农村家庭平均年用煤2.9吨，仅冬季采暖用煤就达2.3吨，78％的家庭认为采暖负担重。
20##年底，全国政协调研组就建筑节能问题提交的调研数据显示：按目前的趋势发展，到20##年我国建筑能耗将达到10.9亿吨标准煤。10.9亿吨标准煤意味着什么？它相当于北京五大电厂煤炭的合理库存的400倍。据同济大学建筑节能研究中心副主任龙惟定教授估算，每吨标准煤按照中国的发电成本折合大约等于2700度电；那么，20##年，我国的建筑能耗将达到29430亿度电，比三峡电站34年的发电量总和还要多。
清洁无私的聚光太阳能采暖，能够真正解决老百姓的供暖供热水问题。老百姓想用、用得起、买得到，就会产生巨大的市场，从而改变农村建筑用能的结构，增加环保可再生能源利用的比例，优化国民经济结构。
4、市场推动进程中政府作用巨大
★太阳能采暖系统的消费特点
从调研走访的一些地区来看，居民不仅对建筑节能重要性和紧迫性认识不足，对冬季采暖质量的提高也只有部分人有积极需求。对于聚光型太阳能采暖系统的安装使用，老百姓不是买不起，但是客观上存在一个科学普及和示范引导的过程。因此市场推进宜采用政府支持与市场化推广相结合的推广模式。
★太阳能采暖系统的设备采纳安装不同于一般家电的购置，它是整体建筑建设和改造
的重要组成部分。具有一次性购置，使用寿命长，整体购置成本较大，属于新技术应用等特点，在老百姓不了解的时候，会认为购买风险比较大。
5、政府工程起着示范引导等至关重要的作用
实实在在的效用是无声的语言。太阳能源在农村建筑用能中应用和推广的意义，相关政府机构比老百姓理解的深透和全面，对新技术的理解程度比一般百姓深刻；另外引导建筑能源消费也是相关政府部门的职责组成部分。
因此各级地方政府在进行新农村规划、城镇乡村公用建筑设计、新民居设计时，对建筑供暖供热用能的使用建议和倡导，会对市场化进程有积极的推动作用。
支持当地学校、医院、村委会等公用建筑或者新民居建设工程率先使用，不仅会有项目的示范作用，而且体现出当地相关政府单位的政治经济智慧和科学发展观念。
6、具体办法建议
★政府建设太阳能综合利用技术示范工程，特别是针对新农村建设工程项目。政府试点补助、多增加试点，积累经验。
★有规划的乡镇率先使用。新农村建设和规划已经有很多试点，会逐渐普及到广大农村。建议已有规划和将有规划的村镇，在规划和设计居民建筑时，将可行性较高的太阳能供热采暖纳入规划。政策鼓励、财政补贴倾斜支持、村民公约提醒约束，逐渐将农村能源结构引导到节能保温降耗可持续的新能源为主的结构。
★农村乡镇中小学、医院、各级政府单位办公场所等公用建筑率先使用。
★有条件的居民率先使用。已建、在建、将建的别墅、城乡结合部二层
小楼、以及各村镇新建建筑，其家庭人均收入比较高，又希望提高生活质量，改变生活方式，都可以通过了解比较，率先选择使用太阳能采暖。
★随着居民收入提高，居民利用太阳能的知识普及和节能意识增加，逐渐普及。
八、房屋采暖热负荷标准和集热器面积计算
1、房屋采暖热负荷标准
采暖设计热负荷指标(g)：在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内需由锅炉房或其他供热设施供给的热量，单位：W／m。
《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）计算，在我国严寒和寒冷地区，主要城市的建筑节能耗热指标平均为20—23，非节能建筑采暖消耗热指标一般都在40-80 W/㎡。
太阳能的能量密度较低，用太阳能采暖需要有较大的集热面积。为尽量减少太阳能集热器的面积，要对房屋采取较好的隔热保温措施，以减少房屋的热损失，降低单位面积所需的热负荷。故用太阳能采暖，都应是节能型房屋，其供热量一般可按20—40w/㎡计算。
2、一般家庭采暖热负荷计算
一个普通农户家庭可按60㎡的采暖面积计算，其中两间卧室，每间15㎡，另有中厅和厨房约30㎡。（人口多的可适当增加面积），
按60㎡采暖面积、40w/㎡计算，则其每天的总用热量为：
40w/㎡×60㎡×(3600秒×24小时)=207360000j=50000大卡
若按30w/㎡计算，则其每天的总用热量为：
30w/㎡×60㎡×(3600秒×24小时)=155520000j=37500大卡
3、太阳能集热器面积的确定
在晴朗的天气里，在地球表面上，垂直于太阳光辐射平面上的太阳辐射能大约是1000w/㎡，考虑到大气中常有灰尘、云雾等影响其透明度，我们可按800w/㎡计算。
由于是在冬季采暖，我们取每天的日照时间为6小时来计算，即取当地真太阳时上午9点至下午3点，（实际日照时间要长些，9点前和下午3点后也有日照，正可补充接近3点和9点时阳光斜射造成的不足800w）
太阳能集热器的集热效率可按50%计算，则太阳能集热器的功率为：
800w/㎡×50%=400w/㎡
按一个家庭60㎡采暖面积、40w/㎡计算，则其则所需要的集热器面积为：
207360000j÷（400w/㎡×3600×6）=24㎡
按60㎡采暖面积、30w/㎡计算，则其则所需要的集热器面积为：
155520000j÷（400w/㎡×3600×6）=18㎡
集热器面积与采暖面积之比为：
24/60=1/2.5
和 18/60=1/3.3
即每1㎡集热器可向2.5㎡或3.3㎡的房间供暖
考虑到有时会出现阴天，上述比值可取1/2和1/3。
即每1㎡集热器可向2—3㎡的房间供暖
按上述两个方案，一个60㎡采暖面积的普通家庭，太阳能集热器面积可分别设计为20㎡和30㎡。
九、一个单体建筑试点资金计算
据上述计算，一个普通家庭按100㎡的建筑面积计算，需要集热器的面积为30㎡左右。
太阳能集热系统一般包括太阳能集热器、储水换热系统、自动控制系统、辅助加热系统、管路系统等。在没有特殊要求的情况下，一个需要30㎡集热器的集热系统，市场价格在3.6万-4.5万左右，目前企业支持的单个试点的价格在3万元左右。