太阳能供暖系统在北方支线机场的应用初探

摘要：指出了近年来在市场需求及国家相关政策措施的共同推动下，支线机场的发展迅速，而地处北方的支线机场基本还在采用传统燃煤供暖形式，这种方式不但污染环境且在一定程度增加支线机场的运营负担。从支线机场的自身特点入手，对其可利用的供暖能源进行了分析，并从技术和经济两个方面对太阳能供暖系统应用的可行性进行了论证，为今后北方支线机场供暖形式的选择提供参考。

关键词：北方支线机场；太阳能供暖；技术经济分析

中图分类号：K

文献标识码：A文章编号：16749944（2014）08026803

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1机场布局及采暖现状

我国严寒和寒冷地区主要包括东北、华北和西北地区（简称三北地区），每年日平均温度低于或等于℃的天数一般都在90d以上，最长的满洲里长达211d。这些地区习惯上被称为采暖地区，其面积约占我国国土面积的70%＼[1＼]。根据全国民用机场布局看，到2020年布局规划民用机场总数达244个，在目前机场数量上将新增97个，其中东北、华北机场布局规划机场总数4个，新增24个；西北机场群布局规划机场总数0个，新增26个＼[2＼]。由于枢纽及干线机场均已建成，故新增的机场主要为支线机场。就其供暖方式来看，我国三北地区机场仍以燃煤采暖为主，尤其是北方寒冷地区，冬季采暖所需能耗的比例越来越高，造成煤炭消耗量越来越大。煤的大量使用不仅给机场带来经济压力，也给周围环境带来严重的污染。

2燃煤供暖替代形式的探讨

低碳经济，这是全世界都关注的话题，以低层建筑为主的北方支线机场的建筑采暖用能，可考虑摒弃传统燃煤采暖的老路，并尝试走出一条绿色能源、低碳经济的新路。下面对几种可用于采暖用能的能源进行简单分析。

21燃气

燃气用途广泛，价格较贵，其储量也有限，在生活用能方面仅用作炊事已显紧张，再用于耗能量大得多的房屋供暖，显然是不够的。而且燃气和石油一样，也是一次性能源，会增加碳排放，因此不可能作为主要采暖用能来使用。

22电能

电是二次能源，其中一部分来自水利、太阳能等可再生能源，但目前大部分来自煤炭、石油等矿物能源。电能的用处很广，我国的电能也很紧缺，显然，大量使用电能直接供暖会造成很大浪费，是不适宜的，国家电网也承受不起。

23热泵技术

热泵技术为近年来发展起来的新型采暖技术，为用电能采暖开辟出了一条新路。与直接用电加热供暖相比，采用水源热泵或地源热泵技术，其用电量不足原来的 1/3＼[3＼]，节电效果明显。在某些水源充足的地方，或不适于用其他方式只适宜用热泵的地方，可以用水源或地源热泵供暖。地源热泵一般不受资源的限制，但其初投资很大，不仅其发展受资金限制，且从长期看经济上是否合算还值得研究。不管是水源还是地源热泵，终究还是要消耗大量电能，在可以预见的一个相当长的时期内，我国电力还是相当紧缺的，且电力的生产还要消耗大量煤炭、石油等一次性能源，因此，只能在某些特定的、适宜的地区发展，不可能是主要发展方向。

24太阳能技术

太阳能是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净、最可靠的巨大能源宝库。虽然辐射到地球表面的能量，只有它的22亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的80000倍。太阳能作为可再生能源中最重要的基本能源，是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，目前利用热能的技术集成了太阳能光伏发电、太阳能供热热水、太阳能制冷空调、太阳能通风降温、可控自然采光等新技术；我国的太阳能集热技术已逐步走向成熟。

3太阳能供暖的技术分析

我国支线机场从布局上多远离城市，一般距离城市20～40km，很少有市政热源可利用。机场选址所在区域一般较周围地势高且较开阔，附近没有过多遮挡及超高物，光照情况较好。机场内建筑以一层、二层建筑为主，且布置较为分散。而北方又恰好是我国日照比较好的地区，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基本的条件。 从技术上说，采暖用的是 0～70℃的低温热能，而我国大量生产使用的太阳能集热器的集热温度也正是这个范围，恰好相匹配。提供绿色、清洁、高保证率、高性价比的太阳能供热采暖，是解决我国北部地区能源问题和改变能源结构的基本途径。我们从能量品位、能量总量、能量储存和辅助热源4个方面来分析太阳能供暖在技术上的可行性。

31能量品位

建筑供暖用能，对采用散热器形式的系统来说，一般需要60～7℃的低温热能。而采用地板辐射换热系统，只需要3～4℃的低温热能＼[4＼]，这为太阳能供热提供了必要的基本条件。 经过 30 多年的发展，太阳能集热技术已发展得相当成熟，我国太阳能集热器的产量占世界产量的60%以上，性能先进，质量稳定可靠。目前市场上大量销售的太阳能集热器，不管是平板型的还是真空管型的，在冬季其集热温度一般也能达到 0～70℃，集热效率都可达0%左右，正好与地板辐射采暖所需的能量品级相匹配，完全可满足集热供暖用。

32能量总量

以一个 100m2办公楼的建筑面积估算，按地区不同每平方米采用节能的建筑所需要供暖热能一般在 0～70W＼[＼]，我们取60W估算，则每天24h供热约需要6000W的热能。考虑到冬季太阳较好的日照时间只有6h左右，要保证全天24h供暖，太阳能集热器提供的热能应是： 6000 × （24÷6） = 24000W 。在晴朗的天气，太阳的辐射强度约为1000W，一般天气可按800W估算，太阳能集热器的热效率按0%＼[6＼]计算，则每平方米集热器的有效功率为400W，24000W供热量需要60m2集热器来提供。 从上面的简单计算可知，一个100m2 的办公楼，有60m2 的集热器即可满足其供热需求。

上面的结果是按冬季的太阳辐射能直接用来采暖计算的，如果我们能将春夏秋季的太阳辐射能储存起来供冬季用，则对于多层房屋建筑，也能基本实现太阳能供暖。总之，主要依靠太阳能即可基本上担负起低层建筑冬季供暖的重任。

33能量储存

太阳能的一个主要缺点是它的间歇性，不仅有昼夜之分，还有阴天、雨雪天气无太阳辐射能的情况，因此如何储存太阳能用于房间取暖，自然就被提了出来。这个问题要分几个层面来讨论。 首先讨论一下每天十几个小时的太阳能储存能否应对夜间无阳光辐射时的采暖需求。 第一种方法可以设置一个较大的保温水箱，能储存白天收集的太阳能的0%，以用作夜间供热。比如一组40m2的集热器，用1～2t的水箱即可。 第二种方法是不特殊设计大水箱，而是利用房间本身的储热功能储热。为减少房间本身的热损失，减低能耗，对太阳能采暖房都要求有较好的隔热保温措施。白天阳光辐射把集热器中的水加热，再通过循环泵把热水泵回房间加热房间。房间的地板、墙壁等各种设施同时被加热，都能储存相当部分热能。利用这一特性，在连续两三天无太阳的情况下，仍可基本保持房间有较适宜的居住温度。这是一种最省工、省材料、经济适用的办法，在太阳能采暖工程中常常采用。 第三种方法是地下储热。连续几天甚至十几天无太阳，这种情况在有些地区是经常出现的，在这种情况下仅靠水箱储热或房间自身储热就不行了。由于受造价和房屋承重等的限制，水箱不可能做得很大，而且靠水箱长时间储热，其热损失也是相当大的。在长时间无太阳的情况下，房间自身的散热损失也会增加，室温就会降下来。要想保证不断用太阳能供暖，必须考虑长期热储存的方法。

地下热储存是一种现实可行的长期储存热的方法，它甚至可以实现季节性的储存热能，热量的长期地下储存是一项有效利用太阳能的新技术，它可以把夏季大量过剩的热量储存起来供冬季用，是最合理的节能方式。对于支线机场来说，航站区内可利用的面积较多，这是一种现实可行的、有效的太阳能利用形式。

34辅助热源

解决太阳能间歇性缺点的另一个途径是采用辅助热源，即当无太阳时用上。常用的有电辅助加热，燃煤、燃气、燃柴草锅炉，热泵加热等。 电辅助直接加热的优点是设备简单，造价低，用电热管直接加热即可，缺点是耗电量大，只有在阳光充足、日照时间长、用辅助加热较少且电力较充足的地区，比如西藏、青海、甘肃等地区，陕西、山西、河北北部等部分地区，比较适宜用。有条件的地方也可用燃气或燃煤锅炉作为辅助热源。

4太阳能供热采暖的经济分析

对于太阳能供热采暖的经济可行性问题，我们从太阳能产品成本的降低、环境效益两个方面来探讨。

41成本的降低

经过 30多年的发展，我国已形成一个很大的太阳能产业，各种太阳能元器件都实现了标准化的大规模生产，从而大大提高了生产效率，降低了生产成本，降低了单件产品的价格。以最基本的集热元件玻璃真空管为例，在 20世纪 80年代，一根真空管的价格大约0元，现在一根同样的真空管不到 10元。太阳能产品成本的大幅降低为大面积利用太阳能采暖打下了经济基础，提供了经济上的可能性。

42环境效益提高和环境改善

太阳能采暖对整个社会的环境效益及对低碳经济的贡献是有目共睹的。如果我国大部分采暖区域都采用太阳能采暖，每年就会节省数亿吨的煤炭等矿石能源，减少数亿吨的碳排放。这对改善人类生存的大环境具有不可估量的意义。

其环境效益，对机场来说尤为重要，众所周知，机场对净空的能见度要求很高，特别是没有盲降系统的机场，这关系到飞机起降的安全性。采用传统的燃煤或燃油锅炉虽然均采取了除尘、脱硫等措施，仍有部分烟尘排入大气内。对机场来说，不仅污染机场环境还对机场运行安全造成影响。采用太阳能供暖可完全避免煤灰、烟气空气的污染，而且自动控制的供热系统可大大提高其供热质量。

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