太阳能采暖助力社会主义新农村建设

太阳能热泵

太阳能采暖助力社会主义新农村建设

    重视农业、农村、农民问题是我们党的一贯战略思想。“三农”问题始终是关系党和人民事业发展的全局性和根本性问题，农业丰则基础强，农民富则国家盛，农村稳则社会安。建设社会主义新农村成为惠及广大农民群众的民心工程。

    党中央和各级领导非常关注新农村建设，建设社会主义新农村是我国现代化进程中的重大历史任务，其中旧村改造更是其中的一个重点任务，以村庄整治为切入点，以改善农村生产生活条件为起点，逐步将新农村建设全面推开，是我国郊区农村建设与发展的实际要求。

从北京市目前的实际情况来看，郊区在环境状况、基础设施等方面的问题还比较突出。据市农委调查统计，全市还没有专门的农村规划编制导则，在全市3978个行政村中，约有40％的村庄没有做过村庄规划，在村庄建设上缺乏对农民的指导，村庄建设缺乏特色。村内道路硬化、厕所改造、垃圾集中清运、集中供水、供热等方面与“新北京、新奥运”的要求相比还存在不小的差距。

关于住宅改造方面，现在提出以下的方案，不管是搬迁村，还是原来不动的村，居民住宅建设都要彻底改革和改造。

1.
可以通过自由协商的方式，由左右、前后邻舍之间或亲友之间自由组合，共建两户、三户或四户联体别墅。联体别墅可以节地、节材、节能。

2.
别墅以二三层为主，要造型各异，多样化，自由选择。要起脊式，举架要高，以利于空气流动，形成自然空调，冬暖夏凉；脊式要多向式、多重式、多样式。室内功能性空间要全：厅、室、廊、梯、厨、厕、房、阁、库、阳台等空间具备。

3.
实行墙体革命：过去墙厚一般为37cm，现都应加厚，改为50—54cm；墙体中间要加8—10 cm保温苯板。地基周围应加防潮、防水及保温材料。墙体要按抗震结构建造。

4.
采用太阳能加热泵技术，建设统一供暖系统，合作经营、民主管理。建设风力发电储电装置，供村路照明系统所用。

5.
与供暖系统结合，统建上下水设施、统建电力、通讯设施。

6.
实行采光革命：要科学设计窗位、窗形、角度等，尽量扩大采光面积；要选用新型透光、保温节能材料，尽量提高透明、保温、保湿效果。安装各种适用的太阳能利用设施。

7.
实行院落改造：根据自愿选择各式院墙、栅栏；院内合理设置微型畜舍、禽舍、库房、柴垛等；规划精细菜圃、花圃、草坪等；栽植果树、花木等；建设石阶、小路、回廊等。还要设计雨水收集池或箱，用于庭院灌溉。

8.
村内公共道路、绿地、公园、水渠、池塘、广场、文体设施、学校、卫生室、村民会馆（村部）、供暖中心（太阳能采暖中心机房）、燃气站、水房、垃圾场、化粪池等要统一规划，合理布局。村落周围要有绿化林带包围。

    对于统一供暖，提出了由原来的燃煤、燃木柴的方式，改进成为利用太阳能的采暖方式。对这种新型采暖方式，很多公司提出了自己的解决方案，也建设了很多试点，如北京平谷地区的几个试点村，使用效果并不理想。主要是两个重要问题无法同时解决：采暖温度与采暖费用。

     自2001年起，提出太阳能+空气源热泵+地板采暖的组合方式以后，首先研制了太阳能采暖系统的经济性与可行性。根据具体的实施案例，总结出：在北京地区，可以实现室内温度18度，每平米采暖成本14元。这个数据的提炼，使人们真正看到了太阳能采暖在农村建设中的可行性。

要改变三北地区农民的采暖方式，必须首先解决农村地区采暖的热源问题，太阳能是一个间歇性，不稳定的热源，而采暖时一个必须稳定运行的系统，所以必须采纳一个辅助热源。只有确定了大多数农民能消费的起，而且在农村能方便获得的辅助热源，才能最终确定最终太阳能采暖的实用性。

根据不完全统计，以木材和燃煤为主要热源的农村采暖面积有5亿多平方米，所以一个廉价实用的太阳能采暖系统，有非常大的社会意义和经济效益。

但太阳能采暖又不是太阳能热水的简单放大，系统组成比太阳能热水系统复杂的多，包括：热能提供部分“即太阳能集热器和辅助能源”、储热和换热设备部分、热能利用部分“提供生活热水和采暖”。

太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下差异:

1.
采暖负荷在不同月份变化很大, 热水负荷四季差别较小；

2.
热水系统进水温度较低, 供水温度较高, 而采暖系统供回水温差较小；

3.
太阳能与采暖负荷存在明显矛盾: 太阳能辐照强度高的月份( 3～10月) 不需要采暖, 太阳辐照强度高的白天采暖负荷较夜晚低。

由于太阳能采暖系统和热水系统存在以上差异,因此在采暖系统设计中必须考虑以下几个方面：辅助能源、太阳能保证率、系统的防冻问题、系统的过热问题、换热系统的设计。在系统设计中, 尤其需注意系统的过热问题。

下面以北京昌平白浮村某农宅太阳能工程为例，来说明农村太阳能采暖设计和建设情况。

太阳能采暖进入实用阶段，有由以下几个原因推动的：

1.
房屋节能技术的房子，使得房屋每平米能耗下降到一个，低品位太阳能足够供应能量的程度。

2.
常规的散热器是以对流式散热为主，其采暖效果不够理想，舒适性和卫生条件欠佳。地面低温辐射供暖技术经过这几年的发展，日趋成熟，价格大幅下降，达到一个农村可以接受的程度。通过低温、温差循环结合地板辐射采暖，可以达到最好的利用低品位太阳能的方式。

农村太阳能采暖设计和施工中要注意的事项：

一、
辅助能源：太阳能辐照强度随着时间、季节和天气是显著变化的，本太阳能采暖系统配备了辅助能源系统，当阴天雪天、 夜晚等太阳能满足不了采暖需求时, 由第一辅助热源空气源系统提供全部或部分热能，当外界温度太低，空气源热泵效率太低，无法提供足够的热能是，再开启第二辅助热源电加热。

在农村，可用的辅助能源系统有: 燃煤锅炉、电锅炉、生物质锅炉等。以上辅助能源按热源调控方式不同分两类：一类是可及时控制的能源，如电锅炉和带燃烧器的生物质锅炉; 另一类是非及时控制的能源, 如燃煤锅炉和烧木柴锅炉等。但电锅炉的使用能效比太低，生物质锅炉、燃煤锅炉缺点更多：不环保不是可再生能源、使用麻烦、使用成本也很高。所以最后选择了气源热泵为第一辅助热源，电加热为第二辅助热源。

二、
    太阳能保证率。太阳能保证率是指太阳能提供的能源占系统热水和采暖所需总热量的比例。对于太阳能采暖系统，其保证率一般在 20 %～60 %, 但加大保证率，初期投入的太阳能集热面积就会过大，初期投入过大。

国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率, 甚至实现热水和采暖所需的热量全部由太阳能提供, 但从系统投资回报来说, 太阳能保证率在 30 %～50 %比较好。季节性储热会大大增加初投资, 不推荐使用。国标推荐时20-40%就可以算太阳能采暖系统。

而本系统中，太阳能直接提供保证率在40%左右。空气源热泵吸取的能源也来自于太阳，所以在热泵cop平均在2时，本系统的太阳能保证率能达到70%，但投资也在可控制的范围内。

三、
    系统的防冻问题，太阳采暖系统是一个四季运行的系统, 系统须考虑冬季的防冻问题, 太阳能集热工程经常采取的方案有:

① 集热器回路传热工质采用防冻液;

② 落水式排空防冻系统;

③ 夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻;

④ 敷设电热带防冻。

通过比较热功耗，系统的稳定性，本系统采用了排空防冻，加上自控电热带防冻（自控点热带极大降低普通电热带的能耗）。

四、
    系统的过热问题。采暖系统集热器面积较大, 非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需要热量, 因此会出现过热问题。如果设计不当, 会造成系统温度高于系统部件工作允许温度, 导致部件寿命缩短和连接件漏水,甚至会产生安全问题。解决系统过热的措施有:

① 集热器排空;

② 集热器闷晒运行;

③ 设计散热遮阳系统, 以保证系统在安全温度下运行。

五、
    采暖系统的储热部分。太阳能集热系统、 热水系统和采暖系统对工作温度要求是不同的:太阳能集热系统的工作温度越低, 热效率越高, 因此系统设计中应尽量降低太阳能集热系统工作温度, 太阳能采暖适宜采用低温地板采暖系统,供水温度在 40℃左右; 生活热水供水温度为 50℃～60℃。为实现不同的供水用途要求, 龙创太阳能采暖系统一般采用双水箱。太阳能集热器和热泵先保证生活热水水箱有足够的55度热水，然后再产生的热水再开始给采暖水箱提升温度，并给屋内供暖。

六、
    系统换热设计。太阳能采暖系统之间换热利用换热器实现, 换热器种类有:① 盘管式换热器;② 套筒式水箱壁面换热;③ 板式换热器。盘管式换热器是太阳能采暖系统使用最广泛的换热方式, 目前使用的材料有铜管、 不锈钢波纹管和耐高温塑料管, 为提高换热能力, 很多厂家使用外翅片管; 套筒式水箱是把生活热水水箱放置在储热水箱中, 利用内置生活水箱的壁面进行换热;外接板式换热器一般适合集热器面积较大的系统, 换热器两侧的工质采用强制循环, 优点是换热能力不受换热水箱大小的制约, 换热温差较小。

七、
采暖系统的控制。采暖系统的控制主要是根据系统各部分的温度控制水泵和阀门。例如:

① 集热器回路控制:当集热器出水温度高于储热水箱的换热器处水温时, 开启集热器系统循环水泵, 否则关闭;

② 防冻控制: 当集热器进水温度低于设定温度 ( 如 4 ℃) , 开启水泵进行温循环防冻或排空系统工质;

③ 防过热控制: 当储热水箱温度高于设定温度 ( 如 75℃) , 关闭集热器系统循环水泵使集热器系统进入闷晒运行或启用其他防过热措施。

太阳能采暖系统成本及经济性分析

以北京地区 150 m2民用建筑为例, 采暖负荷取平谷挂甲峪村新村建筑计算采暖负荷 31.6 W/m2, 生活热

水按 4 m2太阳能集热器得热量计算, 太阳能系统采用平板集热器, 非采暖季平均热效率设定为 50 %, 采暖

季平均热效率为 45 %。系统投资、 年收益及投资回收期如下表和图 2。

    从以上分析可以看出, 工程造价并非与集热器面积成正比, 系统越小, 平均每平米集热器的造价越高,同等造价的得热量就越小。对于 150 m2节能建筑, 集热器面积从 10 m2增加到 30 m2, 其投资收益是明显增加; 30 m2以后, 其增加的幅度比较小。从投资回收年限看, 以太阳能采暖方式替代电或油等能价比高的能源, 投资静态回收期远低于系统寿命, 投资回报较高, 值得规模化推广; 对于替代天然气或其他能价比低的能源, 投资静态回收期已接近或高于系统寿命, 投资经济性较差, 投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面, 推广该技术应综合分析。

3 太阳能采暖系统案例

    北京平谷区大华山镇挂甲峪村太阳能采暖项目是北京市发改委支持的可再生能源利用示范项目。该项目利用太阳能采暖技术结合生物质锅炉作为辅助能源, 实现可再生能源解决农村的采暖、 热水和炊事的家庭用能需求。

    一期工程共有 71 户, 分三种户型, 均是二层别墅小楼, 建筑按北京市 50 %节能标准设计, 太阳能采暖系统由北京市太阳能研究所有限公司设计、建造。采暖系统原理示意如图 3。根据热负荷和屋面情况, 系统采用 28 m2平板太阳能集热器, 采用温差循环方式, 落空式防冻防过热设计方案。控制流程如下: 在集热器的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。

此外, 循环泵与手动开关连接, 可以根据热水需求强制关闭太阳能系统。这种系统与其他系统相比, 有以下

表 1 太阳能采暖系统投资和经济性分析

注:

① 电价按 0.48 元/ kWh 计算, 系统效率取 90 %;

② 天然气热值取 35.17 MJ/m3, 单价按 1.9 元 /m3, 系统效率取 85 %

图 2 太阳能采暖系统投资和经济性分析

图 3 平谷挂甲峪村太阳能采暖系统工作原理图

优点:

① 系统传送介质使用水, 与防冻液相比减少膨胀罐, 投资低, 此外还降低运行维护费用 ( 防冻液系统

需要每年检查防冻液成分, 5 年左右须更换, 平均每年费用可达到 300～500 元) ;

② 可靠性高, 实现无人值守, 在意外停电情况下, 水自动回流到水箱, 避免系统结冻和过热造成系统安全隐患;

③ 冬季采用排空防冻, 减小夜晚的热损失。

    挂甲峪太阳能采暖系统采用复合水箱, 属国内首创, 该水箱将开式储热水箱和闭式生活热水水箱嵌套在一起, 利用生活热水水箱的壁面给生活热水加热,构成夹套式换热器。储热水箱设计成开式水箱适宜于落空式太阳能系统, 系统结构简单, 成本低; 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, 不需安装供水泵, 减少投资和使用费用; 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; 生活热水采用容积式换热器,保证外水箱温度低时用水需求, 提高瞬时热水供水能力, 嵌套水箱还可以大大提高非采暖季的热水供应量; 此外, 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。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。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。平谷挂甲峪采暖系统成功采用了垂直分层水箱, 采暖季节太阳能集热系统和地板辐射采暖系统均工作在较低温度范围, 水箱上部利用辅助锅炉保证在较高温度, 以保证生活热水供应。在设计中, 避免了太阳能集热系统运行对水箱温度分层的影响。

    采暖末端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, 此外对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。

    辅助供热能源用生物质锅炉提供。采用生物质压块成型设备, 把当地的果木修剪枝条粉碎后压缩成燃

料棒 ( 或燃料块) , 作为生物质锅炉燃料, 同时还用作炊事燃料。生物质能是一种可再生能源, 是一种温室气体低排放燃料, 并减少矿石能源利用带来环境污染。

    农村生物质资源的高效利用是新农村能源的发展方向, 采用高新技术将秸秆、 树枝等生物质资源转化为商品化能源, 可提高农村用能品位, 降低农民用能支出,改善大气环境, 实现农业废弃物资源综合利用。

    挂甲峪太阳能采暖系统除以上特点外, 在系统设计时考虑太阳能与建筑一体化设计问题, 集热器采用

屋面嵌入式结构, 与建筑协调美观; 集热器有可靠的防、 排水系统。 采用低噪音、 低功耗和长寿命水泵;采用长寿命、符合水质要求的塑料管材。控制系统是以德国产温差循环控制仪为核心的全自动控制器, 为适应不同运行控制需求, 所有水泵和电加热均设手动开关,实现系统控制的灵活性;温度在控制柜上直接显示, 不需用户按健选择, 避免人员误操作带来的安全隐患。

    总之, 挂甲峪太阳能采暖系统在设计中优先考虑系统寿命、 系统维护和运行安全的要求, 体现以下特

点:

① 采用选择性涂层高效太阳能集热器;

② 集热器面积大, 实现较高太阳能保证率;

③ 采用温度分层复合水箱, 保证储能、 生活热水和采暖需求;

④ 采用钢化玻璃和整体板芯, 集热器内无接口, 保证系统长寿命和在恶劣环境中无故障运行;

⑤ 使用搪瓷水箱保证生活用水水质;

⑥ 用生物质低排放锅炉作辅助热源。

    通过 2005 年 12 月和 2006 年 1 月测试表明, 在地板采暖供水温度为 35℃～40℃, 可保证室内温度 18

℃以上; 夜晚停止采暖系统运行, 在环境温度在- 5 ℃～- 9 ℃时, 整个夜晚室温下降 2 ℃～3 ℃; 停止辅助能源系统, 晴天室温可达到 12℃～14 ℃, 多云天气室温可达到 10℃～12℃。整个冬季运行表明, 以平板集热器组成的采暖系统采用落空式防冻设计可以保证冬季系统安全运行, 即使在意外停电情况下也可保证保证系统防冻。

4 结论

① 太阳能采暖技术成熟, 在欧洲已规模化应用,该技术适宜低层节能建筑, 适宜与地板采暖结合;

② 太阳能采暖系统与热水系统有较大差异, 系统设计应考虑非采暖季节防过热措施;

③ 从经济上考虑, 太阳能采暖适宜替代电或油等能价比高的能源或适用于非采暖季节热水需求量大的场合; 替代天然气或其它能价比低的能源, 投资经济性较差, 投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面;

④ 太阳能采暖系统适宜使用平板集热器。平板集热器易与建筑结合, 系统造价和维护费用低, 且容易解

决系统的过热难题。

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伯伦地暖

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