太陽能在農村建筑中應用技術探討

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

1 概述

隨著山西省經濟的逐步壯大，鄉村城鎮化日益加速，人民對建筑舒適度要求進一步提高，建筑能耗與能源儲量矛盾愈發明顯。而目前我省農村建筑存在資源有限、人均不足，供需矛盾日益突出，能源結構影響環境，浪費嚴重形勢嚴峻四大特點。據統計，我國建筑能耗在總能耗中所占的比例已經達到27.6%，并且這一比例還將提高。因此，建筑節能對于全球氣候變化和實施可持續發展戰略都意義重大。

按照《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》中關于農村建筑節能要求，探索農村建筑節能工作;2006年1月1日頒布的《可再生能源法》對農村小型可再生能源設施建設提出了新的方向，明確規定風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源為可再生能源，并且國家將可再生能源的開發利用列為能源發展的優先領域，因此本文提出利用太陽能低溫地板輻射供暖在農村建筑中實施的可行性。

農村建筑特點決定了其獨立供暖而非集中供暖，但單戶獨立供暖卻受資源及運行費用的限制，難以推廣。作為可再生能源，我省的太陽能資源非常豐富，其中太陽能較豐富地區的山西北部年輻射總量約為5852 MJ/m2～6680 MJ/m2，山西南部年輻射總量約為5016 MJ/m2～5832 MJ/m2，太陽能資源經濟環保，是比較理想的采暖源，加以利用為建筑物供熱采暖可獲得較好的節能和環保效益。表1以運城地區為例，對幾種常見供暖形式經濟性做了比較。

表1 幾種常見供暖形式經濟性比較

從表1可以看出，采用電加熱直接供暖的運行費用最高，而太陽能低溫地板輻射供暖的費用較低;從環保及經濟節能的角度考慮，太陽能作為低溫地板輻射供暖的熱源是較理想的方式。

2 太陽能低溫地板輻射采暖系統

太陽能低溫地板輻射采暖系統是將太陽能轉化成熱能，供給建筑物冬季采暖，系統主要部件有太陽能集熱器、換熱儲熱裝置、控制系統、輔助能源加熱設備、泵、連接管道和末端散熱系統等，本文就太陽能五大部分做詳細分析。圖1為典型太陽能低溫地板輻射采暖系統原理圖。

圖1 典型太陽能低溫地板輻射采暖系統原理圖

2.1 太陽能集熱器選擇

太陽能的熱利用中，關鍵是將太陽的輻射能轉換為熱能。由于太陽能比較分散，必須設法把它集中起來，所以，集熱器是各種利用太陽能裝置的關鍵部分。就我國目前集熱器種類，主要分平板集熱器及真空管集熱器兩種;本文參考省建科院節能所今年夏季對山西侯馬、臨猗等地區太陽能熱水系統統計的相關數據，兩種集熱器集熱效率無多大差別，但平板集熱器便于與建筑結合，不會破壞建筑的整體外觀而優先采用。圖2為兩種集熱器與建筑結合效果圖。

圖2 集熱器與建筑結合效果圖

2.2 太陽能儲熱裝置

由于太陽能具有能流密度低，受氣候、季節影響較大，穩定性差等弱點，尤其在山西嚴寒地區等冬季氣溫低，日照時間短，加強儲熱系統可減少輔助熱源使用量，本文考慮新型儲熱水箱，內設散熱殼體，散熱殼體內設有固體介質儲熱體，固體介質儲熱體內設有電加熱管，電加熱管接頭位于儲水箱一側外端。其具有結構簡單，成本低，使用方便的特點。

當平均日太陽能不能滿足采暖供熱需求時，利用儲熱器所儲存的熱量給予及時的補充來滿足采暖要求，這樣就可以實現太陽能的連續利用，從經濟的觀點來看，儲熱技術在熱能裝置的有效利用和促進大規模能量的循環利用方面，具有很大潛力。表2為集中典型集熱器與儲熱水箱連接的優缺點。本文建議選取第一種適合農村太陽能供暖儲熱系統。

表2 集中典型集熱器與儲熱水箱連接的優缺點

2.3 太陽能輔助加熱系統

太陽能供暖系統應設輔助熱源及其加熱/換熱設備、設施，輔助熱源可因地制宜選擇城市熱網、電、燃氣、燃油、工業余熱和生物質燃料等，加熱/換熱設備、設施有各類鍋爐、換熱器和熱泵等。由表1可知，天然氣作為輔助熱源效率最低，而電加熱效率最高，因此建議利用天然氣作為輔助加熱源。

輔助熱源的供熱量宜按現行國家標準GB 50019-2003采暖通風與空氣調節設計規范規定的采暖熱負荷計算;在標準規定可不設置集中采暖的地區或建筑，可根據當地的實際情況，適當降低輔助熱源的供熱量標準。輔助熱源加熱、換熱設備應根據當地可用的熱源種類、價格、供水水質、供暖系統形式、對環境的影響、使用的方便性等多項因素，通過技術、經濟分析合理選用;宜重視廢熱、余熱利用。

輔助能源功率和輔助能源的運行時間有關，因為一天的總能量需求(熱負荷)已經固定，因此輔助能源的運行時間越短，需要的功率就越大，反之亦然。在計算輔助能源功率時要按全部熱負荷計算(在陰、雨、雪天氣沒有太陽能，所有能源都由輔助能源提供)。輔助能源的最大運行時間應該控制在16 h內(一天有1/3時間休息)，因此輔助能源的功率至少是采暖功率的1.5倍。

2.4 太陽能供暖控制系統

太陽能供暖控制系統一般采用PT100溫度傳感器采集的太陽能真空管出水口溫度和室溫，利用單片機控制水泵、電磁閥實現儲熱、供暖，實現太陽能的高效利用，晝夜不間斷供暖，供暖溫度靈活可調，從而降低了熱量的浪費。

若實現其與輔助熱源的連鎖，利用一種太陽能熱水器與供暖型燃氣熱水器轉換供暖的控制系統，包括有太陽能熱水器，供暖型燃氣熱水器，散熱器，散熱器的供水輸入口與太陽能熱水器的供水輸出口連通，散熱器的供水輸出口與供暖型燃氣熱水器的采暖回水輸入口連通。還包括電控三通閥，用于檢測太陽能熱水器水溫的溫度檢測器，以及控制電控三通閥的控制器，電控三通閥的供水輸入口與供暖型燃氣熱水器的采暖熱水輸出口連通，電控三通閥的一個供水輸出口與太陽能熱水器的供水輸入口連通，電控三通閥的另一個供水輸出口與散熱器的供水輸入口連通;控制器控制電控三通閥、供暖型燃氣熱水器工作，在控制器CK外殼上設有轉換工作模式的調節旋鈕，系統具有低碳、節能環保的特點。

2.5 地板輻射采暖系統

常見的以熱水為熱媒的采暖末端散熱器的形式有低溫地板盤管散熱器輻射供暖、墻壁金屬散熱器供暖、頂棚風機盤管式供暖、墻壁盤管散熱器輻射供暖。

地板輻射采暖是一種以低溫熱水為媒介，通過室內盤管進行散熱的供暖方式。通常盤管敷設于室內整個地面，熱水流經盤管，均勻地向室內輻射熱量。由于熱穩定性好、室內溫度均勻、免占室內空間、節能、干凈、維護方便等優點而受到人們的歡迎。系統中的低溫熱水溫度為35℃ ～50℃，不能超過60℃，供、回水溫差不宜大于10℃，而這個溫度段正好是太陽能熱水器熱利用最高的溫度段。

根據計算，我們可得到采暖房間的采暖功率，因此也就知道各房間散熱器一天發散的總能量，按照散熱器半天工作的原則我們知道散熱器的功率是采暖功率的2倍。再根據各種散熱器的散熱能力選擇散熱器面積。

2.6 環境效益及常規能源替代量

常規能源替代量(噸標準煤)比較對象:冬季選取常規的燃煤鍋爐房(根據《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》鍋爐效率取68%)作為比較對象。其結果可由表3常規能源替代量及環境效益的評價表4反映。

表3 常規能源替代量計算表

3 結語

太陽光普照大地，沒有地域的限制，是最清潔的能源之一，在環境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的，太陽能地板輻射采暖技術是一種綠色、環保、節能、舒適的采暖技術，可很好地解決農村地區采暖與節能的難題，能有效提高農民的生活質量，有很好的發展和推廣應用前景。在陰雨雪天氣系統自動切換至燃氣鍋爐輔助加熱讓冬天的太陽能供暖得以完美的實現，春夏秋冬可以利用太陽能集熱裝置生產大量的免費熱水，大面積推廣也可取得可觀的環境效益。

表4 環境效益計算表 t/年

太陽能低溫地板輻射采暖系統具有:

1)節約能源成本，運行成本降低;2)安全可靠;3)綠色環保;4)智能控制，經濟運行;5)使用壽命長;6)建筑一體化;7)能源互補等眾多優點，可廣泛應用。

目前由于系統的初投資較大等原因，太陽能供暖技術的利用還沒有廣泛普及，研究、開發新型太陽能低溫地板輻射供暖系統，不斷提高其可靠性和經濟性，同時進行示范工程應用，逐步實現太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統的實用化和商品化，對于解決能源和環保問題具有極其深遠的意義。

［1］李建成.太陽能熱水系統與地源熱泵應用情況分析［J］.山西建筑，2011，37(7):192-193.