美麗鄉村太陽能光熱綜合利用研究

王銘，安子櫻，李子期，黃麗妍，張光偉，劉向華

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 概述

十六大五中全會首次提出美麗鄉村概念，十八大要求進一步推進生態文明和美麗中國建設，并首次將生態文明建設寫入黨章，國家希望廣大農村能充分分享改革紅利，建設青山綠水的美麗鄉村。

項目名稱農村太陽能系統綜合利用的技術分析，是在“建設美麗鄉村”政策指導下，打造太陽能綜合系統，在保護當地生態環境和人文環境的前提下建造農村綠色建筑群，并探究其技術經濟可行性。在太陽能熱基礎上，使太陽能吸收式空調與太陽能驅動式熱水器等家電綜合為一個系統，打破常規電能供給模式，節省建筑能耗，并對系統進行經濟技術分析，預測其可行性。

2 既有鄉村建筑現狀歸納

2.1 總體調研情況介紹

我國作為農業大國，農村人口數量占較大比例。為順應我國新農村建設的號召，需要改善農村居民的住宅環境，加強改造農村建筑節能設施，降低能耗，結合當地實際情況合理設計冷熱源方案，提高農村建筑的節能效果，從而達到經濟性的目的。

2.2 調研內容介紹

2.2.1 夏熱冬冷地區

夏熱冬冷地區指累年日平均溫度穩定≤5℃日數為60～89d，及累年日平均溫度穩定≤5℃日數不足60d，但累年日平均溫度穩定低于或等于8℃的日數≥75d的地區。

2.2.1.1 河南省信陽市邱灣村調研內容

①調研地區農村建筑特征

河南省信陽市屬于夏熱冬冷地區，需要取暖措施。本地農村建筑，采用平屋頂設計，大多為兩層。墻體為240mm厚的實心紅磚，墻體內外抹灰砂漿5mm。窗墻普遍比較大，窗戶均朝向南方。樣本中雙層房屋建筑占地面積在150m2～250m2不等。

②調研地區用能情況分析

樣本一炊事活動和生活熱水用能為柴薪，夏季采用電風扇，冬季采用電取暖。樣本二炊事活動用能為柴薪，生活熱水采用太陽能熱水器輔助電加熱器。

③調研內容調研結果分析

a.此地區冬夏季采暖、制冷情況普遍不能滿足人們的生活需求，冬夏季房間內的舒適性較差,急需新的更加有效的采暖、制冷方式。

b.由于人們生活采用的能源中，廉價的易獲得柴薪占據的比例很大，大大降低了人們日常生活的能源費用支出，因此，想要取代柴薪面臨很大難度。

2.2.1.2 山東省東營市六戶鎮調研內容

①調研地區農村建筑特征

東營市基本氣候特征為冬寒夏熱，夏季需要考慮防熱，冬季需要供暖。東營市冬季為市政統一供暖，部分單體建筑選擇中央空調系統。

調查樣本A為三層連戶建筑，建筑面積為242m2，圍護結構為普通混凝土砌磚，采用外保溫，保溫層為苯板，屋頂為坡屋頂，貼瓦片保溫。調查樣本B為單元樓建筑，建筑面積為60m2，圍護結構為普通混凝土砌磚，采用石棉作外保溫。

②調研地區用能情況分析

樣本A進行炊事活動多采用天然氣，生活熱水來自太陽能。夏季制冷主要采用中央空調，冬季采暖因房間面積較大而居住人數少，以電暖氣為主。電及天然氣為主要能源消耗。

樣本B進行炊事活動只用市政天然氣，生活用水使用電熱水器加熱。夏季制冷以單體式空調為主，冬季采暖以市政統一供暖為主。電及天然氣為主要能源消耗。

③調研地區推廣太陽能空調可行性分析

經過調查，東營地區由于市政設施較為完備，所以大部分人不愿花費較大的投資更換為太陽能空調系統。

2.2.2 夏熱冬暖地區

夏熱冬暖地區是指我國最冷月平均溫度大于10℃，最熱月平均溫度滿25～29℃，日平均溫度≥25℃的天數為100～200d的地區。

2.2.2.1 廣西省貴港市大嶺鄉調研內容

①調研地區農村建筑特征

由于該地區長夏無冬，溫高濕重，夏季需要考慮防熱通風防雨問題。對于鄉村單體建筑，需要避免西曬，多設遮陽。調研樣本A、B的圍護結構為鋼筋混凝土結構，墻體材料240mm厚的實心紅磚，內外抹灰3mm。窗戶多采用鋁合金框玻璃窗。樣本中建筑占地面積在100m2～200m2不等，為多層平頂住宅，朝向均為坐北朝南。

②調研地區用能情況分析

樣本A、B中的屋主進行炊事活動多采用電及液化石油氣。樣本A夏季制冷和冬季供暖多采用分體式電空調，樣本B夏季采用電風扇，冬季僅采用柴薪烤火。電費及液化氣費用為主要的能源費用開銷。

該地區多使用空氣源熱泵，作為生活熱水的熱源。由于夏熱冬暖地區冬季氣溫高，適合空氣源熱泵的推廣。

③調研地區推廣太陽能空調可行性分析

該地區太陽高度角大，太陽輻射強烈，夏季時間長。尤其在廣西太陽能資源豐富，從太陽能利用條件上是可行的。且農村單體式建筑空地面積較大，可安裝太陽能空調。經過調研反饋，大多數人家對太陽能空調的理想成本價在2萬元以下，約200元/m2（占地面積）。

2.2.3 嚴寒地區

嚴寒地區其主要指標為最冷月平均溫度≤-10℃，輔助指標為日平均溫度≤5℃的天數大于145天。其中甘肅為典型的西北嚴寒地區，屬退耕還林區，資源匱乏，過度依賴生物質能。

2.2.3.1 甘肅省張掖市甘州區大滿鎮四號村調研內容

①調研地區農村建筑特征

張掖市地處祁連山及黑河流域腹地，地下水資源豐富，所以各住宅冬季供暖熱源大多采用地下水水源熱泵系統。

②調研地區用能情況分析調查情況

a.燒水做飯的能源消耗方式

由于農村電能已經很普及，大多用戶在燒水做飯用電能。另有相當一部分住戶使用薪柴和煤，平房居民冬季都用煤爐燒水做飯，夏天會使用電能，使用液化氣的住戶較少。

b.冬季采暖的能源消耗概況

住宅采用地源熱泵采暖，室內采暖主要使用煤，燒炕采用柴草、秸稈等“無成本”生物質能。由此，電、煤和薪柴為當地的主要住宅能源。

③調查結論

該農村住戶為多種能源并存的復雜能源使用結構，在較低生活水平條件下，住宅用能主要取決于當地資源的可獲得量，而能源消費主要用于人的生存需要，家庭消費的能源中生物質能（秸桿、薪柴），一般不需要花費支出。

2.2.4 總體調研結論

①目前在調研的鄉村中，有一部分已經開始使用太陽能作為熱水和供暖的方式，農村居民對于太陽能的認識相對于其他的可再生能源了解的更多，推廣的難度更低。

②政府頒布的一系列美麗鄉村清潔能源補貼政策推動了太陽能在農村的普及，同時也可以幫助農村居民減輕購置太陽能設備的經濟負擔，從而減輕農村居民對于價格方面的憂慮。

3 典型建筑的冷熱源系統設計

3.1 新建建筑系統設計

3.1.1 建筑概況

本工程為合肥市某新式農村住宅，該建筑位于安徽省合肥市，總占地面積約277.2m2/戶，空調面積為142.62m2/戶，地上共2層，總高度6.6m，每層層高為3.3m。

3.1.2 冷熱源系統設計

3.1.2.1 系統1——太陽能供暖、制冷、熱水一體化系統

該系統冬季熱負荷由太陽能集熱器承擔，直接制取熱水供給用戶采暖，夏季由熱水型溴化鋰吸收式制冷機承擔冷負荷，熱水由太陽能集熱器制取。制冷機制取7℃冷水送至末端。

圖1 建筑立面圖

圖2 建筑平面圖

其次，由空氣源熱泵作為備用冷熱源，在太陽能無法滿足需求時，滿足用戶的需求量。冬夏季所需生活熱水由太陽能集熱器承擔，并且在冬季，用空氣源熱泵兼做生活熱水的補充熱源。而在夏季，根據實際考慮，太陽能集熱器絕大部分條件下可以滿足生活熱水需求，故不需要其他熱源做夏季生活熱水補充。

冬季運行時，如圖3所示，關閉閥2和閥3，使太陽能供水和用戶回水不經過溴化鋰制冷機；開啟閥1和閥4，使太陽能供熱水直接流向用戶末端，末端回水直接流回太陽能集熱器。在太陽能集熱器供熱不足時，電動閥1和電動閥2自動開啟，由風冷熱泵補充用戶需熱量。

夏季運行時，如圖3所示，關閉閥1，開啟閥2，使太陽能集熱器熱水流入溴化鋰吸收式制冷機，換熱后流回太陽能集熱器。開啟閥3，關閉閥4，使末端回水經溴化鋰制冷機冷卻至7℃。在系統制冷量不足時，電動閥1和電動閥2自動開啟，由風冷熱泵補充用戶所需冷量。

圖3 系統1系統平面圖

3.1.2.2 系統2——太陽能供暖、熱水一體化系統

冬季由太陽能集熱器承擔熱負荷，直接制取熱水供給用戶采暖，夏季由空氣源熱泵承擔冷負荷。夏冬季均由太陽能集熱器供給生活熱水。

其次，在太陽能無法滿足需求時，由空氣源熱泵作為補充熱源；并且在冬季，用空氣源熱泵兼做生活熱水的補充熱源。

冬季機房設備運行時，如圖4所示，關閉閥1、閥2、閥3，打開閥4、閥5。夏季機房設備運行時，如圖3-4 所示，關閉閥 3、閥 4、閥 5，打開閥 1、閥 2。

圖4 系統2系統平面圖

3.1.3 經濟性分析

針對合肥地區情況，以電費單價0.56元/kW·h為標準，進行經濟計算，如下表所示。

系統1和分體式空調比較 表1

系統2和分體式空調比較 表2

3.1.4 方案總結

根據表1和2可知，太陽能空調系統的初投資高，但是年運行費用較分體式空調低；且系統1投資回收期約13年，系統2約3年。但考慮到太陽能的環保效益，并結合調研報告可得，如果國家進行經濟補貼，農村家庭對于系統2的可接受程度較高。但如若空地較小且政府補貼較少，或風冷熱泵使用局限性大，考慮到設備的使用壽命和實際使用情況，可考慮夏季使用分體式空調，冬季使用太陽能系統。

3.2 既有建筑系統設計

3.2.1 建筑概況

該建筑位于安徽省合肥市，建筑總占地面積289m2，空調區域面積132.21m2，地上一層，房屋高度5.1m,房頂坡度22.5°，屋檐距地面高度3.3m。

圖5 建筑平面圖

圖6 建筑剖面圖

3.2.2 冷熱源系統設計

3.2.2.1 系統3——太陽能供暖、制冷、熱水一體化系統

圖7 系統3原理圖

夏季運行工況：

①太陽能充足時，閥 1、2、3、4 關閉，閥 5、6、7、8開啟。太陽能集熱器制取95℃的熱水，經水箱換熱后，溫度降低到90℃，熱水進入溴化鋰機組。經溴化鋰機組溫降至80℃，后進入太陽能集熱器后再加熱。

溴化鋰機組制取7℃的冷水進入房間換熱，溫升至12℃返回溴化吸收式制冷機再冷卻。

其次，自來水在水箱中換熱后，作為生活熱水送入廚房和盥洗室。

②太陽能不足時，閥 3、4、5、6、8 開啟，其余閥關閉。風冷熱泵承擔冷負荷。而太陽能集熱器只承擔生活熱水負荷。

冬季運行工況：

①太陽能充足時，閥7關閉，其余閥開啟。太陽能集熱器制取95℃的熱水，經水箱換熱制取生活熱水后，溫度降低到90℃后送入室內采暖。

②太陽能不足時，閥 1、2、3、4、6、8 開啟，其余閥關閉。風冷熱泵制取熱水，經水箱換熱制取生活熱水后，送入室內采暖。

3.2.2.2 系統4——太陽能供暖、熱水一體化系統

圖8 系統4原理圖

系統4采用太陽能集熱器承擔全年采暖及生活熱水負荷，風冷熱泵承擔冷負荷及冬季采暖、生活熱水的輔助熱源，夏季采用風冷熱泵制取冷水，供給用戶端風機盤管；冬季直接采用熱管式真空管集熱器制取最高95℃熱水，通過蓄熱水箱換熱供給生活熱水，同時降溫后送入室內采暖。

3.2.3 經濟性分析

針對合肥地區情況，以電費單價0.56元/kW·h為標準，進行經濟計算，如下表所示。

系統3、系統4與分體式空調經濟性分析 表3

3.2.4 總結

經過上述兩種方案的經濟性分析，系統3投資回收期約9年，系統4投資回收期約3年。

①系統3初投資較大，約為20萬元，其在農村地區推廣存在很大的經濟阻力。另外，由于溴化鋰吸收式制冷機運行過于復雜，在使用太陽能制取的熱水驅動時，需要熱水溫度達到一定的水溫才行，啟動時間具有相當的滯后性，不適合在農村住宅這種需要即開即用的場合。因此不推薦使用這種系統。

②系統4初投資回收期約為3年，初投資金額小。另外，隨著國家近些年來對太陽能技術應用的大力扶持和補貼，投資成本將會進一步降低。考慮到太陽能系統巨大的環保、節能優勢，推薦在農村住宅中采用這種系統形式。

4 結論

①在有推廣使用太陽能資源的天然條件的地區使用太陽能供暖、熱水一體化系統（系統2、系統4）運行較可靠，彌補了太陽能間歇性、不穩定性方面的缺陷。

②近年小型溴化鋰吸收式制冷機研發力度逐步加大，適合低負荷住宅（如鄉村建筑）的配套使用，并有著良好的推廣條件。但小機組的性價比較低，COP值也比較低，若采用獨戶供應，初投資較高。相反，采用集中式供應可節約設備占地面積、設備運行效率較高、并可使用較大型吸收式機組，但存在各戶計費及運行平衡問題，后期調節工作繁雜。具體采用的供應形式應根據當地情況考慮。

③通過上文經濟分析，發現設計方案初投資均較高，在農村地區均存在推廣的經濟阻力，但能耗及運行費用較低；而采用太陽能僅供暖+生活熱水的方式（系統2、4），回收周期約為3年。另一方案回收周期為前者的3～4倍。因此對于夏季制冷需求不強的地區，推薦使用供暖加生活熱水的方式。

④系統的節能減排效益顯著。經估計，冬季太陽能空調節約的一次能源消耗量約為傳統空調的40%，全年節約的一次能源消耗量約為傳統空調的10.7%。太陽能空調在冬天供暖+生活熱水的方式上顯示強大生命力，表現了太陽能空調綠色、節能、環境友好的巨大優勢，符合十八大進一步推進生態文明和美麗中國建設的要求。

⑤黨和國家對美麗鄉村建設的高度重視，為推進美麗鄉村建設各地實行“太陽能+供暖”的政府補貼。國內部分地區已推出實行太陽能加熱泵輔熱供暖的全額初投資補貼及一個采暖季的運行補貼。極大解決了太陽能系統初投資高的問題，在國家政策的幫助下，太陽能綜合利用系統將成為鄉村建設的優選能源。