一種適用于北方農村地區的新型戶用型太陽能采暖系統

■ 夏茂國

天行健國際招標（北京）有限公司遼寧分公司 ■ 關穎

0 引言

隨著我國農村經濟建設的快速發展，北方寒冷地區農村能源問題日益凸顯。燃燒秸稈、木材等傳統的采暖方式已不能滿足人們當前的生活需求；同時，煤炭已在燃料家族中占據重要位置，其燃燒加重了環境污染，空氣質量變差。以上狀況是當今大多數北方農村地區所面臨的問題，因此改善居住環境，提高生活質量正在為人們所關注。

太陽能作為一種清潔、環保、廉價、取之不盡的可再生能源正逐步走入人們的生活，太陽能采暖作為太陽能利用的一種直接且有效的方式，可以免費為廣大北方農村地區家庭提供全年生活所需的大部分能量。但現階段要想大力推廣、普及農村戶用型太陽能采暖系統，還有很多問題需要解決。現階段我國北方農村地區太陽能采暖技術的發展尚處于初級階段，現有的一些太陽能采暖系統的設計并不能很好地適用于復雜而多樣化的北方農村家庭，系統成本高、系統結構相對復雜、房屋結構多樣化、受眾人群不同、生活習慣不同、農村人口經濟收入偏低等諸多問題，都直接影響太陽能采暖技術在北方農村地區的推廣與發展。

本文通過遼寧省沈陽市法庫縣一農村的實際案例，詳細介紹了一種采用實用新型防凍技術的適用于北方農村地區的太陽能采暖系統(下文將此系統命名為“太陽能1號系統”)。該系統的應用大幅提高了太陽能采暖系統在低溫環境下的適應能力，最大限度地降低了系統成本與系統能源消耗，簡化了操作和控制過程，良好地解決了我國北方農村地區在發展太陽能采暖系統過程中遇到的諸多問題，成為現階段實用且具有普及價值的農村戶用型太陽能采暖系統。

1 太陽能采暖系統的要求和標準

1.1 要求和標準

太陽能采暖系統的要求和標準，實際上就是消費者的要求和標準，最基本的要求即為系統的成本與實用性。一套好的實用的太陽能采暖系統不僅需要具有優益的性能，還需要與消費者的生活習性、經濟水平相適應。此外，在我國現階段的農村人口當中，中老年人口占有相當大的比例，且其中大部分人的文化水平相對較低，學習能力和操作能力差，基于此，太陽能采暖系統應具有簡單的操作控制方式。這些標準和特征是戶用型太陽能采暖系統發展普及的基礎，是必須具備的條件。

1.2 北方農村地區發展太陽能采暖系統的要點

從地理位置來看，我國北方農村地區所處緯度較高，一年四季冷暖分明。夏季陽光充足，天氣炎熱；冬季氣候寒冷，日照強度低且時間短，這給太陽能采暖系統在該地區的發展和推廣造成了諸多難題。例如，為解決系統的冬季防寒問題增加設備和配件，會導致成本和能耗的增加，同時還會給使用者帶來操作控制方面的復雜性和不便利性。

實際上，開發實用的農村戶用型太陽能采暖系統所面臨的根本問題在于系統的防凍和熱效能問題。具有較高熱效能的系統可以保證冬季有限的太陽光得到充分、有效地利用，減少輔助能源的消耗；系統的防凍問題則更為重要，其直接決定了系統的結構、性能、成本與運行方式，是制約北方農村地區太陽能采暖系統普及與發展的重要因素。

2 太陽能1號系統的基本結構及性能特點

2.1 系統的基本結構

太陽能1號系統的基本結構主要由實用新型太陽能集熱器、高效節能型水暖炕(床)、水空調、電暖兩用型熱水器、輔助能源設備、控制系統6部分組成。

2.1.1 實用新型太陽能集熱器

太陽能集熱器在太陽能采暖系統中擔負著采集太陽熱能的任務。在太陽能資源匱乏的冬季，太陽能集熱器的熱采集率、水容量、保溫性能、防凍性能等因素會直接影響采暖系統性能的好壞和結構的復雜性。尤其是集熱器的冬季防凍性能更為重要，其直接關系到系統的結構、成本、能耗和熱效能等。在太陽能1號系統中，結合北方農村地區冬季氣候特點，采用綜合性能較優異的實用新型真空管太陽能集熱器作為太陽能熱采集設備；由于其內部容水量較大，還可兼作系統的熱能存儲設備。

實用新型太陽能集熱器采用了一種常規物理設計方案，其在現有的太陽能集熱器水箱結構基礎上，重新設計了進水口和出水口，并增加了一個新的專用部件。這一實用新型太陽能集熱器通過一定的連接方式與室內采暖系統相連接，使系統實現常規的自動防凍功能。該技術已向國家知識產權局提交了發明專利申請。

2.1.2 高效節能型水暖炕(床)

受地理位置和氣候的影響，火炕對于我國北方農村地區的家庭而言是一種重要的采暖方式，其一年中除夏季之外，春、秋、冬3季都需要消耗大量的熱能，是我國北方農村地區家庭一年中耗能最大的采暖設施。目前，北方農村地區家庭中的火炕基本都是通過燒柴的方式來獲取熱能。

太陽能1號系統中的高效節能型水暖炕(床)是一款舒適、高效、節能型的生活采暖設施，同傳統火炕一樣，其除具有獨特的溫度變化曲線之外，還具有升溫快、熱量分布均勻、熱而不燥、睡眠舒適的特點；并且其徹底改變了火炕熱能的給予方式，結束了長年因燒柴和維護火炕所帶來的繁瑣勞動；由此可拆除灶臺大鍋，使廚房不再臟亂，人們的生活環境也變得潔凈和舒適；且騰出來的空間可作為客廳、飯廳、洗澡間等。這一變化無疑是北方農村地區人們在生活質量和生活方式上的一個標志性轉變。

2.1.3 水空調

水空調的優點是節能環保、價格低、熱效率高。它的采用可在減少能源消耗、降低投入成本、提高舒適度等方面起到一定作用。

2.1.4 電暖兩用型熱水器

電暖兩用型熱水器承擔著家庭生活中全年的廚房和浴室的熱水供應。其熱能來源可完全由太陽能采暖系統供給，電加熱方式只是在極少的特殊情況下使用。由于采暖系統為熱水器加熱的方式優于電加熱方式，一年可節省大量電能；同時，這種加熱方式還可以減少熱水器內部水垢的產生，延長熱水器的使用壽命。

2.1.5 輔助能源設備

輔助能源設備是現階段太陽能采暖系統中必不可缺的能源供給設備，其是在太陽熱能供給不足的情況下，用以補充系統所需熱能。在當前采暖領域中，輔助能源設備有電鍋爐、燃氣鍋爐、生物燃料鍋爐、柴煤鍋爐等多種設備可供選擇。在設計采暖系統時，可以結合國家相關政策，并結合不同地區、不同家庭的實際情況，選擇合適的輔助能源設備。

2.1.6 控制系統

控制系統是太陽能采暖系統的核心之一，其采用的控制方式及控制的復雜性與系統的結構設計相互制約、相互影響。控制系統開發周期較長，要根據一年四季的氣候特點，結合人們在不同季節的生活習性和生活方式，對系統進行實際運行測試，并在測試中不斷優化和改進，最終形成性能優異、穩定，且實用價值高的控制系統。

太陽能1號系統是一種精簡式結構設計，在操作控制方面采用“自動運行+手動干預”的設計方案，通過控制器對太陽能集熱器內部水溫進行全年實時監控。在寒冷的冬季，太陽能采集量是有限的，合理的控制方式可以充分利用太陽能集熱器采集到的有限熱能，降低輔助能源消耗，提高系統的熱效能。

2.1.7 其他室內采暖設備的選擇

在太陽能采暖系統中，室內采暖設備的選擇可直接影響整個采暖系統的性能和采暖效果。要結合實際情況和實際需求，合理選用高效節能型設備，這樣可以充分減少能源消耗，提高系統整體的熱效能。

2.2 系統的性能特點

太陽能1號系統中未設置獨立的儲熱設備，集熱器內部也未設置防凍電加熱器，集熱器的室外上、下水管也無需安裝電伴熱帶。系統整體采用一種簡單而有效的低成本設計，高效、節能、低成本和操控簡單是該系統的主要特點。

在太陽能1號系統中，太陽能集熱器與室內采暖設備之間的熱交換采用簡單而有效的直接熱交換方式，可大幅提高系統的熱效能。當控制器檢測到集熱器內部水溫接近沸點時，便會啟動太陽能增壓循環水泵，把室內采暖系統內的低溫水經上水管導入至集熱器水箱底部，同時集熱器水箱上面溫度較高的水便會經上部出水口流出，經回水管流入室內采暖系統，并根據需要將熱水直接導入室內相關采暖設施，完成相應的熱交換。當集熱器內部水溫降至設定的停止溫度時，增壓循環水泵停止工作，此時集熱器上、下水管內的水會在重力作用下自動排空，完成上、下水管的防凍過程。由于太陽能集熱器與室內采暖系統的熱交換是雙向的，可根據實際需要降低或升高集熱器內部水溫，以達到防止集熱器高溫或防凍的目的。

3 實際案例測試

3.1 測試說明

針對本文設計的太陽能1號系統，選擇沈陽市法庫縣農村地區一座典型的3間老式建筑進行實際測試。

測試時間：2017年10月～2018年10月。

房屋狀況：老式塑鋼門窗，無外墻保溫，整體保溫性能一般；采暖面積為90 m2。

地下水的作用在淡水資源中是不容小覷的，人類的生產生活、工業用水、動物植物所需都離不開地下水。隨著時間的推移，水資源也在逐漸減少中，同時不少為了了利益的商家還在大肆的污染。因此，地下水的保護以及污染治理是我們必須要重視的。

3.1.1 原有的傳統采暖系統的基本配置

原有的傳統采暖系統的基本配置包括：傳統火炕2鋪，總面積為14 m2；1.5 匹水空調2臺；鋼制16柱暖氣片2組；供熱面積為120 m2的三回程反燒型燃煤鍋爐1臺；100 W循環水泵2臺；溫控器2個。

3.1.2 將傳統采暖系統改為太陽能1號系統所需投入的資金

1)新增設備：新增實用新型真空管太陽能集熱器2組，總面積為13 m2，內部總容水量約為200 L；160 W增壓水泵2臺；中央控制器1臺；80 L電暖兩用型熱水器1臺。

2)需改造的設備：傳統火炕改為水暖炕，仍是2鋪，總面積為14 m2。

經核算，以上新增及改造設備的資金投入總額約為5000元。

3.2 實用新型太陽能集熱器及其上、下水管冬季防凍性能測試

1)測試時間：2017年12月～2018年3月。

2)測試地點：遼寧省沈陽市法庫縣登仕堡鎮達連屯村。

3)系統的設備及材料配置：采用實用新型太陽能集熱器；集熱器的上、下水管采用普通PPR熱熔管；內部介質為普通生活用水。

4)安裝配置：集熱器水箱內無電熱裝置，上、下水管為裸管安裝方式，無伴熱帶，無外加保溫材料。

5)測試結果：測試期間太陽能1號系統運轉供熱正常：內部介質無凍結；集熱器的上、下水管無凍結。

3.3 2種采暖方式的測試結果對比

表1為全年分別應用傳統采暖和太陽能1號系統這1種采暖方式的測試結果對比。

表1 2種采暖方式的測試結果對比

從表1可以看出：

1)從太陽能1號系統全年運行測試結果來看，可以把全年的供暖過程分成2個階段。第1階段是從每年的2月16日～11月30日，這個階段為“零排放期”，此階段人們生活中的供熱、供暖可全部由太陽能集熱器供給。第2階段是從該年的12月1日～ 次年的2月15日，此階段為“非零排放期”，這個階段的供熱、供暖需要由“太陽能集熱器+輔助能源”共同完成。實際上，這個“非零排放期”并不是絕對的，在某種情況下可以轉為“零排放期”，這主要取決于系統采用何種輔助能源設備。

2)從對比來看，太陽能1號系統較傳統采暖方式可節省燃煤約1.5 t；并且其保證了廚房和洗澡間在不需要消耗電能的情況下全年都有熱水供應。

3)火炕改成水暖炕，溫度更加均勻舒適，實現了全自動太陽能供暖模式，并且結束了由傳統采暖方式所帶來的繁瑣勞動和設施維護過程，改變了人們傳統的生活方式，提高了生活質量，同時在一定程度上解放了生產力。

4)太陽能1號系統解決了常規生活采暖方式不能與當今農業機械化發展進程相適應的問題。北方農村大部分地區都是以種植玉米為主，由于受傳統生活、家庭經濟狀況等因素的影響，在農業機械化的今天，玉米秸稈仍然是絕大多數農村家庭全年生活采暖的主要燃料。然而，隨著農業機械化的快速發展，秋季玉米的收獲方式基本是以機械化收割為主，但這會導致玉米秸稈被粉碎；此外，鄉村養殖業的快速發展，加大了對秸稈飼料的需求。這些因素導致很多家庭在生活采暖燃料的儲備上出現了困難。太陽能1號系統的應用改變了人們的生活采暖方式，結束了燃燒秸稈的歷史，解決了這一矛盾問題，有利于促進農業生產和農村經濟更好、更快地發展。

4 結論

太陽能1號系統是一套具有較高性價比的北方農村地區戶用型太陽能采暖系統。該系統以實用新型太陽能集熱器為核心技術，簡化了系統整體結構和控制過程，降低了系統成本和能源消耗，并提高了系統熱效能。它的成功應用標志著在發展普及北方農村地區戶用型太陽能采暖技術、改善并提高北方農村家庭生活質量、推動北方農村經濟建設、實現北方農村無煙化的國家戰略目標的道路上邁出了堅實的一步。