應用于山東省農村地區的太陽能與生物質能聯合采暖系統淺析

翟華維，劉紹忠

(德州市建筑規劃勘察設計研究院，德州 253000)

0 引言

山東省農村地區的現有房屋大多數是單層建筑，通常外墻是厚度為240 mm或370 mm的磚墻，屋面也未做保溫隔熱措施，門、窗分別為單層木門和單層玻璃窗。此種建筑的體形系數大、窗墻面積比大、建筑能耗高。所以，筆者認為對農村房屋進行采暖改造的前提是先對其進行節能改造。

目前，山東省農村地區的室內采暖方式主要是燃燒原煤或蜂窩煤的采暖爐、燃燒秸稈或煤的火炕，以及以燃煤爐為熱源的土暖氣[1]；而且部分家庭將采暖與做飯合為一體。傳統采暖方式不僅導致室內空氣環境質量差，而且造成了室外大氣污染，尤其近幾年，每當我國北方采暖地區進入采暖季就會出現大范圍霧霾天氣，而造成霧霾天氣的主要原因之一便是采暖煤燃燒排放的硫化物。

為治理冬季霧霾天氣，改善空氣質量，我國北方各地針對農村房屋采暖相繼出臺了“煤改電”“煤改氣”的鼓勵政策，通過鼓勵政策的引導，相繼完成了一大批“煤改電”“煤改氣”項目。但這些項目同樣也存在弊端，比如“煤改電”項目必須配合農村配電網的升級改造，“煤改氣”項目必須在農村鋪設燃氣管網；而改造配電網和鋪設燃氣管網的造價高、施工周期長，并且我國農村地區的居住區較為分散，為改造配電網或鋪設燃氣管網增加了難度。而且即使“煤改電”或“煤改氣”項目改造完成，多數居民用戶也無力承擔較高的用電或用氣費用。

相較于上述采暖方式，利用太陽能和生物質能采暖都屬于新型采暖方式。山東省農村地區屬于Ⅲ類太陽能資源區，年太陽輻射量均在3780 MJ/m2以上；同時，該地區的房屋多為單層建筑，建筑屋頂可為太陽能集熱器的安裝提供足夠的空間，且不存在高層建筑遮擋陽光的情況，為山東省農村地區利用太陽能資源提供了有利條件。與此同時，山東省農村地區擁有豐富的植物秸稈資源，近年來以植物秸稈為基礎迅速發展起來的生物質燃料和生物質燃燒爐制造技術為該地區利用生物質能采暖提供了技術和產品支撐。本文介紹了在濟南農村地區建造的采用太陽能與生物質能聯合采暖系統的建筑模型[2]，并對此聯合采暖系統進行了經濟性分析。

1 太陽能與生物質能聯合采暖系統的構成

太陽能與生物質能聯合采暖系統是將太陽能集熱器和生物質采暖爐相結合，從而可保證采暖系統的供水水溫，并將熱水儲存在儲熱水箱中，然后通過輸配系統將熱水供給采暖末端，對建筑物進行供暖[3]。本文介紹的太陽能與生物質能聯合采暖系統主要由太陽能集熱器、水泵、儲熱水箱、地板輻射散熱系統、生物質采暖爐及控制系統構成，該系統的原理圖如圖1所示。

1.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器是一種將吸收的太陽輻射能轉換為熱能的設備[4]，根據類型不同，其主要包括平板型和真空管型。在我國，真空管型太陽能集熱器首先得到了快速發展，市場占有率曾一度超過90%；然而由于平板型太陽能集熱器具有故障率低、易與建筑結合等優點，近年來也得到了快速發展。2種太陽能集熱器的特點對比如表1所示。

圖1 太陽能與生物質能聯合采暖系統的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of solar and biomass energy combined heating system

表1 2種太陽能集熱器的特點對比Table 1 Comparison of characteristics of two kinds of solar collectors

綜合考慮上述2種太陽能集熱器的特點后，本文的太陽能與生物質能聯合采暖系統選用平板型太陽能集熱器。

1.2 生物質采暖爐

生物質采暖爐是指以秸稈、薪柴等農村廢棄物顆粒為燃料的采暖鍋爐[5]。在農村地區，生物質采暖爐所使用燃料的來源廣泛、成本低。目前我國生物質采暖爐的發展速度非常快，市場上已形成系列化產品，其燃燒效率已高達80%以上，且污染物排放少[6]。普通民用生物質采暖爐的價格已降至約4500元，并已有幾十個生物質能采暖示范工程。山東省農村地區豐富的秸稈資源可為生物質采暖爐的應用提供良好基礎。

1.3 聯合采暖系統末端

太陽能集熱器屬于低溫熱源設備，其集熱效率與集熱器進口溫度有重要關系。根據GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》，太陽能集熱器集熱效率ηcd可表示為：

式中，x為歸一化溫差，(m2·℃)/W；c0為光學性能效率值，無量綱；c1為線性熱損失系數，W/(m2·℃)；c2為二次項熱損失系數，W/(m2·℃)；G為太陽輻照度，W/m2。

其中，

式中，Ti為集熱器進口溫度，℃；Ta為環境空氣溫度，℃。

相關實驗表明，當集熱器進口溫度從40℃升到50 ℃，再升到60 ℃時，集熱器的集熱效率分別為48%、41%、34%，則集熱器進口溫度每增加10℃，集熱效率降低7%。因而在綜合考慮集熱器的集熱效率特性曲線后，選擇低溫的地板輻射散熱系統作為太陽能與生物質能聯合采暖系統的末端，以達到系統的整體高效性。

2 建筑模型

以濟南農村地區典型的單層建筑為例，該建筑的房屋圍護結構采用節能材料，并采取了節能措施。

2.1 建筑介紹

該建筑為長15 m、寬7 m、高3 m的單層建筑，其南側外窗的尺寸為1.5 m×1.8 m，北側外窗的尺寸為1.2 m×0.6 m；中間外門的尺寸為1.5 m×2.1 m，兩側外門的尺寸為1.0 m×2.1 m。建筑平面圖如圖2所示。

該建筑外墻采取保溫措施，外門、外窗選取節能型產品，建筑材料及傳熱系數信息如表2所示。

圖2 建筑的平面圖Fig. 2 Plan view of building

表2 建筑材料及傳熱系數信息Table 2 Information of building materials and heat transfer coefficient

根據建筑的圍護結構性能參數和濟南的氣候條件進行耗熱量計算，結果顯示，該建筑的日采暖總耗熱量為232.98 MJ。

2.2 太陽能集熱器總面積的計算

根據GB 50495-2019《太陽能供熱采暖工程技術規范》中的式(5.2.2-1)，計算太陽能集熱器的總面積Ac，即：

式中，QH為建筑物耗熱量，MJ；JT為濟南當地太陽能集熱器采光面上12月的日均太陽輻照量，MJ/(m2·d)，取 13.854 MJ/(m2·d)；f為太陽能保證率，本文取0.4；ηcd本文取0.41；ηL為儲熱水箱和管路的熱損失率，本文取0.18。

將相關數據代入式(3)，可得到太陽能集熱器的總面積為20 m2。

2.3 主要設備選型

根據建筑的日采暖總耗熱量及太陽能集熱器總面積，并綜合考慮太陽能與生物質能聯合采暖系統的短期蓄熱特性后，決定了主要設備的選型為：10臺尺寸為2 m×1 m的平板型太陽能集熱器、1臺15 kW的自動化生物質采暖爐、1臺500 L內帶換熱盤管的承壓型儲熱水箱、2臺水泵、1套控制系統等。

3 經濟性分析

對于本文中的建筑模型而言，無論采用何種采暖方式，地板輻射散熱系統作為采暖末端，為必須安裝的裝置，因此，進行聯合采暖系統各項投資分析時，未對其進行統計，具體如表3所示。

表3 聯合采暖系統各項投資概況Table 3 Overview of various system investments of combined heating system

由表3可知，不含地板輻射散熱系統時，太陽能與生物質能聯合采暖系統的投資約為2.73萬元。

將太陽能與生物質能聯合采暖系統與電鍋爐、普通燃煤鍋爐及燃氣鍋爐等傳統采暖方式進行經濟性對比，如表4所示。由于太陽能集熱器的運行費用很低，因此未將其計入聯合采暖系統的年采暖運行費用中。

表4 不同采暖方式的經濟性對比Table 4 Economic comparison of different heating methods

由表4可知，雖然太陽能與生物質能聯合采暖系統的初投資較高，但其年綜合運行費用低于電鍋爐，稍高于燃氣鍋爐和普通燃煤鍋爐。而且在春、夏、秋季的生活熱水運行費用方面，采用太陽能與生物質能聯合采暖系統與采用電鍋爐、普通燃煤鍋爐和燃氣鍋爐相比，每年可分別節省1254、473、645元，顯然該聯合采暖系統在這方面具有較強的經濟性。但往往太陽能集熱器面積較大時，其所吸收的太陽能熱量又遠大于春、夏、秋季生活熱水的需熱量，造成部分太陽能熱量在此期間被浪費，因此可以適當調整太陽能保證率來增加系統的經濟性。

4 結論

本文以濟南農村地區某個典型單層建筑為例，對房屋節能改造后采用太陽能與生物質能聯合采暖系統的經濟性進行了分析，雖然該系統的初投資較高，但其全年綜合運行費用低于電鍋爐，稍高于燃氣鍋爐和普通燃煤鍋爐。

太陽能與生物質能聯合采暖系統利用清潔的太陽能和農村秸稈顆粒為能源，在減輕農村冬季環境污染的同時增加了農民農作物秸稈的經濟收入。雖然該聯合采暖系統具有上述優點，但其目前還存在一些問題，比如太陽能受天氣影響大、生物質顆粒燃燒技術還未形成完善的國家標準規范，農民家庭仍難承受運行費用等。盡管如此，相信隨著經濟技術的發展，上述問題都將一一得到解決。