基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的農村平頂房供暖系統的設計與研究

魏顯文，許中璞，劉吉仁

(武威職業學院，武威 733000)

0 引 言

我國西北地區太陽能資源豐富，日照時間長，具備良好的太陽能資源利用條件，該地區農村房屋多為一層平頂房，在屋頂安置太陽能集熱器尤為便捷，文中設計的供暖系統用于西北地區農村居住建筑的供暖，旨在提高農村建筑室內熱舒適水平和降低房屋冬季采暖能耗。供暖系統既可以用來供暖，又可以用來供應生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放，對切實推進低碳新農村建設、美麗鄉村建設有積極意義。

1 西北地區農村供暖現狀

我國西北地區地域廣，農村房屋建筑相對分散，冬季比較寒冷，平均氣溫在零下十度左右，采暖周期長達半年之久，供暖問題繼而成為老百姓切為關注的話題。

1.1 房屋建筑概況

近年來，隨著新農村建設步伐的加快，我國西北地區農村面貌煥然一新，曾經的土墻危房變成了一排排整齊的四合院，老百姓的日子越來越好，隨之對生活質量的追求也逐步提升，尤其是對供暖舒適度和環境要求有了新的標準。目前西北地區新農村房屋建筑以磚瓦房為主，多為一層平頂房，建筑面積在100至200平米之間?？紤]到房屋建筑成本，大多數房屋在屋頂鋪設10～20 mm的爐渣，用于防漏水和增加屋頂保溫性能，有部分經濟差的農戶沒有做任何的保溫措施，僅僅用水泥和砂石漿涂刷墻體，保溫效果很不理想。

1.2 農村供暖現狀

通過調研發現，大多數家庭依然采用燃煤爐、火炕和電炕為主的供暖方式。由于涉及到燒水做飯，燃煤爐的幾乎家家使用，主要燃燒原料以煤炭為主，通過煤炭燃燒將熱量散發到室內，煙氣通過煙筒排放到室外。這種燃煤爐使用簡單，但存在很多危害。如煤炭燃燒會產生大量的有害氣體被排放至空氣中嚴重污染空氣；燃煤爐一旦操作不當，就會在室內產生大量的二氧化碳和二氧化硫，引起中毒造成生命危害；燃煤爐的體積較小，大量的熱能被排放的室外，室內溫度僅限于燃煤爐周圍，其它房價溫度依然很低，供暖效果不佳?；鹂皇且糜谝归g睡覺取暖，在房屋外部設立一個煙道，放入秸稈、稻草等原料，通過燃燒將炕加熱，室內溫度能達到十度左右，相對燃煤爐而言，燃燒成本較低，缺點是要頻繁的添加燃料，燃燒產生的熱能較低，同時也會產生一定的空氣污染，取暖方面有受熱不均的現象，往往都是中間熱，兩頭涼。電炕是一種以炭纖維遠紅外電熱板為主要材料敷設在炕上，通過電流加熱的取暖方式，相對火炕要干凈很多，受熱均勻，還可以進行溫度調節，類似電熱毯一樣，但需要花費一定的電費為代價?，F在地方政府有相應的電價補償，是目前收到農戶青睞的一種夜間取暖方式。

2 可再生能源多元化發展

2.1 生物質能應用現狀

生物質能屬于綠色可再生能源，污染很低，發展包含生物質能在內的可再生能源不僅能夠優化能源結構，而且有助于減輕溫室效應和生態良性循環，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環境問題的重要途徑之一。生物質固體成型燃料技術是在一定溫度和壓力作用下，把木質素充當粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀，塊狀或顆粒狀等成型燃料。木質、棉桿和玉米秸稈為原材料的3種燃料NO 排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。在我國北方農村地區，生物質能源和太陽能資源豐富，燃料運輸成本較低，綠色環保的生物質鍋爐作為太陽能的輔助熱源，對形成具有清潔、舒適、可持續的農村供暖模式，有著重要的意義，與煤相比，生物質固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環境效益巨大。

2.2 太陽能應用現狀

太陽能是目前我國可再生能源利用最為廣泛的一中清潔能源，尤其是分布式發電系統在西北地區經濟建設中起著重要作用。通過分析我國太陽能資源分布圖可以看出，西北地區為太陽能資源豐富區，年日照時數達3000多小時，短期儲熱系統太陽能保證率可達50%左右。

3 供暖系統總體設計

根據國家“農村地區居住建筑節能設計標準”中的規定，在冬季采暖期，供暖系統可以安全高效穩定的運行，滿足房屋建筑的設計熱負荷要求，保證用戶的生活熱水水量和水質，盡可能的提高太陽能集熱效率，保證初次投資和運行費用較低，供暖系統結構簡單，使用方便。根據以上要求，總體設計時需要對基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統每個部件進行合理的選型和校驗，從而保證室內溫度和暖氣片熱水溫度的動態平衡。

西北地區太陽能資源豐富，新農村標準住宅建筑負荷較小，且人體熱舒適可接受范圍較寬，利用太陽能采暖行之有效。采用模塊式設計理念，基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統由太陽能集熱模塊、新型燃爐模塊、保暖蓄水箱模塊和智能控制系統模塊四部分組成。

3.1 太陽能集熱器選型

太陽能集熱器主要是以采集太陽輻射能量對自來水進行加熱的過程，是太陽能供暖系統中的核心部分，會影響到整個供暖系統的供熱效果。目前，市場上常見的集熱器有平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器兩種形式，如圖1所示。

平板型太陽能集熱器與真空管型太陽能集熱器相比，平板型太陽能集熱器的涂層效率要高，本身具有防凍設計，因此更適合與寒冷地區使用。由于其結構形式決定安裝便捷，日常維護簡單，具有一定的承壓能力，尤其在冬季，西北地區降雪量較大，厚厚的積雪覆蓋在集熱器上面，形成壓力，而真空管集熱器容易破損，平板型太陽能集熱器使用壽命也高于真空管集熱器，基于以上分析比較，本設計中采用平板型集熱器。

太陽能集熱器的工作原理是自來水先經太陽能集熱器加熱后進入蓄熱水箱，熱水再與水箱內的水進行換熱，整個蓄水箱溫度達標后通過循環水泵送入敷設的暖氣管道進入各個房間進行供暖。

3.2 新型燃爐設計

太陽能作為一種清潔能源雖然具有利用成本低、周期長等優點，但受到雨雪天氣、陰天等自然條件的限制影響，到達地面的熱量大幅降低。因此，在特殊天氣情況下，需要通過新型燃爐進行輔助供暖，晴朗白天太陽輻照量高時太陽能集熱器吸收熱量，水箱蓄熱，陰天或雨雪氣候時，輔助熱源對熱量進行補充，讓整個采暖期室內溫度得以保證，兩者切換使用降低了農戶的采暖成本。

新型燃爐含有生物質顆粒投放口、排煙口、熱水出口、回水口、溫度檢測與水位檢測口、落灰桿等部分組成。新型燃爐是一種將生物質顆粒放在爐排上進行火床燃燒，利用空氣流使生物質顆粒高速旋轉并強烈火燒，固體生物質顆粒經與氣體接觸而轉變為類似流體狀態，這種流化過程用于燃燒產生熱量，如圖2所示，新型環保采暖爐是以生物質顆粒作為燃料的燃具，生物質顆粒原料來源是玉米秸稈、麥秸、稻草、樹葉等農作物，比較環保，可實現生物資料的回收以及再利用。新型環保采暖爐煙筒排煙時的熱空氣和爐體輻射散熱作為補償供暖，在冬季使用火爐供暖的同時也可以用來做飯。

3.3 保溫蓄水箱設計

西北地區冬季室外溫度較低，蓄熱水箱若放置于室外，則熱量損傷占比較高，不利于熱水儲存，文中將蓄熱水箱放置到廚房，減小蓄熱水箱中熱水的夜間熱損失，在水箱外圍敷設電熱伴，達到24小時保溫效果，使得熱損失達到最小化，如圖3所示。

3.4 智能控制系統設計

基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統是一個完整的閉環運行模式，熱水在集熱器、水箱、管道、暖氣片之間循環，始終保持室內溫度在一定的是適度內。智能控制系統采用STM32單片機作為主控，將太陽能集熱器出水口溫度傳感器與保暖水箱水溫傳感器所采集數據傳送到主控，根據設定閾值進行比較，通過調節相關閥門達到適宜水溫，控制系統框圖如圖4所示。

4 仿真測試

通過TRNSYS軟件分別對西北地區農村房屋進行負荷和太陽能與新型燃爐互補供暖系統進行仿真模擬，進一步驗證該系統的實效性。

選取甘肅省涼州區的冬季室外逐時溫度、逐時濕度及逐時太陽輻射量為基準，進行當地農村建筑負荷模擬，如圖5所示。

圖中基本單元有氣象數據Type109-TMY2,天空溫度，焓濕圖，控制器Type2b。通過不斷獲取氣象數據、實時天空溫度與焓濕圖數據后將其傳輸至建筑模型，反饋至控制器進行運算，進而實現對建筑采暖量進行有效控制，然后考慮到光閥的影響因素，進而氣象數據產生波動，最后得到當前模擬情況下的熱量圖。其模擬時間為6 552 h，可得模擬時間范圍內符合最大為3.5 kW,如圖6所示。

同時對基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統進行模擬仿真分析，建立太陽能集熱器(Type1b)、熱循環泵(Type3b)、新型燃爐熱源泵(Type665-1)、蓄熱水箱(Type4c)等模型部件，互補供暖系統仿真模型如圖7所示。

工作模式為太陽能集熱器熱水系統能夠滿足用戶供暖需求時，新型燃爐熱源系統關閉,太陽能集熱系統承擔系統全部負荷，當太陽能不足時，新型燃爐熱源系統啟動，進行補償供暖。太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統運行獲得水箱溫度波形圖如圖8所示。

通過上圖可見，太陽能輻射強度變化時的供水溫度有所波動，采暖季剛開始由于蓄熱水箱工作有延遲，再者收到太陽輻射角度的影響，太陽能集熱器所得輻射能量較小，開始的供水溫度較低，然后水溫持續上升至基本穩定，在整體仿真時間段所獲得的最佳溫度達到80度，基本符合供暖需求。

5 結束語

太陽能資源是可再生能源的一個重要領域，西北地區具有得天獨厚的太陽能資源，根據國家可再生能源發展規劃指導意見，研究和開發基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統具有一定的價值，文中重點分析了我國西北地區農村冬供暖的現狀，提出了以太陽能集熱器為主，新型燃爐為輔的一種互補的聯合供暖系統，分別對硬件和軟件進行了設計分析，通過相關仿真，驗證了該系統能滿足基本供暖需求，對今后農村供暖改造工程提供了行之有效的技術方案和策略。系統應用后太陽能既可用來采暖，又可以用來供應生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放。基于太陽能集熱器與新型燃爐互補的供暖系統的使用符合西北地區農民生活習慣，不但有效減少污染排放和一次能源的浪費，而且對切實推進低碳新農村建設、美麗鄉村建設有積極意義。