一種適用于農村地區的雙熱源低溫輻射供暖系統

許登科，桂佩佩，韓文童，肖莉貞，李曉樂

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

1 雙熱源模式

太陽能是一種清潔的可再生能源。我國屬于太陽能資源較豐富的國家，全國地表年接收的太陽總輻射能可達5×1019kJ，相當于 2.4×104億t標準煤的儲量。其中，一類地區為資源豐富帶，全年輻射量在6 700～8 300 MJ/m2，區域包括青藏高原、甘肅中北部、寧夏、新疆南部、內蒙古南部、青海東部、西藏東南部等地。二類地區為資源較豐富帶，全年輻射量在5 400～6 700 MJ/m2，區域包括山東、河南、河北東南部、吉林、遼寧、云南、陜西北部等地。三類地區為資源一般帶，全年輻射量在4 200～5 400 MJ/m2，主要指長江中下游、浙江、福建和廣東的一部分地區，秋冬季太陽能輻射量尚可。據資料統計分析，我國太陽能資源相對較好的地區超過2/3以上的國土面積，年日照時間大于2 200 h，為太陽能用于建筑供暖提供良好條件。

我國從2003年開始至今，共投資55億元支持農村沼氣建設，全國農村沼氣用戶超過2 200萬戶。發展農村沼氣，不僅能解決農民生活用熱、緩解國家能源供應壓力，而且能防止秸稈焚燒、保護生態環境；既能改善農村衛生狀況、提高農民生活水平，又能推動新時代化的農村建設。以沼氣池工程建設帶動農村改圈、改廚、改廁，大力推動沼氣工程與農村改水、太陽能光熱利用等相結合，切實促進農村生產和生活方式的轉變。近年來，政府在農村大力實施秸稈禁燒的政策，對政策支持者給予財政補助，因此，以秸稈作為生物質的沼氣能源得到迅猛發展，沼氣成為了農村新的生活熱源。如何將這兩種清潔能源結合用于農村地區冬季采暖，是能源應用方面的一個新課題。

2 采暖設備

為了更充分地利用太陽能的熱量，系統采用傳熱性能高、水溫要求低的毛細管輻射采暖末端。毛細管供暖技術是德國工程師于20世紀70年代發明的一種利用低溫輻射控制室內環境的技術。利用仿生學原理，模仿植物的葉脈和人體皮膚下的血管，由3.4 mm×0.55 mm或4.33 mm×0.8 mm的PP-R聚丙烯毛細管組成間距在10～30 mm的網柵。毛細管網散熱屬于低溫輻射采暖方式，建筑室內空氣設計溫度可按標準降低1℃～2℃，降低能源消耗。由于太陽資源具有不穩定和不連續的特性，冬季由太陽集熱設備形成的水溫并不會太高，而毛細管網只需要系統運行的水溫達到28℃～32℃，系統運行時供回水溫差僅需2℃～3℃，可以提供比常規供暖更高的環境舒適度，所以使太陽能這種低品位能源在建筑供暖中能夠達到高品位能源的作用。

沼氣是沼氣池在厭氧條件下產生的可燃性混合氣體，一般CH4含量在48%～80%，燃燒熱值比較高。每立方熱值約為5 500大卡(1大卡≈4.18 kJ)。農村的現有狀況比較有利于沼氣工程建設，將制取的沼氣收集后進入特制的鍋爐中燃燒，利用放出熱量來制取熱水或產生蒸汽，作為農村的生活熱源。沼氣鍋爐利用再生能源沼氣為燃料，運行時無噪音、無污染、屬綠色環保節能產品，且熱效率非常高，廣泛應用于采暖和供生活熱水用戶。在鍋爐上安裝智能化自動控制部件，實現水溫監測、熄火保護、自動停氣、多熱源轉換等監測和控制，安全且簡便運行。

3 系統組成

系統的組成如圖1所示，具體包括如下部件：太陽能集熱器(1)為雙熱源之一，選用真空管或平板型集熱器，將太陽光輻射轉化成熱量加熱采暖用水；沼氣鍋爐(2)為雙熱源之一，與太陽能集熱器并聯安裝，作為室內采暖系統的輔助能源；毛細管網(3)由內徑3～5 mm，壁厚0.5～0.8 mm的PPR塑料毛細管組成的間隔為10～30 mm 的網柵，作為室內低溫輻射供暖末端；圓柱形蓄熱水箱(4)自帶外保溫層，存儲并調節太陽能集熱器和沼氣鍋爐產生的熱水；太陽能集熱循環泵(5)安裝于太陽能集熱器和沼氣鍋爐進水口之間的公用管道上，為整個系統的熱水循環提供機械壓頭；采暖循環泵(6)設置于蓄熱水箱進水口與毛細管出水口之間的管道上，用于強迫毛細管供暖系統循環水的流動；電磁閥(7.1、7.2、7.3、7.4)安裝于太陽能集熱器和沼氣鍋爐進出口管路上，用于雙熱源的管路轉換；電磁閥(7.5)位于水箱上部側面，自動控制水箱的補水；截止閥(8.1、8.2、8.3、8.4)設置于水箱進出口管路上，用于管路檢修和維護；溫度傳感器(9.1、9.2)用來監測水箱和太陽能集熱器進出口熱水溫度，安裝于蓄熱水箱內部和太陽能集熱器出口處；過濾器(10.1、10.2)安裝于循環水泵入口前，用來過濾管網中的雜質，防止太陽能集熱器和毛細管網堵塞，一般選用Y型過濾器；溢流管(11)設置在蓄熱水箱的上部側面，選用塑料管，用于水箱水位超限時排水；液位傳感器(12)安裝于蓄熱水箱內，用于補水電磁閥的啟停控制；智能控制器(13)為可編程控制器PLC，用于控制系統的啟停和熱源的轉換；隔板(14)采用不銹鋼材質，用于減輕水箱內冷熱水分層。

圖1 雙熱源低溫輻射供暖系統組成

蓄熱水箱(4)：底層隔板(14)處的水在太陽能集熱系統循環泵(5)的動力下，依次經過截止閥(8.3)、過濾器(10.2)、電磁閥(7.2)、太陽能集熱器(1)和電磁閥(7.1)，水被加熱后流進蓄熱水箱(4)，構成太陽能集熱循環系統。蓄熱水箱(4)底層隔板(14)處的水在太陽能集熱系統循環泵(5)的動力下，依次經過截止閥(8.3)、過濾器(10.2)、電磁閥(7.3)、沼氣鍋爐(2)和電磁閥(7.4)，水被加熱后流進蓄熱水箱(4)，構成沼氣鍋爐加熱循環系統。蓄熱水箱(4)頂層隔板(14)處的水在采暖循環泵(6)的動力下，依次經過截止閥(8.1)、毛細管網(3)、過濾器(10.1)和截止閥(8.2)，水將熱量傳給室內空氣后流進蓄熱水箱(4)，構成采暖循環系統。智能控制器(13)連接有溫度傳感器(9.1、9.2)、電磁閥(7.1、7.2、7.3、7.4、7.5)、太陽能集熱系統循環泵(5)、采暖循環泵(6)、液位傳感器(12)和沼氣鍋爐點火裝置。

4 工作原理

系統開始運行前，智能控制器(13)打開電磁閥(7.5)向蓄熱水箱內注水，當液位傳感器(12)檢測到最高水位時關閉電磁閥(7.5)，此時系統補水完成。太陽能集熱系統采用動溫差方式運行，運行初期，當溫度傳感器(9.2)與溫度傳感器(9.1)的溫差大于5℃時，控制器(13)啟動集熱循環泵(5)，打開電磁閥(7.1)和(7.2)，將蓄熱水箱(4)內的水抽到太陽能集熱器1內，通過不斷循環，蓄熱水箱(4)內的水溫不斷升高。當溫度傳感器(9.2)與溫度傳感器(9.1)的溫度基本平衡時，關閉集熱循環泵(5)。當溫度傳感器(9.1)的溫度達到35℃時，控制器啟動采暖循環泵(6)，水箱熱水流經毛細管(3)時，熱量在毛細管(3)表面以輻射和對流的方式傳給室內空氣，降溫后的水回至蓄熱水箱(4)。系統運行期間，如當溫度傳感器(9.1)的溫度小于35℃時，控制器(13)關閉電磁閥(7.1)和(7.2)，打開電磁閥(7.3)和(7.4)，并同時啟動沼氣鍋爐(2)，維持供暖系統所需的熱量。當溫度傳感器(9.2)的溫度為40℃時，又重新切換到太陽能集熱運行模式。蓄熱水箱(4)內不同高度位置安裝隔板(14)，隔板(14)的作用是削弱冷熱水在水箱內的擾動，減輕冷熱水的熱力分層。隔板上設置矩形孔(15)，保證水流暢通。

5 結 語

本設計系統屬于供暖領域，涉及一種雙熱源供暖系統，熱源為太陽能和沼氣能源，適用于農村地區的冬季供暖。該系統節能減排效果好，不需要耗費大量電能，對改善供熱能源結構、提高農村居住環境和減輕環境污染均具有重要意義。

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