翟華維　劉紹忠

（德州市建筑規(guī)劃勘察設計研究院，山東德州253016）

　　摘要：本文分析了山東農村地區(qū)的采暖現狀和利用太陽能、生物質能的資源優(yōu)勢，對太陽能與生物質能聯合供暖系統的組成做簡要介紹，提出農村房屋需先進行圍護結構節(jié)能改造后，采用太陽能與生物質能聯合供暖系統，并以濟南地區(qū)的農村房屋為模型建筑對太陽能與生物質能聯合供暖系統進行了技術經濟性分析。

　　1山東農村地區(qū)房屋及采暖現狀

　　山東農村地區(qū)的現有房屋大部分為單層建筑，外墻為240mm或370mm厚磚墻，屋面沒有保溫隔熱措施，門窗大部分為單層木門和單層玻璃窗。此種建筑體形系數大，窗墻面積比大，建筑能耗高，開展農村房屋采暖改造須先對房屋進行保溫改造后再選取適宜的清潔采暖技術[1]。

　　目前，山東農村地區(qū)存在多種分散式供暖形式，主要有燃燒原煤或蜂窩煤的采暖爐、燃燒秸稈或煤的火炕、以燃煤爐為熱源的土暖氣，部分家庭的采暖與做飯為一個系統。傳統采暖方式不僅導致室內空氣環(huán)境質量差，而且造成室外大氣污染。特別是近幾年我國北方采暖地區(qū)每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就是采暖煤燃燒排放硫化物。為治理冬季霧霾天氣，改善空氣質量，同時我國北方各地針對農村房屋采暖，通過政策引導相繼完成了一大批“煤改電”“煤改氣”項目，但是“煤改電”供暖工程必須配合農村配電網升級改造，“煤改氣”必須配合在農村鋪設燃氣管網，配電網和燃氣管網的鋪設造價高、施工周期長，同時我國農村地區(qū)居住區(qū)分散也為配電網或燃氣管網的鋪設增加了難度[2-5]。項目改造完成后，還會產生較高的用電或用氣費用，增加農民負擔。

　　2019年7月，國家能源局綜合司發(fā)函對《關于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進過程中有關問題的通知》征求意見，提出因地制宜拓展多種清潔供暖方式，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，在農村重點發(fā)展生物質能供暖。太陽能和生物質能采暖都是新型綠色采暖方式。

　　山東農村地區(qū)太陽能資源處在Ⅲ類豐富區(qū)，太陽能日輻照量均在3780MJ/㎡以上。山東農村地區(qū)房屋多為單層建筑，建筑屋頂為太陽能集熱器的安裝提供了足夠空間，且屋頂無高層建筑遮擋陽光，為山東農村地區(qū)太陽能利用提供了有利條件。同時，山東農村擁有豐富的植物秸稈資源，近年來以植物秸稈資源化利用為基礎迅速發(fā)展起來的生物質燃料和生物質燃燒爐制造技術，為農村生物質采暖提供了技術和產品支撐。

　　2太陽能與生物質能聯合采暖系統

　　太陽能與生物質能聯合采暖系統是指太陽能集熱系統和生物質燃燒爐聯合保證供暖系統供水水溫。將熱水儲存在蓄熱系統中，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。本文推薦采用的太陽能與生物質能聯合供暖系統主要由太陽能集熱器、水泵、儲熱水箱、末端地板采暖系統、生物質燃燒爐及控制系統構成，如圖1所示。

　　2.1太陽能集熱器

　　太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能并將其轉換為熱能的設備，是太陽能采暖系統的核心部件[6]。太陽能集熱器按照材質主要分為兩種：平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器。我國真空管集熱器發(fā)展迅速，市場占有率達90%以上。由于平板集熱器具有故障率低、易與建筑相結合等優(yōu)點，近年來也得到了快速發(fā)展。兩種集熱器優(yōu)缺點對比見表1。

　　綜合考慮兩種集熱器的特點及太陽能采暖系統“非采暖季熱量過剩”，本文以平板型集熱器作為太陽能采暖系統采用的集熱器進行展開分析。

　　2.2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[7]。生物質采暖爐在農村使用燃料來源廣泛、成本低，與直接燃燒秸稈相比，熱效率高、污染物排放少。目前我國生物質顆粒燃燒爐發(fā)展很快，市場上已形成系列化產品，生物質顆粒燃燒爐燃燒效率已高達80%以上，普通民用生物質采暖爐的價格也降到了4500元左右，并已有幾十個生物質采暖示范工程。山東農村地區(qū)秸稈資源豐富，為生物質采暖爐的應用提供了很好的基礎。

　　2.3采暖末端

　　太陽能集熱器屬低溫熱源設備，太陽能集熱系統集熱效率與集熱器進口溫度有重要關系。集熱器效率可以用式（1）表達。

　　相關試驗表明，集熱器進口溫度為40℃、50℃、60℃時，對應的集熱器效率分別為0.48、0.41、0.34，集熱器進口溫度每增加10℃，集熱器效率降低7%。因而應針對其效率特性曲線進行供暖散熱端的選擇，以低溫地板輻射散熱系統作為太陽能采暖系統的末端，可達到系統的整體高效性。

　　3系統模型

　　本文設計一個農村房屋模型，房屋模型圍護結構采取節(jié)能材料和節(jié)能技術措施，同時以濟南地區(qū)為例進行太陽能與生物質能聯合采暖系統的技術經濟性分析。

　　3.1模型建筑

　　本文根據濟南農村地區(qū)的典型房屋，建立了一個長15m、寬7m的單層建筑模型，建筑層高3m，南側外窗為1.5m×1.8m，北側外窗為1.2m×0.6m，中間外門為1.5m×2.1m，兩側外門為1m×2.1m，建筑詳細尺寸參數如圖2所示。外墻有外保溫措施，外門外窗為節(jié)能型產品，建筑模型的建筑做法及熱工性能參數見表2。

　　3.2太陽能集熱面積計算

　　太陽能集熱器總面積根據《太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范》（GB50495—2009）中式3.4.3-1計算，如式（3）。

　　太陽能集熱器面積計算結果為20㎡。

　　3.3主要設備選型

　　根據模型建筑日采暖總耗熱量及太陽能集熱器面積計算結果，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，選用10片2m×1m型平板太陽能集熱器、1臺15kW自動化生物質采暖爐[8]、1臺500L內帶換熱盤管型承壓保溫水箱、2臺水泵、1套控制系統等。

　　4經濟性分析

　　本太陽能與生物質能聯合供暖系統的設備投資主要由太陽能集熱器、生物質燃燒爐、承壓保溫水箱、水泵及管路、電力及控制系統、安裝及其他等幾大部分構成。

　　根據表3得出本文中采用的太陽能與生物質能聯合供暖系統（不含地板采暖末端）的投資約為3.18萬元。太陽能與生物質能聯合供暖系統和常規(guī)鍋爐采暖系統進行經濟性對比，見表4。由于太陽能系統運行費用很低，因此綜合熱價未計入太陽能與生物質能聯合供暖系統運行費用。

　　從表4可知，雖然太陽能與生物質能聯合供暖系統初期投資較高，但年綜合運行費用低于電鍋爐，稍高于燃氣燃煤鍋爐。太陽能與生物質能聯合供暖系統初期投資中，太陽能投資部分占比較大，可適當調整太陽能保證率增加系統的經濟性。家庭生活用熱水用熱量也是家庭用熱的重要部分，聯合供暖系統中太陽能部分在春夏秋季還可以提供家庭生活用熱水，非采暖季全年共245d，以每天使用200L50℃熱水計算，假設初始水溫為15℃，則非采暖季生活熱水用熱量=4.18×0.2×（50-15）×245=29535MJ。

　　5小結

　　通過以上分析可知，山東農村地區(qū)在將房屋進行節(jié)能改造后，采用太陽能與生物質能聯合供暖系統在經濟上可行。雖然初期投資較高，但全年綜合運行費用低于電鍋爐，稍高于燃氣燃煤鍋爐。此外，太陽能與生物質能聯合供暖系統主要利用清潔的太陽能和農村秸稈顆粒，可以減輕農村冬季環(huán)境污染，增加農民農作物秸稈的經濟收入，綜合效益十分顯著。太陽能與生物質能聯合供暖系統的缺點是，目前的技術條件下仍然存在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(guī)范、農民家庭仍難承受運行費用等問題，隨著新產品和技術的發(fā)展，這些問題將會一一解決。

　　參考文獻：

　　[1]陳一全,朱傳晟.《山東省綠色農房建設技術導則》內容解析與編制研究[J].墻材革新與建筑節(jié)能,2017(09):40-44.

　　[2]王倩,高新宇.太陽能采暖系統應用現狀與發(fā)展[J].區(qū)域供熱,2009(1):29-32.

　　[3]北京市住房和城鄉(xiāng)建設委員會科技與村鎮(zhèn)建設處.北京新農村建設太陽能采暖試點示范[J].建設科技,2013(01):17-21.

　　[4]高新宇,范伯元,張紅光.太陽能采暖系統在新農村建設中的應用研究[J].太陽能學報,2009,30(12):1653-1657.

　　[5]中國可再生能源學會太陽能建筑專委會等.北京地區(qū)太陽能采暖工程現狀及分析[J].農業(yè)工程技術(新能源產業(yè)),2008(04):2-7.

　　[6]朱冬生,徐婷,蔣翔,等.太陽能集熱器研究進展[J].電源技術,2012,36(10):1582-1584.

　　[7]徐飛,侯書林,趙立欣,田宜水,孟海波.生物質顆粒燃料燃燒技術發(fā)展現狀及趨勢[J].安全與環(huán)境學報,2011,11(01):70-74.

　　[8]趙君.生物質顆粒燃燒機及熱水鍋爐采暖技術研究[J].科技經濟導刊,2016(30):110-111.