一種適用于北方農(nóng)村地區(qū)的新型戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)

■ 夏茂國(guó)

天行健國(guó)際招標(biāo)（北京）有限公司遼寧分公司 ■ 關(guān)穎

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，北方寒冷地區(qū)農(nóng)村能源問題日益凸顯。燃燒秸稈、木材等傳統(tǒng)的采暖方式已不能滿足人們當(dāng)前的生活需求；同時(shí)，煤炭已在燃料家族中占據(jù)重要位置，其燃燒加重了環(huán)境污染，空氣質(zhì)量變差。以上狀況是當(dāng)今大多數(shù)北方農(nóng)村地區(qū)所面臨的問題，因此改善居住環(huán)境，提高生活質(zhì)量正在為人們所關(guān)注。

太陽(yáng)能作為一種清潔、環(huán)保、廉價(jià)、取之不盡的可再生能源正逐步走入人們的生活，太陽(yáng)能采暖作為太陽(yáng)能利用的一種直接且有效的方式，可以免費(fèi)為廣大北方農(nóng)村地區(qū)家庭提供全年生活所需的大部分能量。但現(xiàn)階段要想大力推廣、普及農(nóng)村戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，還有很多問題需要解決?，F(xiàn)階段我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)太陽(yáng)能采暖技術(shù)的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，現(xiàn)有的一些太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不能很好地適用于復(fù)雜而多樣化的北方農(nóng)村家庭，系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、房屋結(jié)構(gòu)多樣化、受眾人群不同、生活習(xí)慣不同、農(nóng)村人口經(jīng)濟(jì)收入偏低等諸多問題，都直接影響太陽(yáng)能采暖技術(shù)在北方農(nóng)村地區(qū)的推廣與發(fā)展。

本文通過遼寧省沈陽(yáng)市法庫(kù)縣一農(nóng)村的實(shí)際案例，詳細(xì)介紹了一種采用實(shí)用新型防凍技術(shù)的適用于北方農(nóng)村地區(qū)的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)(下文將此系統(tǒng)命名為“太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)的應(yīng)用大幅提高了太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的適應(yīng)能力，最大限度地降低了系統(tǒng)成本與系統(tǒng)能源消耗，簡(jiǎn)化了操作和控制過程，良好地解決了我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)在發(fā)展太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)過程中遇到的諸多問題，成為現(xiàn)階段實(shí)用且具有普及價(jià)值的農(nóng)村戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。

1 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)

1.1 要求和標(biāo)準(zhǔn)

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上就是消費(fèi)者的要求和標(biāo)準(zhǔn)，最基本的要求即為系統(tǒng)的成本與實(shí)用性。一套好的實(shí)用的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)不僅需要具有優(yōu)益的性能，還需要與消費(fèi)者的生活習(xí)性、經(jīng)濟(jì)水平相適應(yīng)。此外，在我國(guó)現(xiàn)階段的農(nóng)村人口當(dāng)中，中老年人口占有相當(dāng)大的比例，且其中大部分人的文化水平相對(duì)較低，學(xué)習(xí)能力和操作能力差，基于此，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)應(yīng)具有簡(jiǎn)單的操作控制方式。這些標(biāo)準(zhǔn)和特征是戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)發(fā)展普及的基礎(chǔ)，是必須具備的條件。

1.2 北方農(nóng)村地區(qū)發(fā)展太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的要點(diǎn)

從地理位置來看，我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)所處緯度較高，一年四季冷暖分明。夏季陽(yáng)光充足，天氣炎熱；冬季氣候寒冷，日照強(qiáng)度低且時(shí)間短，這給太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在該地區(qū)的發(fā)展和推廣造成了諸多難題。例如，為解決系統(tǒng)的冬季防寒問題增加設(shè)備和配件，會(huì)導(dǎo)致成本和能耗的增加，同時(shí)還會(huì)給使用者帶來操作控制方面的復(fù)雜性和不便利性。

實(shí)際上，開發(fā)實(shí)用的農(nóng)村戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)所面臨的根本問題在于系統(tǒng)的防凍和熱效能問題。具有較高熱效能的系統(tǒng)可以保證冬季有限的太陽(yáng)光得到充分、有效地利用，減少輔助能源的消耗；系統(tǒng)的防凍問題則更為重要，其直接決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、成本與運(yùn)行方式，是制約北方農(nóng)村地區(qū)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)普及與發(fā)展的重要因素。

2 太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要由實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器、高效節(jié)能型水暖炕(床)、水空調(diào)、電暖兩用型熱水器、輔助能源設(shè)備、控制系統(tǒng)6部分組成。

2.1.1 實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著采集太陽(yáng)熱能的任務(wù)。在太陽(yáng)能資源匱乏的冬季，太陽(yáng)能集熱器的熱采集率、水容量、保溫性能、防凍性能等因素會(huì)直接影響采暖系統(tǒng)性能的好壞和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。尤其是集熱器的冬季防凍性能更為重要，其直接關(guān)系到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、成本、能耗和熱效能等。在太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)中，結(jié)合北方農(nóng)村地區(qū)冬季氣候特點(diǎn)，采用綜合性能較優(yōu)異的實(shí)用新型真空管太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能熱采集設(shè)備；由于其內(nèi)部容水量較大，還可兼作系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)設(shè)備。

實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器采用了一種常規(guī)物理設(shè)計(jì)方案，其在現(xiàn)有的太陽(yáng)能集熱器水箱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了進(jìn)水口和出水口，并增加了一個(gè)新的專用部件。這一實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器通過一定的連接方式與室內(nèi)采暖系統(tǒng)相連接，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的自動(dòng)防凍功能。該技術(shù)已向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交了發(fā)明專利申請(qǐng)。

2.1.2 高效節(jié)能型水暖炕(床)

受地理位置和氣候的影響，火炕對(duì)于我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)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(guó)北方農(nóng)村地區(qū)家庭一年中耗能最大的采暖設(shè)施。目前，北方農(nóng)村地區(qū)家庭中的火炕基本都是通過燒柴的方式來獲取熱能。

太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)中的高效節(jié)能型水暖炕(床)是一款舒適、高效、節(jié)能型的生活采暖設(shè)施，同傳統(tǒng)火炕一樣，其除具有獨(dú)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(diǎn)；并且其徹底改變了火炕熱能的給予方式，結(jié)束了長(zhǎng)年因燒柴和維護(hù)火炕所帶來的繁瑣勞動(dòng)；由此可拆除灶臺(tái)大鍋，使廚房不再臟亂，人們的生活環(huán)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(nóng)村地區(qū)人們?cè)谏钯|(zhì)量和生活方式上的一個(gè)標(biāo)志性轉(zhuǎn)變。

2.1.3 水空調(diào)

水空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保、價(jià)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(dān)著家庭生活中全年的廚房和浴室的熱水供應(yīng)。其熱能來源可完全由太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)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(tǒng)為熱水器加熱的方式優(yōu)于電加熱方式，一年可節(jié)省大量電能；同時(shí)，這種加熱方式還可以減少熱水器內(nèi)部水垢的產(chǎn)生，延長(zhǎng)熱水器的使用壽命。

2.1.5 輔助能源設(shè)備

輔助能源設(shè)備是現(xiàn)階段太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中必不可缺的能源供給設(shè)備，其是在太陽(yáng)熱能供給不足的情況下，用以補(bǔ)充系統(tǒng)所需熱能。在當(dāng)前采暖領(lǐng)域中，輔助能源設(shè)備有電鍋爐、燃?xì)忮仩t、生物燃料鍋爐、柴煤鍋爐等多種設(shè)備可供選擇。在設(shè)計(jì)采暖系統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合國(guó)家相關(guān)政策，并結(jié)合不同地區(qū)、不同家庭的實(shí)際情況，選擇合適的輔助能源設(shè)備。

2.1.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的核心之一，其采用的控制方式及控制的復(fù)雜性與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互制約、相互影響。控制系統(tǒng)開發(fā)周期較長(zhǎng)，要根據(jù)一年四季的氣候特點(diǎn)，結(jié)合人們?cè)诓煌竟?jié)的生活習(xí)性和生活方式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，并在測(cè)試中不斷優(yōu)化和改進(jìn)，最終形成性能優(yōu)異、穩(wěn)定，且實(shí)用價(jià)值高的控制系統(tǒng)。

太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)是一種精簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在操作控制方面采用“自動(dòng)運(yùn)行+手動(dòng)干預(yù)”的設(shè)計(jì)方案，通過控制器對(duì)太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部水溫進(jìn)行全年實(shí)時(shí)監(jiān)控。在寒冷的冬季，太陽(yáng)能采集量是有限的，合理的控制方式可以充分利用太陽(yáng)能集熱器采集到的有限熱能，降低輔助能源消耗，提高系統(tǒng)的熱效能。

2.1.7 其他室內(nèi)采暖設(shè)備的選擇

在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中，室內(nèi)采暖設(shè)備的選擇可直接影響整個(gè)采暖系統(tǒng)的性能和采暖效果。要結(jié)合實(shí)際情況和實(shí)際需求，合理選用高效節(jié)能型設(shè)備，這樣可以充分減少能源消耗，提高系統(tǒng)整體的熱效能。

2.2 系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)中未設(shè)置獨(dú)立的儲(chǔ)熱設(shè)備，集熱器內(nèi)部也未設(shè)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(tǒng)整體采用一種簡(jiǎn)單而有效的低成本設(shè)計(jì)，高效、節(jié)能、低成本和操控簡(jiǎn)單是該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。

在太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器與室內(nèi)采暖設(shè)備之間的熱交換采用簡(jiǎn)單而有效的直接熱交換方式，可大幅提高系統(tǒng)的熱效能。當(dāng)控制器檢測(cè)到集熱器內(nèi)部水溫接近沸點(diǎn)時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)太陽(yáng)能增壓循環(huán)水泵，把室內(nèi)采暖系統(tǒng)內(nèi)的低溫水經(jīng)上水管導(dǎo)入至集熱器水箱底部，同時(shí)集熱器水箱上面溫度較高的水便會(huì)經(jīng)上部出水口流出，經(jīng)回水管流入室內(nèi)采暖系統(tǒng)，并根據(jù)需要將熱水直接導(dǎo)入室內(nèi)相關(guān)采暖設(shè)施，完成相應(yīng)的熱交換。當(dāng)集熱器內(nèi)部水溫降至設(shè)定的停止溫度時(shí)，增壓循環(huán)水泵停止工作，此時(shí)集熱器上、下水管內(nèi)的水會(huì)在重力作用下自動(dòng)排空，完成上、下水管的防凍過程。由于太陽(yáng)能集熱器與室內(nèi)采暖系統(tǒng)的熱交換是雙向的，可根據(jù)實(shí)際需要降低或升高集熱器內(nèi)部水溫，以達(dá)到防止集熱器高溫或防凍的目的。

3 實(shí)際案例測(cè)試

3.1 測(cè)試說明

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)，選擇沈陽(yáng)市法庫(kù)縣農(nóng)村地區(qū)一座典型的3間老式建筑進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

測(cè)試時(shí)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(chǎn)生活、工業(yè)用水、動(dòng)物植物所需都離不開地下水。隨著時(shí)間的推移，水資源也在逐漸減少中，同時(shí)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(hù)以及污染治理是我們必須要重視的。

3.1.1 原有的傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的基本配置

原有的傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的基本配置包括：傳統(tǒng)火炕2鋪，總面積為14 m2；1.5 匹水空調(diào)2臺(tái)；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(tái)；100 W循環(huán)水泵2臺(tái)；溫控器2個(gè)。

3.1.2 將傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)改為太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)所需投入的資金

1)新增設(shè)備：新增實(shí)用新型真空管太陽(yáng)能集熱器2組，總面積為13 m2，內(nèi)部總?cè)菟考s為200 L；160 W增壓水泵2臺(tái)；中央控制器1臺(tái)；80 L電暖兩用型熱水器1臺(tái)。

2)需改造的設(shè)備：傳統(tǒng)火炕改為水暖炕，仍是2鋪，總面積為14 m2。

經(jīng)核算，以上新增及改造設(shè)備的資金投入總額約為5000元。

3.2 實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器及其上、下水管冬季防凍性能測(cè)試

1)測(cè)試時(shí)間：2017年12月～2018年3月。

2)測(cè)試地點(diǎn)：遼寧省沈陽(yáng)市法庫(kù)縣登仕堡鎮(zhèn)達(dá)連屯村。

3)系統(tǒng)的設(shè)備及材料配置：采用實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器；集熱器的上、下水管采用普通PPR熱熔管；內(nèi)部介質(zhì)為普通生活用水。

4)安裝配置：集熱器水箱內(nèi)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(cè)試結(jié)果：測(cè)試期間太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)供熱正常：內(nèi)部介質(zhì)無凍結(jié)；集熱器的上、下水管無凍結(jié)。

3.3 2種采暖方式的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1為全年分別應(yīng)用傳統(tǒng)采暖和太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)這1種采暖方式的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

表1 2種采暖方式的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從表1可以看出：

1)從太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)全年運(yùn)行測(cè)試結(jié)果來看，可以把全年的供暖過程分成2個(gè)階段。第1階段是從每年的2月16日～11月30日，這個(gè)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(yáng)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(gè)階段的供熱、供暖需要由“太陽(yáng)能集熱器+輔助能源”共同完成。實(shí)際上，這個(gè)“非零排放期”并不是絕對(duì)的，在某種情況下可以轉(zhuǎn)為“零排放期”，這主要取決于系統(tǒng)采用何種輔助能源設(shè)備。

2)從對(duì)比來看，太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)采暖方式可節(jié)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(yīng)。

3)火炕改成水暖炕，溫度更加均勻舒適，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)太陽(yáng)能供暖模式，并且結(jié)束了由傳統(tǒng)采暖方式所帶來的繁瑣勞動(dòng)和設(shè)施維護(hù)過程，改變了人們傳統(tǒng)的生活方式，提高了生活質(zhì)量，同時(shí)在一定程度上解放了生產(chǎn)力。

4)太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)解決了常規(guī)生活采暖方式不能與當(dāng)今農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程相適應(yīng)的問題。北方農(nóng)村大部分地區(qū)都是以種植玉米為主，由于受傳統(tǒng)生活、家庭經(jīng)濟(jì)狀況等因素的影響，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的今天，玉米秸稈仍然是絕大多數(shù)農(nóng)村家庭全年生活采暖的主要燃料。然而，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，秋季玉米的收獲方式基本是以機(jī)械化收割為主，但這會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈被粉碎；此外，鄉(xiāng)村養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，加大了對(duì)秸稈飼料的需求。這些因素導(dǎo)致很多家庭在生活采暖燃料的儲(chǔ)備上出現(xiàn)了困難。太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用改變了人們的生活采暖方式，結(jié)束了燃燒秸稈的歷史，解決了這一矛盾問題，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)更好、更快地發(fā)展。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能1號(hào)系統(tǒng)是一套具有較高性價(jià)比的北方農(nóng)村地區(qū)戶用型太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實(shí)用新型太陽(yáng)能集熱器為核心技術(shù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和控制過程，降低了系統(tǒng)成本和能源消耗，并提高了系統(tǒng)熱效能。它的成功應(yīng)用標(biāo)志著在發(fā)展普及北方農(nóng)村地區(qū)戶用型太陽(yáng)能采暖技術(shù)、改善并提高北方農(nóng)村家庭生活質(zhì)量、推動(dòng)北方農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)、實(shí)現(xiàn)北方農(nóng)村無煙化的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)的道路上邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。