應(yīng)用于山東省農(nóng)村地區(qū)的太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)淺析

翟華維，劉紹忠

(德州市建筑規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，德州 253000)

0 引言

山東省農(nóng)村地區(qū)的現(xiàn)有房屋大多數(shù)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(shù)大、窗墻面積比大、建筑能耗高。所以，筆者認為對農(nóng)村房屋進行采暖改造的前提是先對其進行節(jié)能改造。

目前，山東省農(nóng)村地區(qū)的室內(nèi)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(tǒng)采暖方式不僅導(dǎo)致室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)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(qū)進入采暖季就會出現(xiàn)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(zhì)量，我國北方各地針對農(nóng)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(dǎo)，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(nóng)村配電網(wǎng)的升級改造，“煤改氣”項目必須在農(nóng)村鋪設(shè)燃氣管網(wǎng)；而改造配電網(wǎng)和鋪設(shè)燃氣管網(wǎng)的造價高、施工周期長，并且我國農(nóng)村地區(qū)的居住區(qū)較為分散，為改造配電網(wǎng)或鋪設(shè)燃氣管網(wǎng)增加了難度。而且即使“煤改電”或“煤改氣”項目改造完成，多數(shù)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(zhì)能采暖都屬于新型采暖方式。山東省農(nóng)村地區(qū)屬于Ⅲ類太陽能資源區(qū)，年太陽輻射量均在3780 MJ/m2以上；同時，該地區(qū)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(nóng)村地區(qū)利用太陽能資源提供了有利條件。與此同時，山東省農(nóng)村地區(qū)擁有豐富的植物秸稈資源，近年來以植物秸稈為基礎(chǔ)迅速發(fā)展起來的生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)燃燒爐制造技術(shù)為該地區(qū)利用生物質(zhì)能采暖提供了技術(shù)和產(chǎn)品支撐。本文介紹了在濟南農(nóng)村地區(qū)建造的采用太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的建筑模型[2]，并對此聯(lián)合采暖系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性分析。

1 太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)是將太陽能集熱器和生物質(zhì)采暖爐相結(jié)合，從而可保證采暖系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、水泵、儲熱水箱、地板輻射散熱系統(tǒng)、生物質(zhì)采暖爐及控制系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)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(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備[4]，根據(jù)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(fā)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(jié)合等優(yōu)點，近年來也得到了快速發(fā)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)選用平板型太陽能集熱器。

1.2 生物質(zhì)采暖爐

生物質(zhì)采暖爐是指以秸稈、薪柴等農(nóng)村廢棄物顆粒為燃料的采暖鍋爐[5]。在農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)采暖爐所使用燃料的來源廣泛、成本低。目前我國生物質(zhì)采暖爐的發(fā)展速度非常快，市場上已形成系列化產(chǎn)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(zhì)采暖爐的價格已降至約4500元，并已有幾十個生物質(zhì)能采暖示范工程。山東省農(nóng)村地區(qū)豐富的秸稈資源可為生物質(zhì)采暖爐的應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。

1.3 聯(lián)合采暖系統(tǒng)末端

太陽能集熱器屬于低溫熱源設(shè)備，其集熱效率與集熱器進口溫度有重要關(guān)系。根據(jù)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(shù)，W/(m2·℃)；c2為二次項熱損失系數(shù)，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(huán)境空氣溫度，℃。

相關(guān)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(tǒng)作為太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的末端，以達到系統(tǒng)的整體高效性。

2 建筑模型

以濟南農(nóng)村地區(qū)典型的單層建筑為例，該建筑的房屋圍護結(jié)構(gòu)采用節(jié)能材料，并采取了節(jié)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(cè)外窗的尺寸為1.5 m×1.8 m，北側(cè)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(cè)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(jié)能型產(chǎn)品，建筑材料及傳熱系數(shù)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(shù)信息Table 2 Information of building materials and heat transfer coefficient

根據(jù)建筑的圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)和濟南的氣候條件進行耗熱量計算，結(jié)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(jù)GB 50495-2019《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)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?shù)靥柲芗療崞鞑晒饷嫔?2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(guān)數(shù)據(jù)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(shè)備選型

根據(jù)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的短期蓄熱特性后，決定了主要設(shè)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(zhì)采暖爐、1臺500 L內(nèi)帶換熱盤管的承壓型儲熱水箱、2臺水泵、1套控制系統(tǒng)等。

3 經(jīng)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(tǒng)作為采暖末端，為必須安裝的裝置，因此，進行聯(lián)合采暖系統(tǒng)各項投資分析時，未對其進行統(tǒng)計，具體如表3所示。

表3 聯(lián)合采暖系統(tǒng)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(tǒng)時，太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的投資約為2.73萬元。

將太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)與電鍋爐、普通燃煤鍋爐及燃氣鍋爐等傳統(tǒng)采暖方式進行經(jīng)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(lián)合采暖系統(tǒng)的年采暖運行費用中。

表4 不同采暖方式的經(jīng)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)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(jié)省1254、473、645元，顯然該聯(lián)合采暖系統(tǒng)在這方面具有較強的經(jīng)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(diào)整太陽能保證率來增加系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

本文以濟南農(nóng)村地區(qū)某個典型單層建筑為例，對房屋節(jié)能改造后采用太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了分析，雖然該系統(tǒng)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(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)利用清潔的太陽能和農(nóng)村秸稈顆粒為能源，在減輕農(nóng)村冬季環(huán)境污染的同時增加了農(nóng)民農(nóng)作物秸稈的經(jīng)濟收入。雖然該聯(lián)合采暖系統(tǒng)具有上述優(yōu)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(zhì)顆粒燃燒技術(shù)還未形成完善的國家標準規(guī)范，農(nóng)民家庭仍難承受運行費用等。盡管如此，相信隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，上述問題都將一一得到解決。