李穆然：“36平米”背后的太阳能梦

石宁钰

李穆然的太阳能利用方案原理简明，操作方便，创意巧妙，经济高效，是节能减碳应对全球气候变化的利器，关键是要推广到寻常百姓家。

对李穆然最深的印象，是在一个雨天，他带我们爬到了天台。在六组六平米的集热器前，李穆然像介绍自己的宝贝一样，不厌其烦地一遍遍讲着它的原理。这小小的36平米，却凝聚了李穆然的无数心血。

冬天不用供暖，夏天不用空调，室内空气却常年保持恒温，就是靠这36平米的集热器。这座被动式超低能耗建筑的节能环保给到会的每一个人都留下了极为深刻的印象。

普及太阳能技术，实现纯太阳能供暖，让环保、低耗能、低成本的太阳能走进老百姓的家里，这一直是李穆然毕生的梦想。

太阳能供暖的春天

今年数九寒冬的取暖季里，京郊许多村庄已不见了煤烟煤灰。

“今年400个村不再烧煤取暖”这一政策令李穆然欣喜，今后在这400个村庄内，将再也看不到燃煤黑烟扶摇直上的景象。对天然气和电力将成为采暖主力能源，众多深受雾霾之害的市民举双手赞成。

400个村庄15万户经过“煤改清洁能源”工程，将告别烧煤取暖，预计减少45万吨煤燃烧。按北京市计划，到2020年平原地区村庄将全部用上清洁能源。

但李穆然却在思考：既然作为清洁能源替代的一场战役，怎么没看到最清洁的能源太阳能的身影？电力和天然气虽然比煤清洁，但毕竟仍属于化石能源，会越用越少。而太阳能不仅绝对清洁，且永不枯竭长期无偿供给，尤以平房为主，在家家具备充分采光条件的平原地带，用起来更是得天独厚。

“现在未被考虑，肯定不是决策者一时疏忽，而是经过市场调查的一个决断。”李穆然公平地分析，历年来北京市对太阳能采暖在农村的应用尝试，财政支持力度并不低，绝对稳居各省市之首，理论探讨和实际工程案例都不缺乏。可能实在是看多了太阳能采暖案例在前期投入、供暖效果方面乏善可陈，为免遭农户诟病，才未被列入。

机会总是垂青于有准备的人。2015年，就在北京昌平，一个纯太阳能采暖工程的落地与运行，以独具一格的采光造型，难以置信的集热能力，彻底改变了人们对太阳能采暖投入大效果差的负面评价，获各界亲历现场人士好评，让太阳能供暖不再是“鸡肋”。

首座被动式低能耗房屋

北京市首座被动式低能耗建筑体验中心，落户昌平区小汤山镇讲礼村。

7月的一个上午，我和卫社长驱车前往昌平区小汤山镇讲礼村的体验中心房屋。该中心室内空气新鲜、温度宜人。令人称奇的是，体验中心屋内并未安装任何传统的采暖或制冷装置，但室内温度却能长年保持在19～26摄氏度之间，当然具有良好的保温性和隔热性，这也是被动式房屋最基本的要求。

绿建宝CEO宋心卫介绍，该被动房建设项目2000平方米，内设展厅、会议厅、客房和声光电配套设施，是北京市首座利用工业厂房改建的被动式超低能耗建筑。作为样板工程，项目建设发起到目前即将峻工，吸引了国内外相关机构、企业的密切关注。今后，将通过组织各种活动，让更多的人直接体验和感受到被动式建筑的实际效果。

冬天已经到了，春天还会远吗？

由于被动式建筑的节能、舒适、环保和“体验中心”的示范，围绕节能减排，住建部等相关机构的行业会议、培训和推广活动将陆续在这里举行；已有50多座高档别墅和一批被动式超低能耗建筑项目委托绿建宝组织实施……

“向雾霾宣战！为美丽的中国梦做出贡献！”——在北京首座被动式超低能耗建筑建设过程中，曾有不少关心、参与建设的专家及企事业单位以“众筹共建”的实际行动，在这里为遏制全球气候变暖、改善人居环境做贡献。

太阳能“做”到的事

被动房建设项目由会议厅、会议室、展厅三部分组成，分别安排了纯太阳能、纯空气源热泵和太阳能+热泵三种供暖方案。三种供暖模式的同场pk在昌平讲礼被动房项目上演，基本同时进场，同时投入运行。

至当月29日开会时，分别达到的温度值为24.5度、15度和21度。由于适逢强寒流来袭。所以另两个带热泵的系统，4台3kw输入功率的热泵从未见有半刻停息。而纯太阳能项目则只有两只600瓦小循环泵，每天运转4小时左右。哪个更节能已无悬念，显然是纯太阳能最低。

纯太阳能供暖的会议厅，面积415平米，内高5.2米。屋顶布设了58×1800×50全玻璃真空管集热方阵6组。轮廓面积36平米，反光镜40平米。镜面和地面夹角20°，集热面和镜面夹角90°。今年1月15日安装完毕，经调试和局部改动，20日开始运行，整个系统除去两台600w水泵以外，没有配置其他耗能装置，也未设辅助能源。晴好天气系统日耗电约1kwh，阴雨雪天耗电为零。从1月中旬到采暖期结束，两个多月，虽然只是半个采暖周期，但1月28日到31日的世纪寒流却一天都没有躲开，29日，住建部一个行业协会300人年会在会议厅召开，现场温度显示为24.6℃，室外-15℃。

那一刻，当被告知会议厅的供暖热源百分百是由太阳能提供时，与会人员无不啧啧称奇。此后，由于雾霾降雪天气断续来袭，给不设常规能源的会议厅供暖带来严酷的考验。

李穆然欣喜地发现，即便这样，会议厅的温度记录也从未低过18℃。说明采用了新的承晒集热方式，用36平米集热器就可以满足415平米建筑的全冬室温18℃以上采暖需求。而这个比例和现有太阳能供暖方案动辄100：30的集热器比例相比，连三分之一都不到，说明此方案在提高室温方面，仍有极大余地。绿建宝基地本身就地处农村，环境条件和农舍无差别。太阳能在这里能做到的事，没有理由说放到普通农舍会行不通，应该说效果会更好。

而李穆然便是负责这一项目的技术总监，他还有另一职务“北京市新能源与可再生能源协会太阳能专委会顾问”。他始终坚信，使用太阳能热水器就等于节约了电能和燃气等宝贵能源，同时相应地减少了温室气体的排放。

高效率背后的奥秘

“基地会议厅太阳能系统效率之所以高，道理其实很简单。”李穆然说，奥秘就在于真空管集热器摆放上和其他采暖系统都不同：别人的太阳能采暖系统设计，为了在冬季能多得些热，是靠拼面积。尽量把屋顶摆放得满满的，中国的房屋又多为平顶或缓坡屋顶。集热器平铺其上，和冬季太阳投射光线形成很大交角。横排式的真空管依次阻挡了下一根真空管的太阳光照。尽管面积不小，但得热量却很低。

李穆然的系统反其道而行之。为了让每一根集热管都最大限度获取太阳光照。特别设计了一种在别人看来匪夷所思的安装方式，趴着装方式：让集热器采热面立起来并向太阳来光方向前倾，故意使其和冬季的太阳投射形成夹角。表面看起来这会降低集热器采光量。其实不然，这个角度是经过计算的，对横排管式太阳能集热器来说，总得光量并不是只有垂直照射时才达最大。由于管间距的存在。即使有所偏斜，只要不形成阻挡，每根管都可得到充分的照射，集热器总得光量是不变的。且这个偏斜度容许值达到45度之多，它恰好为我们在其下方安装一面反射镜创造了条件。

“而太阳能借助镜面增光，至少有上千年历史了。直至现代也还在广泛应用。我们当然不能错过。”李穆然说，增加一面和集热面积等同的平镜，无论是理论计算还是幅照仪实测，都证明可以使集热器得到的光照接近翻番。和其他太阳能采暖工程摆放方式相比效率大幅度提高，自然就毫不奇怪了。

还有一点值得欣慰的是，李穆然他们的设计初衷只是希望能够提高集热效率就很满足了，并没有敢想要去解决集热器夏季过热的难题。盛夏来临，大面积集热器由于热量无处倾泻，开锅、爆管给多少工程商带来无数处理烦恼和经济损失。现在随着我们这种集热方式的推出，过热已意外地成为历史记忆了。因为，它可以自动地让集热器在盛夏减少甚至消除产热量。

当然，如果需要系统担当全年生活热水供给，也很容易。只要稍微调整一下布放角度就可以了。系统当然还有其他一些防冻，防漏，防溢，防污染等技术对策。

全太阳能采暖的炼成

全太阳能采暖意味着建筑仅仅依靠太阳的辐射能，无需借助任何其它类型制热能源即可解决整个采暖季的采暖需求。听起来有些离谱，毕竟任何地区都不可能整整一冬天都天气晴朗。阴、霾、雪天拿什么保持室内温度不会降低？

李穆然是这样解释的：“农业生产需要灌溉，但到了该浇水的时候，天不下雨怎么办，可能有两种选择，一是借水，二是等死。还有第三种办法，那就是利用蓄水。”缺水地区自建水窖，就是把平时雨水引入水窖储存起来，到需要时拿来救急。

李穆然认为，太阳能采暖也可以采用此法，水蓄能或其他蓄能方式都可以。无非是配备一个大容量的储水容器，做好保温。按李穆然的测算只要能存够10天用的，就完全可以满足全采暖季的要求了。因为三北地区冬天出现连续10天阴天的概率很低，大雪下完，跟着就是大风。扫掉集热器积雪，照样正常供热。“除去水箱蓄热，实际上房屋自身也有很强的蓄热功能。供暖系统和热水系统最大区别就是供暖有滞后效应。”李穆然举例说。

李穆然在基地会议厅做的纯太阳能采暖系统，并没有来得及装大型储热水箱，但由于太阳能的投入运行时间比会议厅启用提前了一个星期，到了正式开会时室温已从原来的15度逐步升到了25度。而后1个月内尽管没有任何常规能源介入，室温一直在18到22度之间变动。这期间既有下雪，也有雾霾天气现象发生。“证明了墙体等储热作用不可小觑。试想如若再有一只可储10天热量的水箱后备，全冬保持20度以上将是何等容易。”因此他得出这样结论：三北地区纯太阳能采暖是完全可以实现的，某种程度上供暖可靠性甚至比带辅助能源的系统更高。

反观太阳能系统，天气极冷一定是寒流大风所赐。意味着天气晴好，太阳幅照度大增。以真空管为采热元件的集热器，得热量不降反增，越北越甚。所以说，纯太阳能采暖，将在采暖工程中大展身手，是可以预期的。

成功改造太阳能热水器

早在1981年单位分房时，李穆然就自己动手，在自家楼顶上装了一台太阳能热水器，“我自己就很喜欢研究太阳能，所以坚持到现在。”李穆然说。

那时候的李穆然学的专业虽是地质，却跨行业思考，珍惜每一次的失败，走到今天。专注太阳能研究几十年，并为这个行业独辟蹊径，做出了自己的贡献。

“集中集热集中供热系统——北京顺义望泉寺公租房项目，得益于华源新第太阳能热水改造项目的成功案例，我说服了北京顺义望泉寺公租房开发单位，承接了共计22栋公租房太阳能工程项目。”李穆然说。

华源新第小区是上世纪90年代北京比较高档的小区，在售楼时三栋楼便打出了24小时供应热水的口号，并与业主签订了13.7元/吨热水的合同。但2003年之后北京市不允许使用燃煤供应热水，小区改用电供热水，成本急剧增加，造成物业公司持续亏损。在此背景下，华源新第物业开始寻求解决方案，对项目进行改造，找来了北京多家太阳能企业，都不理想。

无奈之下，华源新第物业方通过熟人找到了李穆然。当时李穆然及所在的科技公司接受了这个改造工程。投资了20多万元、耗时两个多月，在现有高层建筑楼顶上安装了600平方米的太阳能热水器。每栋楼安装平板太阳能集热器224平方米，利用了楼顶原有的20吨供热水箱，系统可保证24小时供热水，春夏秋3季水温设定为40摄氏度，冬季水温为42摄氏度。通过安装太阳能热水器，目前物业公司供热水的成本降到了10元/吨以下。

对于李穆然的系统改造，华源新第物业负责人非常满意。“我们现在对业主只收14元/吨的热水费，不仅不会赔钱，这三个集中式太阳能热水系统还能免费供应我们60多个工作人员的洗浴和生活热水需求。”

力求纯太阳能供暖

李穆然认为，欲从根本解决乡镇散煤供暖难题，有3种可选方案：一种是空气能热泵，一种是“空气能+太阳能” ，另一种是“太阳能+储能”。第一种，省钱但不节能；第二种，节能但不省钱（投双份资）；第三种，既节能又省钱。您选哪项？

就跨季节采暖问题，李穆然曾请教过一些院士和教授，大家都劝他放弃：“没有资金，除了大量的设备，就是赔钱。”而李穆然对太阳能采暖储能的看法是：只要选择的集热器质量和数量能够在当地最寒冷的日子里，在晴天条件下，能够产生出足够目标建筑当天正常供暖的热量。

也就是说，遇到阴、雪、霾天气你用储存热量顶上。其他时间自给自足就可以了。而这点热量对于太阳能方阵来说，只要预设一个所谓跨季储热水箱体积的十分之一就完全够用。方阵在进入采暖季以前的一两个月内也足以把箱温升到很理想的温度。这样一来。整个冬季可以做到百分百太阳能供暖。还要什么油、煤、气炉做补充？被动房建设项目在最冷这一时段的运行结果就是证明。

李穆然坚信，纯太阳能供暖的实现真的没有什么难度。

“其实可以采取跨季储能。”李穆然建议，对于独立宅院（如农舍）承建伊始可在宅基下方预留储热池空间。边、底敷防水层，中间充以碎石细砂并灌满清水。设外循环水泵，以便从外设太阳能集热器获取热能。每年9、10月份即启动温差循环功能，只要采热面积和储能空间足够大，则到采暖季开始时，定能储存到相当基础热量。从而避免了当前所流行的事到临头才抱佛脚式的采热方式所必然出现的种种弊端。储热池不占用任何可用地面和空间，可以成为房屋基础结构的组成部分，充以碎石细沙既可有效节约清水用量，又不妨碍热量的吸储与输出。

相比于短期太阳能采暖，其优势十分明显。可节约集热器面积；不会因寒流造成室内温度骤降；可以通过在隔墙内敷设散热水管的方式，让墙体成为散热器。既增加有效使用空间，又提高舒适度；可以做到整个采暖期完全不需要备用能源，实现百分百无碳过冬。

另辟蹊径孜孜不倦

当然，以上优势的实现，必须以被动房的其它要素，诸如外保温、新风装置等相配合才有可能。李穆然曾和清华大学江亿院士做了整整两个小时的交谈，详细介绍了公司正在北京顺义做的大型公租房太阳能热水系统的各种设计思路和进展情况。

当得知该项目的22栋楼居然都采用了集中集热集中储热分户计量的系统方案时，江亿问：“楼有多少层？”“15层。”江亿又问，住建部都规定12层以下才能安装集中式热水系统，那可指的是普通商品房，户均面积少说也百平以上，这个项目户均面积只有40几平，又是一梯六户，楼顶哪来的那么大平台安装足够的太阳能集热器？“我们有一项全世界独一无二的技术叫做太阳能无动力双轴跟踪，可以在一不扩大占地二不增加集热面积的前提下，让每一块集热板一年产出近两年的热水量。楼顶平台不仅装得下足够的集热板面，还很充裕”李穆然说。

接着，李穆然把这种无动力双轴跟踪技术的原理和现场照片向教授做了展示。还把随身带去的实验模型，做了演示，获得了教授的连声称赞，表示这个创新，既简单易行又效果卓著，还成本低廉，很有推广价值。此后又介绍了系统的其他创新点，如单箱恒温控制，立管入户，呼叫供水等等。

李穆然多年从事太阳能光热利用领域的研究，在他的带领下，加快了太阳能热水系统开发、设计步伐，致力于太阳能热水工程难题攻关，取得了重大突破。解决了“防冻抗冻、系统全自动运行、24小时保证热水、与建筑完美结合”四大技术难题，并孜孜不倦，在这条路上完成新的研究和使命。

当下，农村采暖煤改电很火，并且基本上是空气源的天下。而空气能不仅需要大量政府投资，运行后也离不开高额财政补贴。不少人担心，今天的空气源迟早会落到当年户户一个沼气池的命运。“煤改电只有改太阳能才是唯一出路。”李穆然坚信，因为它不仅比热泵投资少，重要的是它的运行能耗，连热泵的十分之一都不到。“不把太阳能摆在第一位，天理不容。”李穆然坚定地说。

李穆然另辟蹊径和孜孜不倦的精神得到了清华大学建筑学院教授栗德祥高度评价：“李穆然的太阳能利用方案原理简明，操作方便，创意巧妙，经济高效，是节能减碳应对全球气候变化的利器，关键是要推广到寻常百姓家。”