美丽乡村太阳能光热综合利用研究

王铭，安子樱，李子期，黄丽妍，张光伟，刘向华

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 概述

十六大五中全会首次提出美丽乡村概念，十八大要求进一步推进生态文明和美丽中国建设，并首次将生态文明建设写入党章，国家希望广大农村能充分分享改革红利，建设青山绿水的美丽乡村。

项目名称农村太阳能系统综合利用的技术分析，是在“建设美丽乡村”政策指导下，打造太阳能综合系统，在保护当地生态环境和人文环境的前提下建造农村绿色建筑群，并探究其技术经济可行性。在太阳能热基础上，使太阳能吸收式空调与太阳能驱动式热水器等家电综合为一个系统，打破常规电能供给模式，节省建筑能耗，并对系统进行经济技术分析，预测其可行性。

2 既有乡村建筑现状归纳

2.1 总体调研情况介绍

我国作为农业大国，农村人口数量占较大比例。为顺应我国新农村建设的号召，需要改善农村居民的住宅环境，加强改造农村建筑节能设施，降低能耗，结合当地实际情况合理设计冷热源方案，提高农村建筑的节能效果，从而达到经济性的目的。

2.2 调研内容介绍

2.2.1 夏热冬冷地区

夏热冬冷地区指累年日平均温度稳定≤5℃日数为60～89d，及累年日平均温度稳定≤5℃日数不足60d，但累年日平均温度稳定低于或等于8℃的日数≥75d的地区。

2.2.1.1 河南省信阳市邱湾村调研内容

①调研地区农村建筑特征

河南省信阳市属于夏热冬冷地区，需要取暖措施。本地农村建筑，采用平屋顶设计，大多为两层。墙体为240mm厚的实心红砖，墙体内外抹灰砂浆5mm。窗墙普遍比较大，窗户均朝向南方。样本中双层房屋建筑占地面积在150m2～250m2不等。

②调研地区用能情况分析

样本一炊事活动和生活热水用能为柴薪，夏季采用电风扇，冬季采用电取暖。样本二炊事活动用能为柴薪，生活热水采用太阳能热水器辅助电加热器。

③调研内容调研结果分析

a.此地区冬夏季采暖、制冷情况普遍不能满足人们的生活需求，冬夏季房间内的舒适性较差,急需新的更加有效的采暖、制冷方式。

b.由于人们生活采用的能源中，廉价的易获得柴薪占据的比例很大，大大降低了人们日常生活的能源费用支出，因此，想要取代柴薪面临很大难度。

2.2.1.2 山东省东营市六户镇调研内容

①调研地区农村建筑特征

东营市基本气候特征为冬寒夏热，夏季需要考虑防热，冬季需要供暖。东营市冬季为市政统一供暖，部分单体建筑选择中央空调系统。

调查样本A为三层连户建筑，建筑面积为242m2，围护结构为普通混凝土砌砖，采用外保温，保温层为苯板，屋顶为坡屋顶，贴瓦片保温。调查样本B为单元楼建筑，建筑面积为60m2，围护结构为普通混凝土砌砖，采用石棉作外保温。

②调研地区用能情况分析

样本A进行炊事活动多采用天然气，生活热水来自太阳能。夏季制冷主要采用中央空调，冬季采暖因房间面积较大而居住人数少，以电暖气为主。电及天然气为主要能源消耗。

样本B进行炊事活动只用市政天然气，生活用水使用电热水器加热。夏季制冷以单体式空调为主，冬季采暖以市政统一供暖为主。电及天然气为主要能源消耗。

③调研地区推广太阳能空调可行性分析

经过调查，东营地区由于市政设施较为完备，所以大部分人不愿花费较大的投资更换为太阳能空调系统。

2.2.2 夏热冬暖地区

夏热冬暖地区是指我国最冷月平均温度大于10℃，最热月平均温度满25～29℃，日平均温度≥25℃的天数为100～200d的地区。

2.2.2.1 广西省贵港市大岭乡调研内容

①调研地区农村建筑特征

由于该地区长夏无冬，温高湿重，夏季需要考虑防热通风防雨问题。对于乡村单体建筑，需要避免西晒，多设遮阳。调研样本A、B的围护结构为钢筋混凝土结构，墙体材料240mm厚的实心红砖，内外抹灰3mm。窗户多采用铝合金框玻璃窗。样本中建筑占地面积在100m2～200m2不等，为多层平顶住宅，朝向均为坐北朝南。

②调研地区用能情况分析

样本A、B中的屋主进行炊事活动多采用电及液化石油气。样本A夏季制冷和冬季供暖多采用分体式电空调，样本B夏季采用电风扇，冬季仅采用柴薪烤火。电费及液化气费用为主要的能源费用开销。

该地区多使用空气源热泵，作为生活热水的热源。由于夏热冬暖地区冬季气温高，适合空气源热泵的推广。

③调研地区推广太阳能空调可行性分析

该地区太阳高度角大，太阳辐射强烈，夏季时间长。尤其在广西太阳能资源丰富，从太阳能利用条件上是可行的。且农村单体式建筑空地面积较大，可安装太阳能空调。经过调研反馈，大多数人家对太阳能空调的理想成本价在2万元以下，约200元/m2（占地面积）。

2.2.3 严寒地区

严寒地区其主要指标为最冷月平均温度≤-10℃，辅助指标为日平均温度≤5℃的天数大于145天。其中甘肃为典型的西北严寒地区，属退耕还林区，资源匮乏，过度依赖生物质能。

2.2.3.1 甘肃省张掖市甘州区大满镇四号村调研内容

①调研地区农村建筑特征

张掖市地处祁连山及黑河流域腹地，地下水资源丰富，所以各住宅冬季供暖热源大多采用地下水水源热泵系统。

②调研地区用能情况分析调查情况

a.烧水做饭的能源消耗方式

由于农村电能已经很普及，大多用户在烧水做饭用电能。另有相当一部分住户使用薪柴和煤，平房居民冬季都用煤炉烧水做饭，夏天会使用电能，使用液化气的住户较少。

b.冬季采暖的能源消耗概况

住宅采用地源热泵采暖，室内采暖主要使用煤，烧炕采用柴草、秸秆等“无成本”生物质能。由此，电、煤和薪柴为当地的主要住宅能源。

③调查结论

该农村住户为多种能源并存的复杂能源使用结构，在较低生活水平条件下，住宅用能主要取决于当地资源的可获得量，而能源消费主要用于人的生存需要，家庭消费的能源中生物质能（秸杆、薪柴），一般不需要花费支出。

2.2.4 总体调研结论

①目前在调研的乡村中，有一部分已经开始使用太阳能作为热水和供暖的方式，农村居民对于太阳能的认识相对于其他的可再生能源了解的更多，推广的难度更低。

②政府颁布的一系列美丽乡村清洁能源补贴政策推动了太阳能在农村的普及，同时也可以帮助农村居民减轻购置太阳能设备的经济负担，从而减轻农村居民对于价格方面的忧虑。

3 典型建筑的冷热源系统设计

3.1 新建建筑系统设计

3.1.1 建筑概况

本工程为合肥市某新式农村住宅，该建筑位于安徽省合肥市，总占地面积约277.2m2/户，空调面积为142.62m2/户，地上共2层，总高度6.6m，每层层高为3.3m。

3.1.2 冷热源系统设计

3.1.2.1 系统1——太阳能供暖、制冷、热水一体化系统

该系统冬季热负荷由太阳能集热器承担，直接制取热水供给用户采暖，夏季由热水型溴化锂吸收式制冷机承担冷负荷，热水由太阳能集热器制取。制冷机制取7℃冷水送至末端。

图1 建筑立面图

图2 建筑平面图

其次，由空气源热泵作为备用冷热源，在太阳能无法满足需求时，满足用户的需求量。冬夏季所需生活热水由太阳能集热器承担，并且在冬季，用空气源热泵兼做生活热水的补充热源。而在夏季，根据实际考虑，太阳能集热器绝大部分条件下可以满足生活热水需求，故不需要其他热源做夏季生活热水补充。

冬季运行时，如图3所示，关闭阀2和阀3，使太阳能供水和用户回水不经过溴化锂制冷机；开启阀1和阀4，使太阳能供热水直接流向用户末端，末端回水直接流回太阳能集热器。在太阳能集热器供热不足时，电动阀1和电动阀2自动开启，由风冷热泵补充用户需热量。

夏季运行时，如图3所示，关闭阀1，开启阀2，使太阳能集热器热水流入溴化锂吸收式制冷机，换热后流回太阳能集热器。开启阀3，关闭阀4，使末端回水经溴化锂制冷机冷却至7℃。在系统制冷量不足时，电动阀1和电动阀2自动开启，由风冷热泵补充用户所需冷量。

图3 系统1系统平面图

3.1.2.2 系统2——太阳能供暖、热水一体化系统

冬季由太阳能集热器承担热负荷，直接制取热水供给用户采暖，夏季由空气源热泵承担冷负荷。夏冬季均由太阳能集热器供给生活热水。

其次，在太阳能无法满足需求时，由空气源热泵作为补充热源；并且在冬季，用空气源热泵兼做生活热水的补充热源。

冬季机房设备运行时，如图4所示，关闭阀1、阀2、阀3，打开阀4、阀5。夏季机房设备运行时，如图3-4 所示，关闭阀 3、阀 4、阀 5，打开阀 1、阀 2。

图4 系统2系统平面图

3.1.3 经济性分析

针对合肥地区情况，以电费单价0.56元/kW·h为标准，进行经济计算，如下表所示。

系统1和分体式空调比较 表1

系统2和分体式空调比较 表2

3.1.4 方案总结

根据表1和2可知，太阳能空调系统的初投资高，但是年运行费用较分体式空调低；且系统1投资回收期约13年，系统2约3年。但考虑到太阳能的环保效益，并结合调研报告可得，如果国家进行经济补贴，农村家庭对于系统2的可接受程度较高。但如若空地较小且政府补贴较少，或风冷热泵使用局限性大，考虑到设备的使用寿命和实际使用情况，可考虑夏季使用分体式空调，冬季使用太阳能系统。

3.2 既有建筑系统设计

3.2.1 建筑概况

该建筑位于安徽省合肥市，建筑总占地面积289m2，空调区域面积132.21m2，地上一层，房屋高度5.1m,房顶坡度22.5°，屋檐距地面高度3.3m。

图5 建筑平面图

图6 建筑剖面图

3.2.2 冷热源系统设计

3.2.2.1 系统3——太阳能供暖、制冷、热水一体化系统

图7 系统3原理图

夏季运行工况：

①太阳能充足时，阀 1、2、3、4 关闭，阀 5、6、7、8开启。太阳能集热器制取95℃的热水，经水箱换热后，温度降低到90℃，热水进入溴化锂机组。经溴化锂机组温降至80℃，后进入太阳能集热器后再加热。

溴化锂机组制取7℃的冷水进入房间换热，温升至12℃返回溴化吸收式制冷机再冷却。

其次，自来水在水箱中换热后，作为生活热水送入厨房和盥洗室。

②太阳能不足时，阀 3、4、5、6、8 开启，其余阀关闭。风冷热泵承担冷负荷。而太阳能集热器只承担生活热水负荷。

冬季运行工况：

①太阳能充足时，阀7关闭，其余阀开启。太阳能集热器制取95℃的热水，经水箱换热制取生活热水后，温度降低到90℃后送入室内采暖。

②太阳能不足时，阀 1、2、3、4、6、8 开启，其余阀关闭。风冷热泵制取热水，经水箱换热制取生活热水后，送入室内采暖。

3.2.2.2 系统4——太阳能供暖、热水一体化系统

图8 系统4原理图

系统4采用太阳能集热器承担全年采暖及生活热水负荷，风冷热泵承担冷负荷及冬季采暖、生活热水的辅助热源，夏季采用风冷热泵制取冷水，供给用户端风机盘管；冬季直接采用热管式真空管集热器制取最高95℃热水，通过蓄热水箱换热供给生活热水，同时降温后送入室内采暖。

3.2.3 经济性分析

针对合肥地区情况，以电费单价0.56元/kW·h为标准，进行经济计算，如下表所示。

系统3、系统4与分体式空调经济性分析 表3

3.2.4 总结

经过上述两种方案的经济性分析，系统3投资回收期约9年，系统4投资回收期约3年。

①系统3初投资较大，约为20万元，其在农村地区推广存在很大的经济阻力。另外，由于溴化锂吸收式制冷机运行过于复杂，在使用太阳能制取的热水驱动时，需要热水温度达到一定的水温才行，启动时间具有相当的滞后性，不适合在农村住宅这种需要即开即用的场合。因此不推荐使用这种系统。

②系统4初投资回收期约为3年，初投资金额小。另外，随着国家近些年来对太阳能技术应用的大力扶持和补贴，投资成本将会进一步降低。考虑到太阳能系统巨大的环保、节能优势，推荐在农村住宅中采用这种系统形式。

4 结论

①在有推广使用太阳能资源的天然条件的地区使用太阳能供暖、热水一体化系统（系统2、系统4）运行较可靠，弥补了太阳能间歇性、不稳定性方面的缺陷。

②近年小型溴化锂吸收式制冷机研发力度逐步加大，适合低负荷住宅（如乡村建筑）的配套使用，并有着良好的推广条件。但小机组的性价比较低，COP值也比较低，若采用独户供应，初投资较高。相反，采用集中式供应可节约设备占地面积、设备运行效率较高、并可使用较大型吸收式机组，但存在各户计费及运行平衡问题，后期调节工作繁杂。具体采用的供应形式应根据当地情况考虑。

③通过上文经济分析，发现设计方案初投资均较高，在农村地区均存在推广的经济阻力，但能耗及运行费用较低；而采用太阳能仅供暖+生活热水的方式（系统2、4），回收周期约为3年。另一方案回收周期为前者的3～4倍。因此对于夏季制冷需求不强的地区，推荐使用供暖加生活热水的方式。

④系统的节能减排效益显著。经估计，冬季太阳能空调节约的一次能源消耗量约为传统空调的40%，全年节约的一次能源消耗量约为传统空调的10.7%。太阳能空调在冬天供暖+生活热水的方式上显示强大生命力，表现了太阳能空调绿色、节能、环境友好的巨大优势，符合十八大进一步推进生态文明和美丽中国建设的要求。

⑤党和国家对美丽乡村建设的高度重视，为推进美丽乡村建设各地实行“太阳能+供暖”的政府补贴。国内部分地区已推出实行太阳能加热泵辅热供暖的全额初投资补贴及一个采暖季的运行补贴。极大解决了太阳能系统初投资高的问题，在国家政策的帮助下，太阳能综合利用系统将成为乡村建设的优选能源。