应用于山东省农村地区的太阳能与生物质能联合采暖系统浅析

翟华维，刘绍忠

(德州市建筑规划勘察设计研究院，德州 253000)

0 引言

山东省农村地区的现有房屋大多数是单层建筑，通常外墙是厚度为240 mm或370 mm的砖墙，屋面也未做保温隔热措施，门、窗分别为单层木门和单层玻璃窗。此种建筑的体形系数大、窗墙面积比大、建筑能耗高。所以，笔者认为对农村房屋进行采暖改造的前提是先对其进行节能改造。

目前，山东省农村地区的室内采暖方式主要是燃烧原煤或蜂窝煤的采暖炉、燃烧秸秆或煤的火炕，以及以燃煤炉为热源的土暖气[1]；而且部分家庭将采暖与做饭合为一体。传统采暖方式不仅导致室内空气环境质量差，而且造成了室外大气污染，尤其近几年，每当我国北方采暖地区进入采暖季就会出现大范围雾霾天气，而造成雾霾天气的主要原因之一便是采暖煤燃烧排放的硫化物。

为治理冬季雾霾天气，改善空气质量，我国北方各地针对农村房屋采暖相继出台了“煤改电”“煤改气”的鼓励政策，通过鼓励政策的引导，相继完成了一大批“煤改电”“煤改气”项目。但这些项目同样也存在弊端，比如“煤改电”项目必须配合农村配电网的升级改造，“煤改气”项目必须在农村铺设燃气管网；而改造配电网和铺设燃气管网的造价高、施工周期长，并且我国农村地区的居住区较为分散，为改造配电网或铺设燃气管网增加了难度。而且即使“煤改电”或“煤改气”项目改造完成，多数居民用户也无力承担较高的用电或用气费用。

相较于上述采暖方式，利用太阳能和生物质能采暖都属于新型采暖方式。山东省农村地区属于Ⅲ类太阳能资源区，年太阳辐射量均在3780 MJ/m2以上；同时，该地区的房屋多为单层建筑，建筑屋顶可为太阳能集热器的安装提供足够的空间，且不存在高层建筑遮挡阳光的情况，为山东省农村地区利用太阳能资源提供了有利条件。与此同时，山东省农村地区拥有丰富的植物秸秆资源，近年来以植物秸秆为基础迅速发展起来的生物质燃料和生物质燃烧炉制造技术为该地区利用生物质能采暖提供了技术和产品支撑。本文介绍了在济南农村地区建造的采用太阳能与生物质能联合采暖系统的建筑模型[2]，并对此联合采暖系统进行了经济性分析。

1 太阳能与生物质能联合采暖系统的构成

太阳能与生物质能联合采暖系统是将太阳能集热器和生物质采暖炉相结合，从而可保证采暖系统的供水水温，并将热水储存在储热水箱中，然后通过输配系统将热水供给采暖末端，对建筑物进行供暖[3]。本文介绍的太阳能与生物质能联合采暖系统主要由太阳能集热器、水泵、储热水箱、地板辐射散热系统、生物质采暖炉及控制系统构成，该系统的原理图如图1所示。

1.1 太阳能集热器

太阳能集热器是一种将吸收的太阳辐射能转换为热能的设备[4]，根据类型不同，其主要包括平板型和真空管型。在我国，真空管型太阳能集热器首先得到了快速发展，市场占有率曾一度超过90%；然而由于平板型太阳能集热器具有故障率低、易与建筑结合等优点，近年来也得到了快速发展。2种太阳能集热器的特点对比如表1所示。

图1 太阳能与生物质能联合采暖系统的原理图Fig. 1 Schematic diagram of solar and biomass energy combined heating system

表1 2种太阳能集热器的特点对比Table 1 Comparison of characteristics of two kinds of solar collectors

综合考虑上述2种太阳能集热器的特点后，本文的太阳能与生物质能联合采暖系统选用平板型太阳能集热器。

1.2 生物质采暖炉

生物质采暖炉是指以秸秆、薪柴等农村废弃物颗粒为燃料的采暖锅炉[5]。在农村地区，生物质采暖炉所使用燃料的来源广泛、成本低。目前我国生物质采暖炉的发展速度非常快，市场上已形成系列化产品，其燃烧效率已高达80%以上，且污染物排放少[6]。普通民用生物质采暖炉的价格已降至约4500元，并已有几十个生物质能采暖示范工程。山东省农村地区丰富的秸秆资源可为生物质采暖炉的应用提供良好基础。

1.3 联合采暖系统末端

太阳能集热器属于低温热源设备，其集热效率与集热器进口温度有重要关系。根据GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》，太阳能集热器集热效率ηcd可表示为：

式中，x为归一化温差，(m2·℃)/W；c0为光学性能效率值，无量纲；c1为线性热损失系数，W/(m2·℃)；c2为二次项热损失系数，W/(m2·℃)；G为太阳辐照度，W/m2。

其中，

式中，Ti为集热器进口温度，℃；Ta为环境空气温度，℃。

相关实验表明，当集热器进口温度从40℃升到50 ℃，再升到60 ℃时，集热器的集热效率分别为48%、41%、34%，则集热器进口温度每增加10℃，集热效率降低7%。因而在综合考虑集热器的集热效率特性曲线后，选择低温的地板辐射散热系统作为太阳能与生物质能联合采暖系统的末端，以达到系统的整体高效性。

2 建筑模型

以济南农村地区典型的单层建筑为例，该建筑的房屋围护结构采用节能材料，并采取了节能措施。

2.1 建筑介绍

该建筑为长15 m、宽7 m、高3 m的单层建筑，其南侧外窗的尺寸为1.5 m×1.8 m，北侧外窗的尺寸为1.2 m×0.6 m；中间外门的尺寸为1.5 m×2.1 m，两侧外门的尺寸为1.0 m×2.1 m。建筑平面图如图2所示。

该建筑外墙采取保温措施，外门、外窗选取节能型产品，建筑材料及传热系数信息如表2所示。

图2 建筑的平面图Fig. 2 Plan view of building

表2 建筑材料及传热系数信息Table 2 Information of building materials and heat transfer coefficient

根据建筑的围护结构性能参数和济南的气候条件进行耗热量计算，结果显示，该建筑的日采暖总耗热量为232.98 MJ。

2.2 太阳能集热器总面积的计算

根据GB 50495-2019《太阳能供热采暖工程技术规范》中的式(5.2.2-1)，计算太阳能集热器的总面积Ac，即：

式中，QH为建筑物耗热量，MJ；JT为济南当地太阳能集热器采光面上12月的日均太阳辐照量，MJ/(m2·d)，取 13.854 MJ/(m2·d)；f为太阳能保证率，本文取0.4；ηcd本文取0.41；ηL为储热水箱和管路的热损失率，本文取0.18。

将相关数据代入式(3)，可得到太阳能集热器的总面积为20 m2。

2.3 主要设备选型

根据建筑的日采暖总耗热量及太阳能集热器总面积，并综合考虑太阳能与生物质能联合采暖系统的短期蓄热特性后，决定了主要设备的选型为：10台尺寸为2 m×1 m的平板型太阳能集热器、1台15 kW的自动化生物质采暖炉、1台500 L内带换热盘管的承压型储热水箱、2台水泵、1套控制系统等。

3 经济性分析

对于本文中的建筑模型而言，无论采用何种采暖方式，地板辐射散热系统作为采暖末端，为必须安装的装置，因此，进行联合采暖系统各项投资分析时，未对其进行统计，具体如表3所示。

表3 联合采暖系统各项投资概况Table 3 Overview of various system investments of combined heating system

由表3可知，不含地板辐射散热系统时，太阳能与生物质能联合采暖系统的投资约为2.73万元。

将太阳能与生物质能联合采暖系统与电锅炉、普通燃煤锅炉及燃气锅炉等传统采暖方式进行经济性对比，如表4所示。由于太阳能集热器的运行费用很低，因此未将其计入联合采暖系统的年采暖运行费用中。

表4 不同采暖方式的经济性对比Table 4 Economic comparison of different heating methods

由表4可知，虽然太阳能与生物质能联合采暖系统的初投资较高，但其年综合运行费用低于电锅炉，稍高于燃气锅炉和普通燃煤锅炉。而且在春、夏、秋季的生活热水运行费用方面，采用太阳能与生物质能联合采暖系统与采用电锅炉、普通燃煤锅炉和燃气锅炉相比，每年可分别节省1254、473、645元，显然该联合采暖系统在这方面具有较强的经济性。但往往太阳能集热器面积较大时，其所吸收的太阳能热量又远大于春、夏、秋季生活热水的需热量，造成部分太阳能热量在此期间被浪费，因此可以适当调整太阳能保证率来增加系统的经济性。

4 结论

本文以济南农村地区某个典型单层建筑为例，对房屋节能改造后采用太阳能与生物质能联合采暖系统的经济性进行了分析，虽然该系统的初投资较高，但其全年综合运行费用低于电锅炉，稍高于燃气锅炉和普通燃煤锅炉。

太阳能与生物质能联合采暖系统利用清洁的太阳能和农村秸秆颗粒为能源，在减轻农村冬季环境污染的同时增加了农民农作物秸秆的经济收入。虽然该联合采暖系统具有上述优点，但其目前还存在一些问题，比如太阳能受天气影响大、生物质颗粒燃烧技术还未形成完善的国家标准规范，农民家庭仍难承受运行费用等。尽管如此，相信随着经济技术的发展，上述问题都将一一得到解决。