山东农村地区太阳能与生物质能联合供暖系统浅析

翟华维　刘绍忠

（德州市建筑规划勘察设计研究院，山东德州253016）

　　摘要：本文分析了山东农村地区的采暖现状和利用太阳能、生物质能的资源优势，对太阳能与生物质能联合供暖系统的组成做简要介绍，提出农村房屋需先进行围护结构节能改造后，采用太阳能与生物质能联合供暖系统，并以济南地区的农村房屋为模型建筑对太阳能与生物质能联合供暖系统进行了技术经济性分析。

　　1山东农村地区房屋及采暖现状

　　山东农村地区的现有房屋大部分为单层建筑，外墙为240mm或370mm厚砖墙，屋面没有保温隔热措施，门窗大部分为单层木门和单层玻璃窗。此种建筑体形系数大，窗墙面积比大，建筑能耗高，开展农村房屋采暖改造须先对房屋进行保温改造后再选取适宜的清洁采暖技术[1]。

　　目前，山东农村地区存在多种分散式供暖形式，主要有燃烧原煤或蜂窝煤的采暖炉、燃烧秸秆或煤的火炕、以燃煤炉为热源的土暖气，部分家庭的采暖与做饭为一个系统。传统采暖方式不仅导致室内空气环境质量差，而且造成室外大气污染。特别是近几年我国北方采暖地区每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就是采暖煤燃烧排放硫化物。为治理冬季雾霾天气，改善空气质量，同时我国北方各地针对农村房屋采暖，通过政策引导相继完成了一大批“煤改电”“煤改气”项目，但是“煤改电”供暖工程必须配合农村配电网升级改造，“煤改气”必须配合在农村铺设燃气管网，配电网和燃气管网的铺设造价高、施工周期长，同时我国农村地区居住区分散也为配电网或燃气管网的铺设增加了难度[2-5]。项目改造完成后，还会产生较高的用电或用气费用，增加农民负担。

　　2019年7月，国家能源局综合司发函对《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》征求意见，提出因地制宜拓展多种清洁供暖方式，宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热，在农村重点发展生物质能供暖。太阳能和生物质能采暖都是新型绿色采暖方式。

　　山东农村地区太阳能资源处在Ⅲ类丰富区，太阳能日辐照量均在3780MJ/㎡以上。山东农村地区房屋多为单层建筑，建筑屋顶为太阳能集热器的安装提供了足够空间，且屋顶无高层建筑遮挡阳光，为山东农村地区太阳能利用提供了有利条件。同时，山东农村拥有丰富的植物秸秆资源，近年来以植物秸秆资源化利用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，为农村生物质采暖提供了技术和产品支撑。

　　2太阳能与生物质能联合采暖系统

　　太阳能与生物质能联合采暖系统是指太阳能集热系统和生物质燃烧炉联合保证供暖系统供水水温。将热水储存在蓄热系统中，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。本文推荐采用的太阳能与生物质能联合供暖系统主要由太阳能集热器、水泵、储热水箱、末端地板采暖系统、生物质燃烧炉及控制系统构成，如图1所示。

　　2.1太阳能集热器

　　太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能并将其转换为热能的设备，是太阳能采暖系统的核心部件[6]。太阳能集热器按照材质主要分为两种：平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。我国真空管集热器发展迅速，市场占有率达90%以上。由于平板集热器具有故障率低、易与建筑相结合等优点，近年来也得到了快速发展。两种集热器优缺点对比见表1。

　　综合考虑两种集热器的特点及太阳能采暖系统“非采暖季热量过剩”，本文以平板型集热器作为太阳能采暖系统采用的集热器进行展开分析。

　　2.2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[7]。生物质采暖炉在农村使用燃料来源广泛、成本低，与直接燃烧秸秆相比，热效率高、污染物排放少。目前我国生物质颗粒燃烧炉发展很快，市场上已形成系列化产品，生物质颗粒燃烧炉燃烧效率已高达80%以上，普通民用生物质采暖炉的价格也降到了4500元左右，并已有几十个生物质采暖示范工程。山东农村地区秸秆资源丰富，为生物质采暖炉的应用提供了很好的基础。

　　2.3采暖末端

　　太阳能集热器属低温热源设备，太阳能集热系统集热效率与集热器进口温度有重要关系。集热器效率可以用式（1）表达。

　　相关试验表明，集热器进口温度为40℃、50℃、60℃时，对应的集热器效率分别为0.48、0.41、0.34，集热器进口温度每增加10℃，集热器效率降低7%。因而应针对其效率特性曲线进行供暖散热端的选择，以低温地板辐射散热系统作为太阳能采暖系统的末端，可达到系统的整体高效性。

　　3系统模型

　　本文设计一个农村房屋模型，房屋模型围护结构采取节能材料和节能技术措施，同时以济南地区为例进行太阳能与生物质能联合采暖系统的技术经济性分析。

　　3.1模型建筑

　　本文根据济南农村地区的典型房屋，建立了一个长15m、宽7m的单层建筑模型，建筑层高3m，南侧外窗为1.5m×1.8m，北侧外窗为1.2m×0.6m，中间外门为1.5m×2.1m，两侧外门为1m×2.1m，建筑详细尺寸参数如图2所示。外墙有外保温措施，外门外窗为节能型产品，建筑模型的建筑做法及热工性能参数见表2。

　　3.2太阳能集热面积计算

　　太阳能集热器总面积根据《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495—2009）中式3.4.3-1计算，如式（3）。

　　太阳能集热器面积计算结果为20㎡。

　　3.3主要设备选型

　　根据模型建筑日采暖总耗热量及太阳能集热器面积计算结果，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，选用10片2m×1m型平板太阳能集热器、1台15kW自动化生物质采暖炉[8]、1台500L内带换热盘管型承压保温水箱、2台水泵、1套控制系统等。

　　4经济性分析

　　本太阳能与生物质能联合供暖系统的设备投资主要由太阳能集热器、生物质燃烧炉、承压保温水箱、水泵及管路、电力及控制系统、安装及其他等几大部分构成。

　　根据表3得出本文中采用的太阳能与生物质能联合供暖系统（不含地板采暖末端）的投资约为3.18万元。太阳能与生物质能联合供暖系统和常规锅炉采暖系统进行经济性对比，见表4。由于太阳能系统运行费用很低，因此综合热价未计入太阳能与生物质能联合供暖系统运行费用。

　　从表4可知，虽然太阳能与生物质能联合供暖系统初期投资较高，但年综合运行费用低于电锅炉，稍高于燃气燃煤锅炉。太阳能与生物质能联合供暖系统初期投资中，太阳能投资部分占比较大，可适当调整太阳能保证率增加系统的经济性。家庭生活用热水用热量也是家庭用热的重要部分，联合供暖系统中太阳能部分在春夏秋季还可以提供家庭生活用热水，非采暖季全年共245d，以每天使用200L50℃热水计算，假设初始水温为15℃，则非采暖季生活热水用热量=4.18×0.2×（50-15）×245=29535MJ。

　　5小结

　　通过以上分析可知，山东农村地区在将房屋进行节能改造后，采用太阳能与生物质能联合供暖系统在经济上可行。虽然初期投资较高，但全年综合运行费用低于电锅炉，稍高于燃气燃煤锅炉。此外，太阳能与生物质能联合供暖系统主要利用清洁的太阳能和农村秸秆颗粒，可以减轻农村冬季环境污染，增加农民农作物秸秆的经济收入，综合效益十分显著。太阳能与生物质能联合供暖系统的缺点是，目前的技术条件下仍然存在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问题，随着新产品和技术的发展，这些问题将会一一解决。

　　参考文献：

　　[1]陈一全,朱传晟.《山东省绿色农房建设技术导则》内容解析与编制研究[J].墙材革新与建筑节能,2017(09):40-44.

　　[2]王倩,高新宇.太阳能采暖系统应用现状与发展[J].区域供热,2009(1):29-32.

　　[3]北京市住房和城乡建设委员会科技与村镇建设处.北京新农村建设太阳能采暖试点示范[J].建设科技,2013(01):17-21.

　　[4]高新宇,范伯元,张红光.太阳能采暖系统在新农村建设中的应用研究[J].太阳能学报,2009,30(12):1653-1657.

　　[5]中国可再生能源学会太阳能建筑专委会等.北京地区太阳能采暖工程现状及分析[J].农业工程技术(新能源产业),2008(04):2-7.

　　[6]朱冬生,徐婷,蒋翔,等.太阳能集热器研究进展[J].电源技术,2012,36(10):1582-1584.

　　[7]徐飞,侯书林,赵立欣,田宜水,孟海波.生物质颗粒燃料燃烧技术发展现状及趋势[J].安全与环境学报,2011,11(01):70-74.

　　[8]赵君.生物质颗粒燃烧机及热水锅炉采暖技术研究[J].科技经济导刊,2016(30):110-111.