探讨小城镇及农村太阳能为主 多能互补供热采暖工程技术应用

河北维克莱恩太阳能开发有限公司/薛会文

河北省太阳能利用行业协会/边志敏

　　0引言

　　我国幅员辽阔，人口众多，在北方地区寒冷冬季都需要利用各种设施采暖驱寒，传统以各种大小不同的燃煤锅炉为主。

　　随着人民生活水平的提高，在广大小城镇和农村燃煤量不断增加，燃煤锅炉燃烧过程中产生的温室气体及各种有害物质大量低空排放，造成了严重的大气污染，成为“雾霾”天气的主要元凶之一。

　　以河北省为例，根据在河北省石家庄所做实验表明，每个农户冬季采暖室内若达到15℃及以上，采暖需消费4~5吨原煤。河北省农村常住农户1079 万，如此每年消耗原煤6366.1万吨，排放二氧化碳11913.7 万吨，需要运输车辆318.3万辆次以上。不仅污染严重，社会能源供应能力更是难堪重负。因此，积极寻找燃煤替代模式，解决广大城镇及农村采暖及大气环境污染问题势在必行。

　　1我国发展分布式太阳能为主多能互补供热采暖工程的必要性

　　1.1社会对能源的潜在需要数量巨大

　　我国地域辽阔，气候条件差别很大。按照气候状况分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温暖五大类型区域，国家所定采暖区域包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、新疆、青海、甘肃、宁夏、山西、北京、天津、河北、以及陕西北部、山东北部、河南北部等城镇，其地域面积占全国的70%。该区域农村及小城镇居民建筑近257 亿平方米，住房约占1/2，即128.5 亿平方米。即使在我国东部的京津冀地区大部分村镇房屋依然是370 毫米砖混结构，外墙基本未加任何保温措施。这些区域的小镇及农村住房基本上以独立为主的院落，即院落的正房四周或三面无建筑物包裹。按照国家住建部发布的资料表明，北京地区小城镇采暖能源强度为18~25 千克标煤/ 平方米·年，与同纬度发达国家相比采暖能源强度高出1~1.7 倍。可以说农村及小城镇房屋的节能改造潜力巨大。

　　全国需采暖区域人口约7亿，农村及小城镇人口约占3.5亿，近1 亿个家庭；按照河北省石家庄的实测表明，在-8℃~-11℃气候状态下，370 毫米砖混围护结构，20 平方米房屋内试验，要保持室内13℃~14℃，直径120 毫米蜂窝煤炉具需始终保持旺火状态，且不能封火，由此推算每个农户冬季采暖室内若达到15℃及以上，采暖需消费4~5 吨原煤。在东北三省、内蒙古、河北省北部等严寒区域，取暖期增加一个月，消费量将增加到6~7 吨，再加上炊事和生活热水，煤耗将再增加0.6吨原煤。照此计算，华北南部用煤量平均达5.1 吨，东北及华北北部用煤量将达7.1吨甚至更多，取均值每个家庭需消耗原煤6.1 吨，折标煤4.36 吨/ 年，北方农村及小城镇采暖将需要标煤4.36 亿吨。

　　近年来随着农村生活水平的提高，农户用煤量呈上升趋势，随之烟尘低空污染也在增加。在发达国家，取暖逐步被燃油、天然气或电加热所取代。如果换算成天然气采暖，按照燃煤炉的效率50%和燃气炉60%的效率折算，则需要天然气2961自然立方米/ 年·户，全国采暖区域一个采暖季则需要2961亿立方米/ 年。相当于全国天然气年产量（1300 亿立方米）的2.2倍，进口天然气量（270 亿立方米）的10倍。如果换算成电能采暖需14400 亿千瓦时/ 年（100 瓦/ 平方米），相当于14 个三峡发电站的发电量。这么大的能源需求量社会何以满足？目前从区域经济的层面之所以未感受到这么大的压力，是由于广大农村的实际燃煤量还未达到这么高的程度。在河北省，一般农村家庭取暖用煤量在1~3 吨，但是随着收入水平的提高，总的用煤量还在继续增长。

　　1.2 小城镇及以下区域分布式燃煤采暖大气污染严重大量燃煤会造成严重的大气污染，这已经为近几年的冬季大面积雾霾困扰所证实。预测北方村镇按照6.1 吨的耗煤量，折标煤4.36 吨/年，北方农村及小城镇采暖将需要标煤4.36亿吨。那么仅冬季采暖10 米以下的低空，采暖排放二氧化碳11.336 亿吨,排放二氧化硫1744 万吨，排放烟尘43.6万吨（约占燃煤量的0.1%）。由此增多的污染物对当前的大气治理将是更大的难题。关于户用燃煤小锅炉低空排放大气污染的研究，我国环保研究院所、高等院校如清华大学环境学院、天津大学建筑学院开展了大量研究工作，其污染相当明显，在这一环境下生活的人群，呼吸道疾病患病率明显提高。如上所述，开展太阳能为主多能互补的分布式采暖研究与示范非常必要。 

　　2京津冀小城镇与农村的房屋围护结构现状

　　作为县城及乡镇新建建筑特别是公用设施，如学校、医院、办公场所一般为节能房。农村新建住房也建成了节能房。大多数原有房屋无论公用房还是民房均为370 毫米厚砖混墙体结构，门窗也是单层玻璃塑钢或铝合金门窗结构。屋顶为水泥浇筑加200 毫米隔温层，或者是木檩木板上加隔温层。房屋保温隔热性能较差，房门直接对户外，冬季挂棉门帘，这在冀北的张家口、承德较为突出。

　　3太阳能为主多能互补供热采暖工程的技术构成、效果分析

　　主动式太阳能采暖节能效果明显。在借鉴前人经验的基础上，自2010 年来，河北省太阳能利用行业协会与河北维克莱恩太阳能开发有限公司等及相关市新能源办公室，分别在山海关区（冀北）和邢台临城县（冀南）、廊坊固安县（冀中）开展了试点研究。系统集成形式为：太阳能集热单元（含管路、配件）、热能补充单元（生物质炉或燃气炉）、室内散热单元（地埋管或风机盘管）、自动控制循环单元、房屋外墙保温与门窗保温单元、防雷避雷单元六部分组成。施工按照相关国标或建筑行业标准执行。

　　3.1太阳能系统原理

　　太阳能采暖集热系统原理（如图1 所示）。

　　3.2集热系统原理说明

　　太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、太阳能储热水箱、循环管道、自动控制系统等。 

　　（1）自动上水

　　定水位补水：当储热水箱水位低于设定值时，补水电磁阀自动打开，将储热水箱内的水位补充至设定值时自动关闭；

　　温控补水：当储热水箱温度高于设定值，且水位低于设定值时，打开补水电磁阀补水至设定水位或水温低于设定值时，停止补水。

　　（2）集热温差循环

　　当集热器温度与储热水箱中的水温温差大于设定值时，对应的集热循环泵启动，将集热器中热水打进储热水箱中，当二者温差低于设定值时，循环泵自动关闭。

　　（3）洗浴、生活用水

　　在水箱内中上部安装盘管，自来水在增压泵的作用下通过水箱内排管，吸热增温满足洗浴及生活热水需求。

　　（4）防冻加热

冬季集热器室外管路温度低于5℃（可调）时，自动开启循环防冻和自动关闭。

　　（5）采暖循环

　　采暖期间，储热水箱温度与采暖系统终端温度温差达到设定值时，采暖循环泵自动启动，温差低于设定值时，循环泵自动关闭。

　　（6）辅助加热

　　遇阴雨天气或极端天气太阳能系统不能满足日常用热时，使用生物质锅炉给储热水箱辅助加热，系统采用自然循环。

　　（7）防干烧循环

　　当集热器温度高于95℃，且仅高于水箱温度2℃~10℃范围内，对应的集热循环泵每循环10 分钟，停20 分钟，周而复始循环避免太阳能集热器内温度过高带来危险，从根本上避免真空管爆管。

　　（8）集热器维护

　　非采暖季时，因用热量降低，关闭屋面预留阀门，只运行部分太阳能集热器，并对不运行的太阳能集热器部分进行排污处理，以此避免系统长期高温而降低系统使用寿命。

　　3.3 项目投资

　　如果是旧房改造，每100 平米旧建筑投资改造约需资金54800 元（含外墙保温、门窗改造、地埋散热管路等）。

　　如果作为新房建造，地埋散热管、隔热门窗、外墙与屋顶保温一次建造完成，并不在太阳能采暖系统投资之内。因此太阳能为主多能互补采暖系统的投资需包括太阳能集热单元(含换热水箱)、热能补充单元（生物质炉或燃气炉或电热器）、自动控制循环单元、防雷避雷单元，总造价100 平方米约为36800元。由此两种情形的回收期也会不同。

　　3.4集热效果

　　全河北省目前已经启用太阳能主动采暖500多户，覆盖张家口、秦皇岛、保定、廊坊、沧州、石家庄、邢台、邯郸，另有山东莱阳。采暖规模从单体100平方米到2000平方米。对于单户太阳能与建筑面积比例为1:3，辅助热能单元为生物质炉具或燃气炉，冬季可保持室内温度在15℃以上，并保证四季生活热水，系统太阳能保证供能率在70%以上，热能补充单元供能率25%以下，循环等电能消耗占20%以下。在室外温度到了10℃以下的10月中下旬开始至下一年的4 月上中旬，室内温度保持在15℃以上，采暖期比集中供热加长一个月，并且获得四季生活热水，而补充的常规能源如电能仅占系统供能的20%以下，可满足当前及今后相当一段时间内的乡镇电力供应水平，得到了乡镇用户的一致好评。

　　4应用案例

　　4.1太阳能+ 生物质能

　　项目地址：山东省莱阳市穴坊镇；

　　项目名称：山东省莱阳市穴坊镇镇政府采暖系统改造（如图2所示）；

图2莱阳市穴坊镇镇政府采暖系统改造图

　　项目背景：针对镇政府采暖系统进行改造，利用当地大量抛弃的玉米秸秆加工成生物质成型燃料，将原有燃煤锅炉采暖改建为太阳能+生物质锅炉采暖系统，解决镇政府采暖季采暖及全年生活用热水问题。该设计供暖建筑采暖面积2000m2。

　　4.1.1集热器布置

　　根据本项目的实际用热温度特点和屋面尺寸大小，选用维克莱恩公司生产的全玻璃真空管集热器QB-WF-7.00/50-2型，结合相关的管道、配件、辅助能源及控制系统，共同组成太阳能系统。屋面集热器安装如图3所示。

　　4.1.2辅助能源

　　如图4所示，辅助能源将原有燃煤锅炉改为生物质锅炉。

图4生物质锅炉外观图

　　4.1.3系统功能

　　功能一：不受采暖规定日期限制。采暖期运行，根据本地气候条件，系统可在规定采暖期开始前一个月，即每年的阳历10月中下旬开始运行，在采暖期结束后可根据气温情况结束系统运行，可随意控制采暖期限。进入冬季后点燃生物质成型燃料洁净煤两用锅炉作为辅助采暖系统加热即可。

　　功能二：提供四季全部生活用矿化热水。该系统的生活热水采用独立瞬时加热系统提供，与供暖系统使用的循环水完全隔离，这样就使得来自系统的生活用热水水质不但不会发生改变，而且通过系统水处理器对生活水源进行矿化处理，增加了多种人体需要的微量元素。因此系统供给的热水是即用即热的活水，不但可以洗浴还可以直接用于炊事和饮用。

　　功能三：全自动运行。系统采用智能控制系统，全面实现系统全自动、智能化运行。

　　4.1.4费用对比分析

　　该系统在改造前要满足镇政府全年生活热水及冬季采暖，每年需支付费用约83000 余元。在使用太阳能+ 生物质锅炉系统后，太阳能系统完全可满足全年日常生活热水需求，全年无需再为生活热水支付额外费用，全年运行成本仅为25000余元，每年可累计节约费用支出58000 余元，4~6年即可收回投资，并且冬季采暖温度可达16 ℃以上。

　　4.2 太阳能+ 燃气

　　项目地址：河北省固安县南王起营村13 户；

　　项目名称：农村用户冬季采暖系统改造（如图5所示）；

　　项目背景：该村全部使用管道天然气，冬季原使用天然气采暖炉分户采暖；现改用太阳能+ 天然气燃气辅助取暖，使用面积120m2（对于管理比较好的村庄也可以使用沼气或生物质热解气作为燃气源）。

　　4.2.1 室温效果对比

　　经过2015 年冬采暖期使用，室内效果可达18℃~22℃，原室内采暖效果10℃~12℃。

　　4.2.2 节能效果对比

　　原使用燃气价格60~80元/天，整个冬季燃气费需7200~9600 元，改造后使用燃气整个冬季采暖费用仅1000元。 

　　5太阳能为主多能互补供热采暖工程经济性分析

　　太阳能供热采暖的经济核算按照有/ 无比较增量分析、静态法计算：

　　对于新建高标准节能房，新建节能房相当于以前的被动式太阳能采暖房室内温度平均可达8℃，达到15℃以上室温及四季热水，实际采暖用煤量需达4.5吨/年。去除外墙保温项、门窗改造项、地盘散热管项，剩余费用约计36800 元/100平方米，经计算：

　　36800 元/（1270 元/ 吨×4.5 吨/年）=6.4年回收期与燃无烟低硫煤相比为6.4年，与燃天然气相比3年，与电热相比为1~2年。按照太阳能集热原件太阳能集热管使用寿命确定装置寿命期为15~20年。仍剩余装置寿命期9~14年。

　　对于旧房改造，前文已叙述的6 项全做，总投资54800元。经计算：

　　54800元/（1270 元/ 吨×6.1 吨/ 年）=7.1 年回收期与燃无烟低硫煤相比为7.1 年，与燃天然气相比3~4 年，与电热相比为1~2年。按照太阳能集热原件太阳能集热管使用寿命确定装置寿命期为15~20 年，仍剩余装置寿命期8~13 年。

　　6结论

　　综上所述，使用太阳能为主、因地制宜、多能互补供热采暖在我国北方小城镇及农村很实用，其节能减排效益显著，具有较好的经济效益和社会效益。随着我国建筑节能及环境保护的加强，太阳能+ 多能源互补采暖技术模式将是小城镇及广大农村未来分布式冬季采暖大趋势。该系统主要不足是夏秋季余热的利用和处理，其次是全玻璃太阳能真空集热管的可靠性，二者有待进一步研究解决。