(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

1 概述

隨著山西省經(jīng)濟(jì)的逐步壯大，鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化日益加速，人民對(duì)建筑舒適度要求進(jìn)一步提高，建筑能耗與能源儲(chǔ)量矛盾愈發(fā)明顯。而目前我省農(nóng)村建筑存在資源有限、人均不足，供需矛盾日益突出，能源結(jié)構(gòu)影響環(huán)境，浪費(fèi)嚴(yán)重形勢(shì)嚴(yán)峻四大特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗在總能耗中所占的比例已經(jīng)達(dá)到27.6%，并且這一比例還將提高。因此，建筑節(jié)能對(duì)于全球氣候變化和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都意義重大。

按照《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》中關(guān)于農(nóng)村建筑節(jié)能要求，探索農(nóng)村建筑節(jié)能工作;2006年1月1日頒布的《可再生能源法》對(duì)農(nóng)村小型可再生能源設(shè)施建設(shè)提出了新的方向，明確規(guī)定風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等非化石能源為可再生能源，并且?guó)家將可再生能源的開(kāi)發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，因此本文提出利用太陽(yáng)能低溫地板輻射供暖在農(nóng)村建筑中實(shí)施的可行性。

農(nóng)村建筑特點(diǎn)決定了其獨(dú)立供暖而非集中供暖，但單戶(hù)獨(dú)立供暖卻受資源及運(yùn)行費(fèi)用的限制，難以推廣。作為可再生能源，我省的太陽(yáng)能資源非常豐富，其中太陽(yáng)能較豐富地區(qū)的山西北部年輻射總量約為5852 MJ/m2～6680 MJ/m2，山西南部年輻射總量約為5016 MJ/m2～5832 MJ/m2，太陽(yáng)能資源經(jīng)濟(jì)環(huán)保，是比較理想的采暖源，加以利用為建筑物供熱采暖可獲得較好的節(jié)能和環(huán)保效益。表1以運(yùn)城地區(qū)為例，對(duì)幾種常見(jiàn)供暖形式經(jīng)濟(jì)性做了比較。

表1 幾種常見(jiàn)供暖形式經(jīng)濟(jì)性比較

從表1可以看出，采用電加熱直接供暖的運(yùn)行費(fèi)用最高，而太陽(yáng)能低溫地板輻射供暖的費(fèi)用較低;從環(huán)保及經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度考慮，太陽(yáng)能作為低溫地板輻射供暖的熱源是較理想的方式。

2 太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)

太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能，供給建筑物冬季采暖，系統(tǒng)主要部件有太陽(yáng)能集熱器、換熱儲(chǔ)熱裝置、控制系統(tǒng)、輔助能源加熱設(shè)備、泵、連接管道和末端散熱系統(tǒng)等，本文就太陽(yáng)能五大部分做詳細(xì)分析。圖1為典型太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖。

圖1 典型太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖

2.1 太陽(yáng)能集熱器選擇

太陽(yáng)能的熱利用中，關(guān)鍵是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。由于太陽(yáng)能比較分散，必須設(shè)法把它集中起來(lái)，所以，集熱器是各種利用太陽(yáng)能裝置的關(guān)鍵部分。就我國(guó)目前集熱器種類(lèi)，主要分平板集熱器及真空管集熱器兩種;本文參考省建科院節(jié)能所今年夏季對(duì)山西侯馬、臨猗等地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，兩種集熱器集熱效率無(wú)多大差別，但平板集熱器便于與建筑結(jié)合，不會(huì)破壞建筑的整體外觀而優(yōu)先采用。圖2為兩種集熱器與建筑結(jié)合效果圖。

圖2 集熱器與建筑結(jié)合效果圖

2.2 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱裝置

由于太陽(yáng)能具有能流密度低，受氣候、季節(jié)影響較大，穩(wěn)定性差等弱點(diǎn)，尤其在山西嚴(yán)寒地區(qū)等冬季氣溫低，日照時(shí)間短，加強(qiáng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)可減少輔助熱源使用量，本文考慮新型儲(chǔ)熱水箱，內(nèi)設(shè)散熱殼體，散熱殼體內(nèi)設(shè)有固體介質(zhì)儲(chǔ)熱體，固體介質(zhì)儲(chǔ)熱體內(nèi)設(shè)有電加熱管，電加熱管接頭位于儲(chǔ)水箱一側(cè)外端。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，使用方便的特點(diǎn)。

當(dāng)平均日太陽(yáng)能不能滿(mǎn)足采暖供熱需求時(shí)，利用儲(chǔ)熱器所儲(chǔ)存的熱量給予及時(shí)的補(bǔ)充來(lái)滿(mǎn)足采暖要求，這樣就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的連續(xù)利用，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，儲(chǔ)熱技術(shù)在熱能裝置的有效利用和促進(jìn)大規(guī)模能量的循環(huán)利用方面，具有很大潛力。表2為集中典型集熱器與儲(chǔ)熱水箱連接的優(yōu)缺點(diǎn)。本文建議選取第一種適合農(nóng)村太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

表2 集中典型集熱器與儲(chǔ)熱水箱連接的優(yōu)缺點(diǎn)

2.3 太陽(yáng)能輔助加熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)應(yīng)設(shè)輔助熱源及其加熱/換熱設(shè)備、設(shè)施，輔助熱源可因地制宜選擇城市熱網(wǎng)、電、燃?xì)?、燃油、工業(yè)余熱和生物質(zhì)燃料等，加熱/換熱設(shè)備、設(shè)施有各類(lèi)鍋爐、換熱器和熱泵等。由表1可知，天然氣作為輔助熱源效率最低，而電加熱效率最高，因此建議利用天然氣作為輔助加熱源。

輔助熱源的供熱量宜按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50019-2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的采暖熱負(fù)荷計(jì)算;在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可不設(shè)置集中采暖的地區(qū)或建筑，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，適當(dāng)降低輔助熱源的供熱量標(biāo)準(zhǔn)。輔助熱源加熱、換熱設(shè)備應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乜捎玫臒嵩捶N類(lèi)、價(jià)格、供水水質(zhì)、供暖系統(tǒng)形式、對(duì)環(huán)境的影響、使用的方便性等多項(xiàng)因素，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析合理選用;宜重視廢熱、余熱利用。

輔助能源功率和輔助能源的運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，因?yàn)橐惶斓目偰芰啃枨?熱負(fù)荷)已經(jīng)固定，因此輔助能源的運(yùn)行時(shí)間越短，需要的功率就越大，反之亦然。在計(jì)算輔助能源功率時(shí)要按全部熱負(fù)荷計(jì)算(在陰、雨、雪天氣沒(méi)有太陽(yáng)能，所有能源都由輔助能源提供)。輔助能源的最大運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該控制在16 h內(nèi)(一天有1/3時(shí)間休息)，因此輔助能源的功率至少是采暖功率的1.5倍。

2.4 太陽(yáng)能供暖控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能供暖控制系統(tǒng)一般采用PT100溫度傳感器采集的太陽(yáng)能真空管出水口溫度和室溫，利用單片機(jī)控制水泵、電磁閥實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱、供暖，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用，晝夜不間斷供暖，供暖溫度靈活可調(diào)，從而降低了熱量的浪費(fèi)。

若實(shí)現(xiàn)其與輔助熱源的連鎖，利用一種太陽(yáng)能熱水器與供暖型燃?xì)鉄崴鬓D(zhuǎn)換供暖的控制系統(tǒng)，包括有太陽(yáng)能熱水器，供暖型燃?xì)鉄崴?，散熱器，散熱器的供水輸入口與太陽(yáng)能熱水器的供水輸出口連通，散熱器的供水輸出口與供暖型燃?xì)鉄崴鞯牟膳厮斎肟谶B通。還包括電控三通閥，用于檢測(cè)太陽(yáng)能熱水器水溫的溫度檢測(cè)器，以及控制電控三通閥的控制器，電控三通閥的供水輸入口與供暖型燃?xì)鉄崴鞯牟膳療崴敵隹谶B通，電控三通閥的一個(gè)供水輸出口與太陽(yáng)能熱水器的供水輸入口連通，電控三通閥的另一個(gè)供水輸出口與散熱器的供水輸入口連通;控制器控制電控三通閥、供暖型燃?xì)鉄崴鞴ぷ鳎诳刂破鰿K外殼上設(shè)有轉(zhuǎn)換工作模式的調(diào)節(jié)旋鈕，系統(tǒng)具有低碳、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。

2.5 地板輻射采暖系統(tǒng)

常見(jiàn)的以熱水為熱媒的采暖末端散熱器的形式有低溫地板盤(pán)管散熱器輻射供暖、墻壁金屬散熱器供暖、頂棚風(fēng)機(jī)盤(pán)管式供暖、墻壁盤(pán)管散熱器輻射供暖。

地板輻射采暖是一種以低溫?zé)崴疄槊浇?，通過(guò)室內(nèi)盤(pán)管進(jìn)行散熱的供暖方式。通常盤(pán)管敷設(shè)于室內(nèi)整個(gè)地面，熱水流經(jīng)盤(pán)管，均勻地向室內(nèi)輻射熱量。由于熱穩(wěn)定性好、室內(nèi)溫度均勻、免占室內(nèi)空間、節(jié)能、干凈、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的歡迎。系統(tǒng)中的低溫?zé)崴疁囟葹?5℃ ～50℃，不能超過(guò)60℃，供、回水溫差不宜大于10℃，而這個(gè)溫度段正好是太陽(yáng)能熱水器熱利用最高的溫度段。

根據(jù)計(jì)算，我們可得到采暖房間的采暖功率，因此也就知道各房間散熱器一天發(fā)散的總能量，按照散熱器半天工作的原則我們知道散熱器的功率是采暖功率的2倍。再根據(jù)各種散熱器的散熱能力選擇散熱器面積。

2.6 環(huán)境效益及常規(guī)能源替代量

常規(guī)能源替代量(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)比較對(duì)象:冬季選取常規(guī)的燃煤鍋爐房(根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》鍋爐效率取68%)作為比較對(duì)象。其結(jié)果可由表3常規(guī)能源替代量及環(huán)境效益的評(píng)價(jià)表4反映。

表3 常規(guī)能源替代量計(jì)算表

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制，是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的，太陽(yáng)能地板輻射采暖技術(shù)是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能、舒適的采暖技術(shù)，可很好地解決農(nóng)村地區(qū)采暖與節(jié)能的難題，能有效提高農(nóng)民的生活質(zhì)量，有很好的發(fā)展和推廣應(yīng)用前景。在陰雨雪天氣系統(tǒng)自動(dòng)切換至燃?xì)忮仩t輔助加熱讓冬天的太陽(yáng)能供暖得以完美的實(shí)現(xiàn)，春夏秋冬可以利用太陽(yáng)能集熱裝置生產(chǎn)大量的免費(fèi)熱水，大面積推廣也可取得可觀的環(huán)境效益。

表4 環(huán)境效益計(jì)算表 t/年

太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)具有:

1)節(jié)約能源成本，運(yùn)行成本降低;2)安全可靠;3)綠色環(huán)保;4)智能控制，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;5)使用壽命長(zhǎng);6)建筑一體化;7)能源互補(bǔ)等眾多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用。

目前由于系統(tǒng)的初投資較大等原因，太陽(yáng)能供暖技術(shù)的利用還沒(méi)有廣泛普及，研究、開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，不斷提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)進(jìn)行示范工程應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的實(shí)用化和商品化，對(duì)于解決能源和環(huán)保問(wèn)題具有極其深遠(yuǎn)的意義。

［1］李建成.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與地源熱泵應(yīng)用情況分析［J］.山西建筑，2011，37(7):192-193.