石寧鈺

李穆然的太陽能利用方案原理簡明，操作方便，創(chuàng)意巧妙，經(jīng)濟高效，是節(jié)能減碳應對全球氣候變化的利器，關鍵是要推廣到尋常百姓家。

對李穆然最深的印象，是在一個雨天，他帶我們爬到了天臺。在六組六平米的集熱器前，李穆然像介紹自己的寶貝一樣，不厭其煩地一遍遍講著它的原理。這小小的36平米，卻凝聚了李穆然的無數(shù)心血。

冬天不用供暖，夏天不用空調，室內空氣卻常年保持恒溫，就是靠這36平米的集熱器。這座被動式超低能耗建筑的節(jié)能環(huán)保給到會的每一個人都留下了極為深刻的印象。

普及太陽能技術，實現(xiàn)純太陽能供暖，讓環(huán)保、低耗能、低成本的太陽能走進老百姓的家里，這一直是李穆然畢生的夢想。

太陽能供暖的春天

今年數(shù)九寒冬的取暖季里，京郊許多村莊已不見了煤煙煤灰。

“今年400個村不再燒煤取暖”這一政策令李穆然欣喜，今后在這400個村莊內，將再也看不到燃煤黑煙扶搖直上的景象。對天然氣和電力將成為采暖主力能源，眾多深受霧霾之害的市民舉雙手贊成。

400個村莊15萬戶經(jīng)過“煤改清潔能源”工程，將告別燒煤取暖，預計減少45萬噸煤燃燒。按北京市計劃，到2020年平原地區(qū)村莊將全部用上清潔能源。

但李穆然卻在思考：既然作為清潔能源替代的一場戰(zhàn)役，怎么沒看到最清潔的能源太陽能的身影？電力和天然氣雖然比煤清潔，但畢竟仍屬于化石能源，會越用越少。而太陽能不僅絕對清潔，且永不枯竭長期無償供給，尤以平房為主，在家家具備充分采光條件的平原地帶，用起來更是得天獨厚。

“現(xiàn)在未被考慮，肯定不是決策者一時疏忽，而是經(jīng)過市場調查的一個決斷。”李穆然公平地分析，歷年來北京市對太陽能采暖在農村的應用嘗試，財政支持力度并不低，絕對穩(wěn)居各省市之首，理論探討和實際工程案例都不缺乏。可能實在是看多了太陽能采暖案例在前期投入、供暖效果方面乏善可陳，為免遭農戶詬病，才未被列入。

機會總是垂青于有準備的人。2015年，就在北京昌平，一個純太陽能采暖工程的落地與運行，以獨具一格的采光造型，難以置信的集熱能力，徹底改變了人們對太陽能采暖投入大效果差的負面評價，獲各界親歷現(xiàn)場人士好評，讓太陽能供暖不再是“雞肋”。

首座被動式低能耗房屋

北京市首座被動式低能耗建筑體驗中心，落戶昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)講禮村。

7月的一個上午，我和衛(wèi)社長驅車前往昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)講禮村的體驗中心房屋。該中心室內空氣新鮮、溫度宜人。令人稱奇的是，體驗中心屋內并未安裝任何傳統(tǒng)的采暖或制冷裝置，但室內溫度卻能長年保持在19～26攝氏度之間，當然具有良好的保溫性和隔熱性，這也是被動式房屋最基本的要求。

綠建寶CEO宋心衛(wèi)介紹，該被動房建設項目2000平方米，內設展廳、會議廳、客房和聲光電配套設施，是北京市首座利用工業(yè)廠房改建的被動式超低能耗建筑。作為樣板工程，項目建設發(fā)起到目前即將峻工，吸引了國內外相關機構、企業(yè)的密切關注。今后，將通過組織各種活動，讓更多的人直接體驗和感受到被動式建筑的實際效果。

冬天已經(jīng)到了，春天還會遠嗎？

由于被動式建筑的節(jié)能、舒適、環(huán)保和“體驗中心”的示范，圍繞節(jié)能減排，住建部等相關機構的行業(yè)會議、培訓和推廣活動將陸續(xù)在這里舉行；已有50多座高檔別墅和一批被動式超低能耗建筑項目委托綠建寶組織實施……

“向霧霾宣戰(zhàn)！為美麗的中國夢做出貢獻！”——在北京首座被動式超低能耗建筑建設過程中，曾有不少關心、參與建設的專家及企事業(yè)單位以“眾籌共建”的實際行動，在這里為遏制全球氣候變暖、改善人居環(huán)境做貢獻。

太陽能“做”到的事

被動房建設項目由會議廳、會議室、展廳三部分組成，分別安排了純太陽能、純空氣源熱泵和太陽能+熱泵三種供暖方案。三種供暖模式的同場pk在昌平講禮被動房項目上演，基本同時進場，同時投入運行。

至當月29日開會時，分別達到的溫度值為24.5度、15度和21度。由于適逢強寒流來襲。所以另兩個帶熱泵的系統(tǒng)，4臺3kw輸入功率的熱泵從未見有半刻停息。而純太陽能項目則只有兩只600瓦小循環(huán)泵，每天運轉4小時左右。哪個更節(jié)能已無懸念，顯然是純太陽能最低。

純太陽能供暖的會議廳，面積415平米，內高5.2米。屋頂布設了58×1800×50全玻璃真空管集熱方陣6組。輪廓面積36平米，反光鏡40平米。鏡面和地面夾角20°，集熱面和鏡面夾角90°。今年1月15日安裝完畢，經(jīng)調試和局部改動，20日開始運行，整個系統(tǒng)除去兩臺600w水泵以外，沒有配置其他耗能裝置，也未設輔助能源。晴好天氣系統(tǒng)日耗電約1kwh，陰雨雪天耗電為零。從1月中旬到采暖期結束，兩個多月，雖然只是半個采暖周期，但1月28日到31日的世紀寒流卻一天都沒有躲開，29日，住建部一個行業(yè)協(xié)會300人年會在會議廳召開，現(xiàn)場溫度顯示為24.6℃，室外-15℃。

那一刻，當被告知會議廳的供暖熱源百分百是由太陽能提供時，與會人員無不嘖嘖稱奇。此后，由于霧霾降雪天氣斷續(xù)來襲，給不設常規(guī)能源的會議廳供暖帶來嚴酷的考驗。

李穆然欣喜地發(fā)現(xiàn)，即便這樣，會議廳的溫度記錄也從未低過18℃。說明采用了新的承曬集熱方式，用36平米集熱器就可以滿足415平米建筑的全冬室溫18℃以上采暖需求。而這個比例和現(xiàn)有太陽能供暖方案動輒100：30的集熱器比例相比，連三分之一都不到，說明此方案在提高室溫方面，仍有極大余地。綠建寶基地本身就地處農村，環(huán)境條件和農舍無差別。太陽能在這里能做到的事，沒有理由說放到普通農舍會行不通，應該說效果會更好。

而李穆然便是負責這一項目的技術總監(jiān)，他還有另一職務“北京市新能源與可再生能源協(xié)會太陽能專委會顧問”。他始終堅信，使用太陽能熱水器就等于節(jié)約了電能和燃氣等寶貴能源，同時相應地減少了溫室氣體的排放。

高效率背后的奧秘

“基地會議廳太陽能系統(tǒng)效率之所以高，道理其實很簡單。”李穆然說，奧秘就在于真空管集熱器擺放上和其他采暖系統(tǒng)都不同：別人的太陽能采暖系統(tǒng)設計，為了在冬季能多得些熱，是靠拼面積。盡量把屋頂擺放得滿滿的，中國的房屋又多為平頂或緩坡屋頂。集熱器平鋪其上，和冬季太陽投射光線形成很大交角。橫排式的真空管依次阻擋了下一根真空管的太陽光照。盡管面積不小，但得熱量卻很低。

李穆然的系統(tǒng)反其道而行之。為了讓每一根集熱管都最大限度獲取太陽光照。特別設計了一種在別人看來匪夷所思的安裝方式，趴著裝方式：讓集熱器采熱面立起來并向太陽來光方向前傾，故意使其和冬季的太陽投射形成夾角。表面看起來這會降低集熱器采光量。其實不然，這個角度是經(jīng)過計算的，對橫排管式太陽能集熱器來說，總得光量并不是只有垂直照射時才達最大。由于管間距的存在。即使有所偏斜，只要不形成阻擋，每根管都可得到充分的照射，集熱器總得光量是不變的。且這個偏斜度容許值達到45度之多，它恰好為我們在其下方安裝一面反射鏡創(chuàng)造了條件。

“而太陽能借助鏡面增光，至少有上千年歷史了。直至現(xiàn)代也還在廣泛應用。我們當然不能錯過。”李穆然說，增加一面和集熱面積等同的平鏡，無論是理論計算還是幅照儀實測，都證明可以使集熱器得到的光照接近翻番。和其他太陽能采暖工程擺放方式相比效率大幅度提高，自然就毫不奇怪了。

還有一點值得欣慰的是，李穆然他們的設計初衷只是希望能夠提高集熱效率就很滿足了，并沒有敢想要去解決集熱器夏季過熱的難題。盛夏來臨，大面積集熱器由于熱量無處傾瀉，開鍋、爆管給多少工程商帶來無數(shù)處理煩惱和經(jīng)濟損失?，F(xiàn)在隨著我們這種集熱方式的推出，過熱已意外地成為歷史記憶了。因為，它可以自動地讓集熱器在盛夏減少甚至消除產(chǎn)熱量。

當然，如果需要系統(tǒng)擔當全年生活熱水供給，也很容易。只要稍微調整一下布放角度就可以了。系統(tǒng)當然還有其他一些防凍，防漏，防溢，防污染等技術對策。

全太陽能采暖的煉成

全太陽能采暖意味著建筑僅僅依靠太陽的輻射能，無需借助任何其它類型制熱能源即可解決整個采暖季的采暖需求。聽起來有些離譜，畢竟任何地區(qū)都不可能整整一冬天都天氣晴朗。陰、霾、雪天拿什么保持室內溫度不會降低？

李穆然是這樣解釋的：“農業(yè)生產(chǎn)需要灌溉，但到了該澆水的時候，天不下雨怎么辦，可能有兩種選擇，一是借水，二是等死。還有第三種辦法，那就是利用蓄水?！比彼貐^(qū)自建水窖，就是把平時雨水引入水窖儲存起來，到需要時拿來救急。

李穆然認為，太陽能采暖也可以采用此法，水蓄能或其他蓄能方式都可以。無非是配備一個大容量的儲水容器，做好保溫。按李穆然的測算只要能存夠10天用的，就完全可以滿足全采暖季的要求了。因為三北地區(qū)冬天出現(xiàn)連續(xù)10天陰天的概率很低，大雪下完，跟著就是大風。掃掉集熱器積雪，照樣正常供熱。“除去水箱蓄熱，實際上房屋自身也有很強的蓄熱功能。供暖系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)最大區(qū)別就是供暖有滯后效應?！崩钅氯慌e例說。

李穆然在基地會議廳做的純太陽能采暖系統(tǒng)，并沒有來得及裝大型儲熱水箱，但由于太陽能的投入運行時間比會議廳啟用提前了一個星期，到了正式開會時室溫已從原來的15度逐步升到了25度。而后1個月內盡管沒有任何常規(guī)能源介入，室溫一直在18到22度之間變動。這期間既有下雪，也有霧霾天氣現(xiàn)象發(fā)生?！白C明了墻體等儲熱作用不可小覷。試想如若再有一只可儲10天熱量的水箱后備，全冬保持20度以上將是何等容易?！币虼怂贸鲞@樣結論：三北地區(qū)純太陽能采暖是完全可以實現(xiàn)的，某種程度上供暖可靠性甚至比帶輔助能源的系統(tǒng)更高。

反觀太陽能系統(tǒng)，天氣極冷一定是寒流大風所賜。意味著天氣晴好，太陽幅照度大增。以真空管為采熱元件的集熱器，得熱量不降反增，越北越甚。所以說，純太陽能采暖，將在采暖工程中大展身手，是可以預期的。

成功改造太陽能熱水器

早在1981年單位分房時，李穆然就自己動手，在自家樓頂上裝了一臺太陽能熱水器，“我自己就很喜歡研究太陽能，所以堅持到現(xiàn)在?！崩钅氯徽f。

那時候的李穆然學的專業(yè)雖是地質，卻跨行業(yè)思考，珍惜每一次的失敗，走到今天。專注太陽能研究幾十年，并為這個行業(yè)獨辟蹊徑，做出了自己的貢獻。

“集中集熱集中供熱系統(tǒng)——北京順義望泉寺公租房項目，得益于華源新第太陽能熱水改造項目的成功案例，我說服了北京順義望泉寺公租房開發(fā)單位，承接了共計22棟公租房太陽能工程項目?！崩钅氯徽f。

華源新第小區(qū)是上世紀90年代北京比較高檔的小區(qū)，在售樓時三棟樓便打出了24小時供應熱水的口號，并與業(yè)主簽訂了13.7元/噸熱水的合同。但2003年之后北京市不允許使用燃煤供應熱水，小區(qū)改用電供熱水，成本急劇增加，造成物業(yè)公司持續(xù)虧損。在此背景下，華源新第物業(yè)開始尋求解決方案，對項目進行改造，找來了北京多家太陽能企業(yè)，都不理想。

無奈之下，華源新第物業(yè)方通過熟人找到了李穆然。當時李穆然及所在的科技公司接受了這個改造工程。投資了20多萬元、耗時兩個多月，在現(xiàn)有高層建筑樓頂上安裝了600平方米的太陽能熱水器。每棟樓安裝平板太陽能集熱器224平方米，利用了樓頂原有的20噸供熱水箱，系統(tǒng)可保證24小時供熱水，春夏秋3季水溫設定為40攝氏度，冬季水溫為42攝氏度。通過安裝太陽能熱水器，目前物業(yè)公司供熱水的成本降到了10元/噸以下。

對于李穆然的系統(tǒng)改造，華源新第物業(yè)負責人非常滿意?！拔覀儸F(xiàn)在對業(yè)主只收14元/噸的熱水費，不僅不會賠錢，這三個集中式太陽能熱水系統(tǒng)還能免費供應我們60多個工作人員的洗浴和生活熱水需求。”

力求純太陽能供暖

李穆然認為，欲從根本解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)散煤供暖難題，有3種可選方案：一種是空氣能熱泵，一種是“空氣能+太陽能” ，另一種是“太陽能+儲能”。第一種，省錢但不節(jié)能；第二種，節(jié)能但不省錢（投雙份資）；第三種，既節(jié)能又省錢。您選哪項？

就跨季節(jié)采暖問題，李穆然曾請教過一些院士和教授，大家都勸他放棄：“沒有資金，除了大量的設備，就是賠錢。”而李穆然對太陽能采暖儲能的看法是：只要選擇的集熱器質量和數(shù)量能夠在當?shù)刈詈涞娜兆永?，在晴天條件下，能夠產(chǎn)生出足夠目標建筑當天正常供暖的熱量。

也就是說，遇到陰、雪、霾天氣你用儲存熱量頂上。其他時間自給自足就可以了。而這點熱量對于太陽能方陣來說，只要預設一個所謂跨季儲熱水箱體積的十分之一就完全夠用。方陣在進入采暖季以前的一兩個月內也足以把箱溫升到很理想的溫度。這樣一來。整個冬季可以做到百分百太陽能供暖。還要什么油、煤、氣爐做補充？被動房建設項目在最冷這一時段的運行結果就是證明。

李穆然堅信，純太陽能供暖的實現(xiàn)真的沒有什么難度。

“其實可以采取跨季儲能。”李穆然建議，對于獨立宅院（如農舍）承建伊始可在宅基下方預留儲熱池空間。邊、底敷防水層，中間充以碎石細砂并灌滿清水。設外循環(huán)水泵，以便從外設太陽能集熱器獲取熱能。每年9、10月份即啟動溫差循環(huán)功能，只要采熱面積和儲能空間足夠大，則到采暖季開始時，定能儲存到相當基礎熱量。從而避免了當前所流行的事到臨頭才抱佛腳式的采熱方式所必然出現(xiàn)的種種弊端。儲熱池不占用任何可用地面和空間，可以成為房屋基礎結構的組成部分，充以碎石細沙既可有效節(jié)約清水用量，又不妨礙熱量的吸儲與輸出。

相比于短期太陽能采暖，其優(yōu)勢十分明顯?？晒?jié)約集熱器面積；不會因寒流造成室內溫度驟降；可以通過在隔墻內敷設散熱水管的方式，讓墻體成為散熱器。既增加有效使用空間，又提高舒適度；可以做到整個采暖期完全不需要備用能源，實現(xiàn)百分百無碳過冬。

另辟蹊徑孜孜不倦

當然，以上優(yōu)勢的實現(xiàn)，必須以被動房的其它要素，諸如外保溫、新風裝置等相配合才有可能。李穆然曾和清華大學江億院士做了整整兩個小時的交談，詳細介紹了公司正在北京順義做的大型公租房太陽能熱水系統(tǒng)的各種設計思路和進展情況。

當?shù)弥擁椖康?2棟樓居然都采用了集中集熱集中儲熱分戶計量的系統(tǒng)方案時，江億問：“樓有多少層？”“15層?！苯瓋|又問，住建部都規(guī)定12層以下才能安裝集中式熱水系統(tǒng)，那可指的是普通商品房，戶均面積少說也百平以上，這個項目戶均面積只有40幾平，又是一梯六戶，樓頂哪來的那么大平臺安裝足夠的太陽能集熱器？“我們有一項全世界獨一無二的技術叫做太陽能無動力雙軸跟蹤，可以在一不擴大占地二不增加集熱面積的前提下，讓每一塊集熱板一年產(chǎn)出近兩年的熱水量。樓頂平臺不僅裝得下足夠的集熱板面，還很充裕”李穆然說。

接著，李穆然把這種無動力雙軸跟蹤技術的原理和現(xiàn)場照片向教授做了展示。還把隨身帶去的實驗模型，做了演示，獲得了教授的連聲稱贊，表示這個創(chuàng)新，既簡單易行又效果卓著，還成本低廉，很有推廣價值。此后又介紹了系統(tǒng)的其他創(chuàng)新點，如單箱恒溫控制，立管入戶，呼叫供水等等。

李穆然多年從事太陽能光熱利用領域的研究，在他的帶領下，加快了太陽能熱水系統(tǒng)開發(fā)、設計步伐，致力于太陽能熱水工程難題攻關，取得了重大突破。解決了“防凍抗凍、系統(tǒng)全自動運行、24小時保證熱水、與建筑完美結合”四大技術難題，并孜孜不倦，在這條路上完成新的研究和使命。

當下，農村采暖煤改電很火，并且基本上是空氣源的天下。而空氣能不僅需要大量政府投資，運行后也離不開高額財政補貼。不少人擔心，今天的空氣源遲早會落到當年戶戶一個沼氣池的命運?！懊焊碾娭挥懈奶柲懿攀俏ㄒ怀雎?。”李穆然堅信，因為它不僅比熱泵投資少，重要的是它的運行能耗，連熱泵的十分之一都不到?！安话烟柲軘[在第一位，天理不容。”李穆然堅定地說。

李穆然另辟蹊徑和孜孜不倦的精神得到了清華大學建筑學院教授栗德祥高度評價：“李穆然的太陽能利用方案原理簡明，操作方便，創(chuàng)意巧妙，經(jīng)濟高效，是節(jié)能減碳應對全球氣候變化的利器，關鍵是要推廣到尋常百姓家?！?