王銘，安子櫻，李子期，黃麗妍，張光偉，劉向華

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 概述

十六大五中全會(huì)首次提出美麗鄉(xiāng)村概念，十八大要求進(jìn)一步推進(jìn)生態(tài)文明和美麗中國建設(shè)，并首次將生態(tài)文明建設(shè)寫入黨章，國家希望廣大農(nóng)村能充分分享改革紅利，建設(shè)青山綠水的美麗鄉(xiāng)村。

項(xiàng)目名稱農(nóng)村太陽能系統(tǒng)綜合利用的技術(shù)分析，是在“建設(shè)美麗鄉(xiāng)村”政策指導(dǎo)下，打造太陽能綜合系統(tǒng)，在保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人文環(huán)境的前提下建造農(nóng)村綠色建筑群，并探究其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。在太陽能熱基礎(chǔ)上，使太陽能吸收式空調(diào)與太陽能驅(qū)動(dòng)式熱水器等家電綜合為一個(gè)系統(tǒng)，打破常規(guī)電能供給模式，節(jié)省建筑能耗，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，預(yù)測(cè)其可行性。

2 既有鄉(xiāng)村建筑現(xiàn)狀歸納

2.1 總體調(diào)研情況介紹

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口數(shù)量占較大比例。為順應(yīng)我國新農(nóng)村建設(shè)的號(hào)召，需要改善農(nóng)村居民的住宅環(huán)境，加強(qiáng)改造農(nóng)村建筑節(jié)能設(shè)施，降低能耗，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理設(shè)計(jì)冷熱源方案，提高農(nóng)村建筑的節(jié)能效果，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的目的。

2.2 調(diào)研內(nèi)容介紹

2.2.1 夏熱冬冷地區(qū)

夏熱冬冷地區(qū)指累年日平均溫度穩(wěn)定≤5℃日數(shù)為60～89d，及累年日平均溫度穩(wěn)定≤5℃日數(shù)不足60d，但累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于8℃的日數(shù)≥75d的地區(qū)。

2.2.1.1 河南省信陽市邱灣村調(diào)研內(nèi)容

①調(diào)研地區(qū)農(nóng)村建筑特征

河南省信陽市屬于夏熱冬冷地區(qū)，需要取暖措施。本地農(nóng)村建筑，采用平屋頂設(shè)計(jì)，大多為兩層。墻體為240mm厚的實(shí)心紅磚，墻體內(nèi)外抹灰砂漿5mm。窗墻普遍比較大，窗戶均朝向南方。樣本中雙層房屋建筑占地面積在150m2～250m2不等。

②調(diào)研地區(qū)用能情況分析

樣本一炊事活動(dòng)和生活熱水用能為柴薪，夏季采用電風(fēng)扇，冬季采用電取暖。樣本二炊事活動(dòng)用能為柴薪，生活熱水采用太陽能熱水器輔助電加熱器。

③調(diào)研內(nèi)容調(diào)研結(jié)果分析

a.此地區(qū)冬夏季采暖、制冷情況普遍不能滿足人們的生活需求，冬夏季房間內(nèi)的舒適性較差,急需新的更加有效的采暖、制冷方式。

b.由于人們生活采用的能源中，廉價(jià)的易獲得柴薪占據(jù)的比例很大，大大降低了人們?nèi)粘Ｉ畹哪茉促M(fèi)用支出，因此，想要取代柴薪面臨很大難度。

2.2.1.2 山東省東營市六戶鎮(zhèn)調(diào)研內(nèi)容

①調(diào)研地區(qū)農(nóng)村建筑特征

東營市基本氣候特征為冬寒夏熱，夏季需要考慮防熱，冬季需要供暖。東營市冬季為市政統(tǒng)一供暖，部分單體建筑選擇中央空調(diào)系統(tǒng)。

調(diào)查樣本A為三層連戶建筑，建筑面積為242m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為普通混凝土砌磚，采用外保溫，保溫層為苯板，屋頂為坡屋頂，貼瓦片保溫。調(diào)查樣本B為單元樓建筑，建筑面積為60m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為普通混凝土砌磚，采用石棉作外保溫。

②調(diào)研地區(qū)用能情況分析

樣本A進(jìn)行炊事活動(dòng)多采用天然氣，生活熱水來自太陽能。夏季制冷主要采用中央空調(diào)，冬季采暖因房間面積較大而居住人數(shù)少，以電暖氣為主。電及天然氣為主要能源消耗。

樣本B進(jìn)行炊事活動(dòng)只用市政天然氣，生活用水使用電熱水器加熱。夏季制冷以單體式空調(diào)為主，冬季采暖以市政統(tǒng)一供暖為主。電及天然氣為主要能源消耗。

③調(diào)研地區(qū)推廣太陽能空調(diào)可行性分析

經(jīng)過調(diào)查，東營地區(qū)由于市政設(shè)施較為完備，所以大部分人不愿花費(fèi)較大的投資更換為太陽能空調(diào)系統(tǒng)。

2.2.2 夏熱冬暖地區(qū)

夏熱冬暖地區(qū)是指我國最冷月平均溫度大于10℃，最熱月平均溫度滿25～29℃，日平均溫度≥25℃的天數(shù)為100～200d的地區(qū)。

2.2.2.1 廣西省貴港市大嶺鄉(xiāng)調(diào)研內(nèi)容

①調(diào)研地區(qū)農(nóng)村建筑特征

由于該地區(qū)長夏無冬，溫高濕重，夏季需要考慮防熱通風(fēng)防雨問題。對(duì)于鄉(xiāng)村單體建筑，需要避免西曬，多設(shè)遮陽。調(diào)研樣本A、B的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻體材料240mm厚的實(shí)心紅磚，內(nèi)外抹灰3mm。窗戶多采用鋁合金框玻璃窗。樣本中建筑占地面積在100m2～200m2不等，為多層平頂住宅，朝向均為坐北朝南。

②調(diào)研地區(qū)用能情況分析

樣本A、B中的屋主進(jìn)行炊事活動(dòng)多采用電及液化石油氣。樣本A夏季制冷和冬季供暖多采用分體式電空調(diào)，樣本B夏季采用電風(fēng)扇，冬季僅采用柴薪烤火。電費(fèi)及液化氣費(fèi)用為主要的能源費(fèi)用開銷。

該地區(qū)多使用空氣源熱泵，作為生活熱水的熱源。由于夏熱冬暖地區(qū)冬季氣溫高，適合空氣源熱泵的推廣。

③調(diào)研地區(qū)推廣太陽能空調(diào)可行性分析

該地區(qū)太陽高度角大，太陽輻射強(qiáng)烈，夏季時(shí)間長。尤其在廣西太陽能資源豐富，從太陽能利用條件上是可行的。且農(nóng)村單體式建筑空地面積較大，可安裝太陽能空調(diào)。經(jīng)過調(diào)研反饋，大多數(shù)人家對(duì)太陽能空調(diào)的理想成本價(jià)在2萬元以下，約200元/m2（占地面積）。

2.2.3 嚴(yán)寒地區(qū)

嚴(yán)寒地區(qū)其主要指標(biāo)為最冷月平均溫度≤-10℃，輔助指標(biāo)為日平均溫度≤5℃的天數(shù)大于145天。其中甘肅為典型的西北嚴(yán)寒地區(qū)，屬退耕還林區(qū)，資源匱乏，過度依賴生物質(zhì)能。

2.2.3.1 甘肅省張掖市甘州區(qū)大滿鎮(zhèn)四號(hào)村調(diào)研內(nèi)容

①調(diào)研地區(qū)農(nóng)村建筑特征

張掖市地處祁連山及黑河流域腹地，地下水資源豐富，所以各住宅冬季供暖熱源大多采用地下水水源熱泵系統(tǒng)。

②調(diào)研地區(qū)用能情況分析調(diào)查情況

a.燒水做飯的能源消耗方式

由于農(nóng)村電能已經(jīng)很普及，大多用戶在燒水做飯用電能。另有相當(dāng)一部分住戶使用薪柴和煤，平房居民冬季都用煤爐燒水做飯，夏天會(huì)使用電能，使用液化氣的住戶較少。

b.冬季采暖的能源消耗概況

住宅采用地源熱泵采暖，室內(nèi)采暖主要使用煤，燒炕采用柴草、秸稈等“無成本”生物質(zhì)能。由此，電、煤和薪柴為當(dāng)?shù)氐闹饕≌茉础?/p>

③調(diào)查結(jié)論

該農(nóng)村住戶為多種能源并存的復(fù)雜能源使用結(jié)構(gòu)，在較低生活水平條件下，住宅用能主要取決于當(dāng)?shù)刭Y源的可獲得量，而能源消費(fèi)主要用于人的生存需要，家庭消費(fèi)的能源中生物質(zhì)能（秸桿、薪柴），一般不需要花費(fèi)支出。

2.2.4 總體調(diào)研結(jié)論

①目前在調(diào)研的鄉(xiāng)村中，有一部分已經(jīng)開始使用太陽能作為熱水和供暖的方式，農(nóng)村居民對(duì)于太陽能的認(rèn)識(shí)相對(duì)于其他的可再生能源了解的更多，推廣的難度更低。

②政府頒布的一系列美麗鄉(xiāng)村清潔能源補(bǔ)貼政策推動(dòng)了太陽能在農(nóng)村的普及，同時(shí)也可以幫助農(nóng)村居民減輕購置太陽能設(shè)備的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，從而減輕農(nóng)村居民對(duì)于價(jià)格方面的憂慮。

3 典型建筑的冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 新建建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 建筑概況

本工程為合肥市某新式農(nóng)村住宅，該建筑位于安徽省合肥市，總占地面積約277.2m2/戶，空調(diào)面積為142.62m2/戶，地上共2層，總高度6.6m，每層層高為3.3m。

3.1.2 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.2.1 系統(tǒng)1——太陽能供暖、制冷、熱水一體化系統(tǒng)

該系統(tǒng)冬季熱負(fù)荷由太陽能集熱器承擔(dān)，直接制取熱水供給用戶采暖，夏季由熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)承擔(dān)冷負(fù)荷，熱水由太陽能集熱器制取。制冷機(jī)制取7℃冷水送至末端。

圖1 建筑立面圖

圖2 建筑平面圖

其次，由空氣源熱泵作為備用冷熱源，在太陽能無法滿足需求時(shí)，滿足用戶的需求量。冬夏季所需生活熱水由太陽能集熱器承擔(dān)，并且在冬季，用空氣源熱泵兼做生活熱水的補(bǔ)充熱源。而在夏季，根據(jù)實(shí)際考慮，太陽能集熱器絕大部分條件下可以滿足生活熱水需求，故不需要其他熱源做夏季生活熱水補(bǔ)充。

冬季運(yùn)行時(shí)，如圖3所示，關(guān)閉閥2和閥3，使太陽能供水和用戶回水不經(jīng)過溴化鋰制冷機(jī)；開啟閥1和閥4，使太陽能供熱水直接流向用戶末端，末端回水直接流回太陽能集熱器。在太陽能集熱器供熱不足時(shí)，電動(dòng)閥1和電動(dòng)閥2自動(dòng)開啟，由風(fēng)冷熱泵補(bǔ)充用戶需熱量。

夏季運(yùn)行時(shí)，如圖3所示，關(guān)閉閥1，開啟閥2，使太陽能集熱器熱水流入溴化鋰吸收式制冷機(jī)，換熱后流回太陽能集熱器。開啟閥3，關(guān)閉閥4，使末端回水經(jīng)溴化鋰制冷機(jī)冷卻至7℃。在系統(tǒng)制冷量不足時(shí)，電動(dòng)閥1和電動(dòng)閥2自動(dòng)開啟，由風(fēng)冷熱泵補(bǔ)充用戶所需冷量。

圖3 系統(tǒng)1系統(tǒng)平面圖

3.1.2.2 系統(tǒng)2——太陽能供暖、熱水一體化系統(tǒng)

冬季由太陽能集熱器承擔(dān)熱負(fù)荷，直接制取熱水供給用戶采暖，夏季由空氣源熱泵承擔(dān)冷負(fù)荷。夏冬季均由太陽能集熱器供給生活熱水。

其次，在太陽能無法滿足需求時(shí)，由空氣源熱泵作為補(bǔ)充熱源；并且在冬季，用空氣源熱泵兼做生活熱水的補(bǔ)充熱源。

冬季機(jī)房設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如圖4所示，關(guān)閉閥1、閥2、閥3，打開閥4、閥5。夏季機(jī)房設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如圖3-4 所示，關(guān)閉閥 3、閥 4、閥 5，打開閥 1、閥 2。

圖4 系統(tǒng)2系統(tǒng)平面圖

3.1.3 經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)合肥地區(qū)情況，以電費(fèi)單價(jià)0.56元/kW·h為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算，如下表所示。

系統(tǒng)1和分體式空調(diào)比較 表1

系統(tǒng)2和分體式空調(diào)比較 表2

3.1.4 方案總結(jié)

根據(jù)表1和2可知，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的初投資高，但是年運(yùn)行費(fèi)用較分體式空調(diào)低；且系統(tǒng)1投資回收期約13年，系統(tǒng)2約3年。但考慮到太陽能的環(huán)保效益，并結(jié)合調(diào)研報(bào)告可得，如果國家進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，農(nóng)村家庭對(duì)于系統(tǒng)2的可接受程度較高。但如若空地較小且政府補(bǔ)貼較少，或風(fēng)冷熱泵使用局限性大，考慮到設(shè)備的使用壽命和實(shí)際使用情況，可考慮夏季使用分體式空調(diào)，冬季使用太陽能系統(tǒng)。

3.2 既有建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 建筑概況

該建筑位于安徽省合肥市，建筑總占地面積289m2，空調(diào)區(qū)域面積132.21m2，地上一層，房屋高度5.1m,房頂坡度22.5°，屋檐距地面高度3.3m。

圖5 建筑平面圖

圖6 建筑剖面圖

3.2.2 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.2.1 系統(tǒng)3——太陽能供暖、制冷、熱水一體化系統(tǒng)

圖7 系統(tǒng)3原理圖

夏季運(yùn)行工況：

①太陽能充足時(shí)，閥 1、2、3、4 關(guān)閉，閥 5、6、7、8開啟。太陽能集熱器制取95℃的熱水，經(jīng)水箱換熱后，溫度降低到90℃，熱水進(jìn)入溴化鋰機(jī)組。經(jīng)溴化鋰機(jī)組溫降至80℃，后進(jìn)入太陽能集熱器后再加熱。

溴化鋰機(jī)組制取7℃的冷水進(jìn)入房間換熱，溫升至12℃返回溴化吸收式制冷機(jī)再冷卻。

其次，自來水在水箱中換熱后，作為生活熱水送入廚房和盥洗室。

②太陽能不足時(shí)，閥 3、4、5、6、8 開啟，其余閥關(guān)閉。風(fēng)冷熱泵承擔(dān)冷負(fù)荷。而太陽能集熱器只承擔(dān)生活熱水負(fù)荷。

冬季運(yùn)行工況：

①太陽能充足時(shí)，閥7關(guān)閉，其余閥開啟。太陽能集熱器制取95℃的熱水，經(jīng)水箱換熱制取生活熱水后，溫度降低到90℃后送入室內(nèi)采暖。

②太陽能不足時(shí)，閥 1、2、3、4、6、8 開啟，其余閥關(guān)閉。風(fēng)冷熱泵制取熱水，經(jīng)水箱換熱制取生活熱水后，送入室內(nèi)采暖。

3.2.2.2 系統(tǒng)4——太陽能供暖、熱水一體化系統(tǒng)

圖8 系統(tǒng)4原理圖

系統(tǒng)4采用太陽能集熱器承擔(dān)全年采暖及生活熱水負(fù)荷，風(fēng)冷熱泵承擔(dān)冷負(fù)荷及冬季采暖、生活熱水的輔助熱源，夏季采用風(fēng)冷熱泵制取冷水，供給用戶端風(fēng)機(jī)盤管；冬季直接采用熱管式真空管集熱器制取最高95℃熱水，通過蓄熱水箱換熱供給生活熱水，同時(shí)降溫后送入室內(nèi)采暖。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)合肥地區(qū)情況，以電費(fèi)單價(jià)0.56元/kW·h為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算，如下表所示。

系統(tǒng)3、系統(tǒng)4與分體式空調(diào)經(jīng)濟(jì)性分析 表3

3.2.4 總結(jié)

經(jīng)過上述兩種方案的經(jīng)濟(jì)性分析，系統(tǒng)3投資回收期約9年，系統(tǒng)4投資回收期約3年。

①系統(tǒng)3初投資較大，約為20萬元，其在農(nóng)村地區(qū)推廣存在很大的經(jīng)濟(jì)阻力。另外，由于溴化鋰吸收式制冷機(jī)運(yùn)行過于復(fù)雜，在使用太陽能制取的熱水驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要熱水溫度達(dá)到一定的水溫才行，啟動(dòng)時(shí)間具有相當(dāng)?shù)臏笮?，不適合在農(nóng)村住宅這種需要即開即用的場(chǎng)合。因此不推薦使用這種系統(tǒng)。

②系統(tǒng)4初投資回收期約為3年，初投資金額小。另外，隨著國家近些年來對(duì)太陽能技術(shù)應(yīng)用的大力扶持和補(bǔ)貼，投資成本將會(huì)進(jìn)一步降低?？紤]到太陽能系統(tǒng)巨大的環(huán)保、節(jié)能優(yōu)勢(shì)，推薦在農(nóng)村住宅中采用這種系統(tǒng)形式。

4 結(jié)論

①在有推廣使用太陽能資源的天然條件的地區(qū)使用太陽能供暖、熱水一體化系統(tǒng)（系統(tǒng)2、系統(tǒng)4）運(yùn)行較可靠，彌補(bǔ)了太陽能間歇性、不穩(wěn)定性方面的缺陷。

②近年小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)研發(fā)力度逐步加大，適合低負(fù)荷住宅（如鄉(xiāng)村建筑）的配套使用，并有著良好的推廣條件。但小機(jī)組的性價(jià)比較低，COP值也比較低，若采用獨(dú)戶供應(yīng)，初投資較高。相反，采用集中式供應(yīng)可節(jié)約設(shè)備占地面積、設(shè)備運(yùn)行效率較高、并可使用較大型吸收式機(jī)組，但存在各戶計(jì)費(fèi)及運(yùn)行平衡問題，后期調(diào)節(jié)工作繁雜。具體采用的供應(yīng)形式應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r考慮。

③通過上文經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案初投資均較高，在農(nóng)村地區(qū)均存在推廣的經(jīng)濟(jì)阻力，但能耗及運(yùn)行費(fèi)用較低；而采用太陽能僅供暖+生活熱水的方式（系統(tǒng)2、4），回收周期約為3年。另一方案回收周期為前者的3～4倍。因此對(duì)于夏季制冷需求不強(qiáng)的地區(qū)，推薦使用供暖加生活熱水的方式。

④系統(tǒng)的節(jié)能減排效益顯著。經(jīng)估計(jì)，冬季太陽能空調(diào)節(jié)約的一次能源消耗量約為傳統(tǒng)空調(diào)的40%，全年節(jié)約的一次能源消耗量約為傳統(tǒng)空調(diào)的10.7%。太陽能空調(diào)在冬天供暖+生活熱水的方式上顯示強(qiáng)大生命力，表現(xiàn)了太陽能空調(diào)綠色、節(jié)能、環(huán)境友好的巨大優(yōu)勢(shì)，符合十八大進(jìn)一步推進(jìn)生態(tài)文明和美麗中國建設(shè)的要求。

⑤黨和國家對(duì)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的高度重視，為推進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)各地實(shí)行“太陽能+供暖”的政府補(bǔ)貼。國內(nèi)部分地區(qū)已推出實(shí)行太陽能加熱泵輔熱供暖的全額初投資補(bǔ)貼及一個(gè)采暖季的運(yùn)行補(bǔ)貼。極大解決了太陽能系統(tǒng)初投資高的問題，在國家政策的幫助下，太陽能綜合利用系統(tǒng)將成為鄉(xiāng)村建設(shè)的優(yōu)選能源。