翟華維，劉紹忠

(德州市建筑規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，德州 253000)

0 引言

山東省農(nóng)村地區(qū)的現(xiàn)有房屋大多數(shù)是單層建筑，通常外墻是厚度為240 mm或370 mm的磚墻，屋面也未做保溫隔熱措施，門、窗分別為單層木門和單層玻璃窗。此種建筑的體形系數(shù)大、窗墻面積比大、建筑能耗高。所以，筆者認(rèn)為對(duì)農(nóng)村房屋進(jìn)行采暖改造的前提是先對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造。

目前，山東省農(nóng)村地區(qū)的室內(nèi)采暖方式主要是燃燒原煤或蜂窩煤的采暖爐、燃燒秸稈或煤的火炕，以及以燃煤爐為熱源的土暖氣[1]；而且部分家庭將采暖與做飯合為一體。傳統(tǒng)采暖方式不僅導(dǎo)致室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量差，而且造成了室外大氣污染，尤其近幾年，每當(dāng)我國(guó)北方采暖地區(qū)進(jìn)入采暖季就會(huì)出現(xiàn)大范圍霧霾天氣，而造成霧霾天氣的主要原因之一便是采暖煤燃燒排放的硫化物。

為治理冬季霧霾天氣，改善空氣質(zhì)量，我國(guó)北方各地針對(duì)農(nóng)村房屋采暖相繼出臺(tái)了“煤改電”“煤改氣”的鼓勵(lì)政策，通過鼓勵(lì)政策的引導(dǎo)，相繼完成了一大批“煤改電”“煤改氣”項(xiàng)目。但這些項(xiàng)目同樣也存在弊端，比如“煤改電”項(xiàng)目必須配合農(nóng)村配電網(wǎng)的升級(jí)改造，“煤改氣”項(xiàng)目必須在農(nóng)村鋪設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)；而改造配電網(wǎng)和鋪設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)的造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)，并且我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的居住區(qū)較為分散，為改造配電網(wǎng)或鋪設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)增加了難度。而且即使“煤改電”或“煤改氣”項(xiàng)目改造完成，多數(shù)居民用戶也無(wú)力承擔(dān)較高的用電或用氣費(fèi)用。

相較于上述采暖方式，利用太陽(yáng)能和生物質(zhì)能采暖都屬于新型采暖方式。山東省農(nóng)村地區(qū)屬于Ⅲ類太陽(yáng)能資源區(qū)，年太陽(yáng)輻射量均在3780 MJ/m2以上；同時(shí)，該地區(qū)的房屋多為單層建筑，建筑屋頂可為太陽(yáng)能集熱器的安裝提供足夠的空間，且不存在高層建筑遮擋陽(yáng)光的情況，為山東省農(nóng)村地區(qū)利用太陽(yáng)能資源提供了有利條件。與此同時(shí)，山東省農(nóng)村地區(qū)擁有豐富的植物秸稈資源，近年來(lái)以植物秸稈為基礎(chǔ)迅速發(fā)展起來(lái)的生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)燃燒爐制造技術(shù)為該地區(qū)利用生物質(zhì)能采暖提供了技術(shù)和產(chǎn)品支撐。本文介紹了在濟(jì)南農(nóng)村地區(qū)建造的采用太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的建筑模型[2]，并對(duì)此聯(lián)合采暖系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

1 太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)是將太陽(yáng)能集熱器和生物質(zhì)采暖爐相結(jié)合，從而可保證采暖系統(tǒng)的供水水溫，并將熱水儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，然后通過輸配系統(tǒng)將熱水供給采暖末端，對(duì)建筑物進(jìn)行供暖[3]。本文介紹的太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、水泵、儲(chǔ)熱水箱、地板輻射散熱系統(tǒng)、生物質(zhì)采暖爐及控制系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

1.1 太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器是一種將吸收的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備[4]，根據(jù)類型不同，其主要包括平板型和真空管型。在我國(guó)，真空管型太陽(yáng)能集熱器首先得到了快速發(fā)展，市場(chǎng)占有率曾一度超過90%；然而由于平板型太陽(yáng)能集熱器具有故障率低、易與建筑結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)也得到了快速發(fā)展。2種太陽(yáng)能集熱器的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

圖1 太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of solar and biomass energy combined heating system

表1 2種太陽(yáng)能集熱器的特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of characteristics of two kinds of solar collectors

綜合考慮上述2種太陽(yáng)能集熱器的特點(diǎn)后，本文的太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)選用平板型太陽(yáng)能集熱器。

1.2 生物質(zhì)采暖爐

生物質(zhì)采暖爐是指以秸稈、薪柴等農(nóng)村廢棄物顆粒為燃料的采暖鍋爐[5]。在農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)采暖爐所使用燃料的來(lái)源廣泛、成本低。目前我國(guó)生物質(zhì)采暖爐的發(fā)展速度非常快，市場(chǎng)上已形成系列化產(chǎn)品，其燃燒效率已高達(dá)80%以上，且污染物排放少[6]。普通民用生物質(zhì)采暖爐的價(jià)格已降至約4500元，并已有幾十個(gè)生物質(zhì)能采暖示范工程。山東省農(nóng)村地區(qū)豐富的秸稈資源可為生物質(zhì)采暖爐的應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。

1.3 聯(lián)合采暖系統(tǒng)末端

太陽(yáng)能集熱器屬于低溫?zé)嵩丛O(shè)備，其集熱效率與集熱器進(jìn)口溫度有重要關(guān)系。根據(jù)GB/T 4271-2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》，太陽(yáng)能集熱器集熱效率ηcd可表示為：

式中，x為歸一化溫差，(m2·℃)/W；c0為光學(xué)性能效率值，無(wú)量綱；c1為線性熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；c2為二次項(xiàng)熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；G為太陽(yáng)輻照度，W/m2。

其中，

式中，Ti為集熱器進(jìn)口溫度，℃；Ta為環(huán)境空氣溫度，℃。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)集熱器進(jìn)口溫度從40℃升到50 ℃，再升到60 ℃時(shí)，集熱器的集熱效率分別為48%、41%、34%，則集熱器進(jìn)口溫度每增加10℃，集熱效率降低7%。因而在綜合考慮集熱器的集熱效率特性曲線后，選擇低溫的地板輻射散熱系統(tǒng)作為太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的末端，以達(dá)到系統(tǒng)的整體高效性。

2 建筑模型

以濟(jì)南農(nóng)村地區(qū)典型的單層建筑為例，該建筑的房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用節(jié)能材料，并采取了節(jié)能措施。

2.1 建筑介紹

該建筑為長(zhǎng)15 m、寬7 m、高3 m的單層建筑，其南側(cè)外窗的尺寸為1.5 m×1.8 m，北側(cè)外窗的尺寸為1.2 m×0.6 m；中間外門的尺寸為1.5 m×2.1 m，兩側(cè)外門的尺寸為1.0 m×2.1 m。建筑平面圖如圖2所示。

該建筑外墻采取保溫措施，外門、外窗選取節(jié)能型產(chǎn)品，建筑材料及傳熱系數(shù)信息如表2所示。

圖2 建筑的平面圖Fig. 2 Plan view of building

表2 建筑材料及傳熱系數(shù)信息Table 2 Information of building materials and heat transfer coefficient

根據(jù)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)和濟(jì)南的氣候條件進(jìn)行耗熱量計(jì)算，結(jié)果顯示，該建筑的日采暖總耗熱量為232.98 MJ。

2.2 太陽(yáng)能集熱器總面積的計(jì)算

根據(jù)GB 50495-2019《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》中的式(5.2.2-1)，計(jì)算太陽(yáng)能集熱器的總面積Ac，即：

式中，QH為建筑物耗熱量，MJ；JT為濟(jì)南當(dāng)?shù)靥?yáng)能集熱器采光面上12月的日均太陽(yáng)輻照量，MJ/(m2·d)，取 13.854 MJ/(m2·d)；f為太陽(yáng)能保證率，本文取0.4；ηcd本文取0.41；ηL為儲(chǔ)熱水箱和管路的熱損失率，本文取0.18。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)，可得到太陽(yáng)能集熱器的總面積為20 m2。

2.3 主要設(shè)備選型

根據(jù)建筑的日采暖總耗熱量及太陽(yáng)能集熱器總面積，并綜合考慮太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的短期蓄熱特性后，決定了主要設(shè)備的選型為：10臺(tái)尺寸為2 m×1 m的平板型太陽(yáng)能集熱器、1臺(tái)15 kW的自動(dòng)化生物質(zhì)采暖爐、1臺(tái)500 L內(nèi)帶換熱盤管的承壓型儲(chǔ)熱水箱、2臺(tái)水泵、1套控制系統(tǒng)等。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于本文中的建筑模型而言，無(wú)論采用何種采暖方式，地板輻射散熱系統(tǒng)作為采暖末端，為必須安裝的裝置，因此，進(jìn)行聯(lián)合采暖系統(tǒng)各項(xiàng)投資分析時(shí)，未對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表3所示。

表3 聯(lián)合采暖系統(tǒng)各項(xiàng)投資概況Table 3 Overview of various system investments of combined heating system

由表3可知，不含地板輻射散熱系統(tǒng)時(shí)，太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的投資約為2.73萬(wàn)元。

將太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)與電鍋爐、普通燃煤鍋爐及燃?xì)忮仩t等傳統(tǒng)采暖方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，如表4所示。由于太陽(yáng)能集熱器的運(yùn)行費(fèi)用很低，因此未將其計(jì)入聯(lián)合采暖系統(tǒng)的年采暖運(yùn)行費(fèi)用中。

表4 不同采暖方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 4 Economic comparison of different heating methods

由表4可知，雖然太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的初投資較高，但其年綜合運(yùn)行費(fèi)用低于電鍋爐，稍高于燃?xì)忮仩t和普通燃煤鍋爐。而且在春、夏、秋季的生活熱水運(yùn)行費(fèi)用方面，采用太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)與采用電鍋爐、普通燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t相比，每年可分別節(jié)省1254、473、645元，顯然該聯(lián)合采暖系統(tǒng)在這方面具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。但往往太陽(yáng)能集熱器面積較大時(shí)，其所吸收的太陽(yáng)能熱量又遠(yuǎn)大于春、夏、秋季生活熱水的需熱量，造成部分太陽(yáng)能熱量在此期間被浪費(fèi)，因此可以適當(dāng)調(diào)整太陽(yáng)能保證率來(lái)增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文以濟(jì)南農(nóng)村地區(qū)某個(gè)典型單層建筑為例，對(duì)房屋節(jié)能改造后采用太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，雖然該系統(tǒng)的初投資較高，但其全年綜合運(yùn)行費(fèi)用低于電鍋爐，稍高于燃?xì)忮仩t和普通燃煤鍋爐。

太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖系統(tǒng)利用清潔的太陽(yáng)能和農(nóng)村秸稈顆粒為能源，在減輕農(nóng)村冬季環(huán)境污染的同時(shí)增加了農(nóng)民農(nóng)作物秸稈的經(jīng)濟(jì)收入。雖然該聯(lián)合采暖系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但其目前還存在一些問題，比如太陽(yáng)能受天氣影響大、生物質(zhì)顆粒燃燒技術(shù)還未形成完善的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，農(nóng)民家庭仍難承受運(yùn)行費(fèi)用等。盡管如此，相信隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，上述問題都將一一得到解決。