魏顯文，許中璞，劉吉仁

(武威職業(yè)學(xué)院，武威 733000)

0 引 言

我國西北地區(qū)太陽能資源豐富，日照時(shí)間長，具備良好的太陽能資源利用條件，該地區(qū)農(nóng)村房屋多為一層平頂房，在屋頂安置太陽能集熱器尤為便捷，文中設(shè)計(jì)的供暖系統(tǒng)用于西北地區(qū)農(nóng)村居住建筑的供暖，旨在提高農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適水平和降低房屋冬季采暖能耗。供暖系統(tǒng)既可以用來供暖，又可以用來供應(yīng)生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放，對(duì)切實(shí)推進(jìn)低碳新農(nóng)村建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有積極意義。

1 西北地區(qū)農(nóng)村供暖現(xiàn)狀

我國西北地區(qū)地域廣，農(nóng)村房屋建筑相對(duì)分散，冬季比較寒冷，平均氣溫在零下十度左右，采暖周期長達(dá)半年之久，供暖問題繼而成為老百姓切為關(guān)注的話題。

1.1 房屋建筑概況

近年來，隨著新農(nóng)村建設(shè)步伐的加快，我國西北地區(qū)農(nóng)村面貌煥然一新，曾經(jīng)的土墻危房變成了一排排整齊的四合院，老百姓的日子越來越好，隨之對(duì)生活質(zhì)量的追求也逐步提升，尤其是對(duì)供暖舒適度和環(huán)境要求有了新的標(biāo)準(zhǔn)。目前西北地區(qū)新農(nóng)村房屋建筑以磚瓦房為主，多為一層平頂房，建筑面積在100至200平米之間?？紤]到房屋建筑成本，大多數(shù)房屋在屋頂鋪設(shè)10～20 mm的爐渣，用于防漏水和增加屋頂保溫性能，有部分經(jīng)濟(jì)差的農(nóng)戶沒有做任何的保溫措施，僅僅用水泥和砂石漿涂刷墻體，保溫效果很不理想。

1.2 農(nóng)村供暖現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)家庭依然采用燃煤爐、火炕和電炕為主的供暖方式。由于涉及到燒水做飯，燃煤爐的幾乎家家使用，主要燃燒原料以煤炭為主，通過煤炭燃燒將熱量散發(fā)到室內(nèi)，煙氣通過煙筒排放到室外。這種燃煤爐使用簡單，但存在很多危害。如煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體被排放至空氣中嚴(yán)重污染空氣；燃煤爐一旦操作不當(dāng)，就會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫，引起中毒造成生命危害；燃煤爐的體積較小，大量的熱能被排放的室外，室內(nèi)溫度僅限于燃煤爐周圍，其它房價(jià)溫度依然很低，供暖效果不佳?；鹂皇且糜谝归g睡覺取暖，在房屋外部設(shè)立一個(gè)煙道，放入秸稈、稻草等原料，通過燃燒將炕加熱，室內(nèi)溫度能達(dá)到十度左右，相對(duì)燃煤爐而言，燃燒成本較低，缺點(diǎn)是要頻繁的添加燃料，燃燒產(chǎn)生的熱能較低，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的空氣污染，取暖方面有受熱不均的現(xiàn)象，往往都是中間熱，兩頭涼。電炕是一種以炭纖維遠(yuǎn)紅外電熱板為主要材料敷設(shè)在炕上，通過電流加熱的取暖方式，相對(duì)火炕要干凈很多，受熱均勻，還可以進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，類似電熱毯一樣，但需要花費(fèi)一定的電費(fèi)為代價(jià)?，F(xiàn)在地方政府有相應(yīng)的電價(jià)補(bǔ)償，是目前收到農(nóng)戶青睞的一種夜間取暖方式。

2 可再生能源多元化發(fā)展

2.1 生物質(zhì)能應(yīng)用現(xiàn)狀

生物質(zhì)能屬于綠色可再生能源，污染很低，發(fā)展包含生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源不僅能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且有助于減輕溫室效應(yīng)和生態(tài)良性循環(huán)，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)境問題的重要途徑之一。生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是在一定溫度和壓力作用下，把木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀，塊狀或顆粒狀等成型燃料。木質(zhì)、棉桿和玉米秸稈為原材料的3種燃料NO 排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。在我國北方農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)能源和太陽能資源豐富，燃料運(yùn)輸成本較低，綠色環(huán)保的生物質(zhì)鍋爐作為太陽能的輔助熱源，對(duì)形成具有清潔、舒適、可持續(xù)的農(nóng)村供暖模式，有著重要的意義，與煤相比，生物質(zhì)固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環(huán)境效益巨大。

2.2 太陽能應(yīng)用現(xiàn)狀

太陽能是目前我國可再生能源利用最為廣泛的一中清潔能源，尤其是分布式發(fā)電系統(tǒng)在西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要作用。通過分析我國太陽能資源分布圖可以看出，西北地區(qū)為太陽能資源豐富區(qū)，年日照時(shí)數(shù)達(dá)3000多小時(shí)，短期儲(chǔ)熱系統(tǒng)太陽能保證率可達(dá)50%左右。

3 供暖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國家“農(nóng)村地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中的規(guī)定，在冬季采暖期，供暖系統(tǒng)可以安全高效穩(wěn)定的運(yùn)行，滿足房屋建筑的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷要求，保證用戶的生活熱水水量和水質(zhì)，盡可能的提高太陽能集熱效率，保證初次投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。根據(jù)以上要求，總體設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)基于太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)每個(gè)部件進(jìn)行合理的選型和校驗(yàn)，從而保證室內(nèi)溫度和暖氣片熱水溫度的動(dòng)態(tài)平衡。

西北地區(qū)太陽能資源豐富，新農(nóng)村標(biāo)準(zhǔn)住宅建筑負(fù)荷較小，且人體熱舒適可接受范圍較寬，利用太陽能采暖行之有效。采用模塊式設(shè)計(jì)理念，基于太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)由太陽能集熱模塊、新型燃爐模塊、保暖蓄水箱模塊和智能控制系統(tǒng)模塊四部分組成。

3.1 太陽能集熱器選型

太陽能集熱器主要是以采集太陽輻射能量對(duì)自來水進(jìn)行加熱的過程，是太陽能供暖系統(tǒng)中的核心部分，會(huì)影響到整個(gè)供暖系統(tǒng)的供熱效果。目前，市場上常見的集熱器有平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器兩種形式，如圖1所示。

平板型太陽能集熱器與真空管型太陽能集熱器相比，平板型太陽能集熱器的涂層效率要高，本身具有防凍設(shè)計(jì)，因此更適合與寒冷地區(qū)使用。由于其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定安裝便捷，日常維護(hù)簡單，具有一定的承壓能力，尤其在冬季，西北地區(qū)降雪量較大，厚厚的積雪覆蓋在集熱器上面，形成壓力，而真空管集熱器容易破損，平板型太陽能集熱器使用壽命也高于真空管集熱器，基于以上分析比較，本設(shè)計(jì)中采用平板型集熱器。

太陽能集熱器的工作原理是自來水先經(jīng)太陽能集熱器加熱后進(jìn)入蓄熱水箱，熱水再與水箱內(nèi)的水進(jìn)行換熱，整個(gè)蓄水箱溫度達(dá)標(biāo)后通過循環(huán)水泵送入敷設(shè)的暖氣管道進(jìn)入各個(gè)房間進(jìn)行供暖。

3.2 新型燃爐設(shè)計(jì)

太陽能作為一種清潔能源雖然具有利用成本低、周期長等優(yōu)點(diǎn)，但受到雨雪天氣、陰天等自然條件的限制影響，到達(dá)地面的熱量大幅降低。因此，在特殊天氣情況下，需要通過新型燃爐進(jìn)行輔助供暖，晴朗白天太陽輻照量高時(shí)太陽能集熱器吸收熱量，水箱蓄熱，陰天或雨雪氣候時(shí)，輔助熱源對(duì)熱量進(jìn)行補(bǔ)充，讓整個(gè)采暖期室內(nèi)溫度得以保證，兩者切換使用降低了農(nóng)戶的采暖成本。

新型燃爐含有生物質(zhì)顆粒投放口、排煙口、熱水出口、回水口、溫度檢測與水位檢測口、落灰桿等部分組成。新型燃爐是一種將生物質(zhì)顆粒放在爐排上進(jìn)行火床燃燒，利用空氣流使生物質(zhì)顆粒高速旋轉(zhuǎn)并強(qiáng)烈火燒，固體生物質(zhì)顆粒經(jīng)與氣體接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)，這種流化過程用于燃燒產(chǎn)生熱量，如圖2所示，新型環(huán)保采暖爐是以生物質(zhì)顆粒作為燃料的燃具，生物質(zhì)顆粒原料來源是玉米秸稈、麥秸、稻草、樹葉等農(nóng)作物，比較環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)生物資料的回收以及再利用。新型環(huán)保采暖爐煙筒排煙時(shí)的熱空氣和爐體輻射散熱作為補(bǔ)償供暖，在冬季使用火爐供暖的同時(shí)也可以用來做飯。

3.3 保溫蓄水箱設(shè)計(jì)

西北地區(qū)冬季室外溫度較低，蓄熱水箱若放置于室外，則熱量損傷占比較高，不利于熱水儲(chǔ)存，文中將蓄熱水箱放置到廚房，減小蓄熱水箱中熱水的夜間熱損失，在水箱外圍敷設(shè)電熱伴，達(dá)到24小時(shí)保溫效果，使得熱損失達(dá)到最小化，如圖3所示。

3.4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)是一個(gè)完整的閉環(huán)運(yùn)行模式，熱水在集熱器、水箱、管道、暖氣片之間循環(huán)，始終保持室內(nèi)溫度在一定的是適度內(nèi)。智能控制系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控，將太陽能集熱器出水口溫度傳感器與保暖水箱水溫傳感器所采集數(shù)據(jù)傳送到主控，根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)相關(guān)閥門達(dá)到適宜水溫，控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

4 仿真測試

通過TRNSYS軟件分別對(duì)西北地區(qū)農(nóng)村房屋進(jìn)行負(fù)荷和太陽能與新型燃爐互補(bǔ)供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)效性。

選取甘肅省涼州區(qū)的冬季室外逐時(shí)溫度、逐時(shí)濕度及逐時(shí)太陽輻射量為基準(zhǔn)，進(jìn)行當(dāng)?shù)剞r(nóng)村建筑負(fù)荷模擬，如圖5所示。

圖中基本單元有氣象數(shù)據(jù)Type109-TMY2,天空溫度，焓濕圖，控制器Type2b。通過不斷獲取氣象數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)天空溫度與焓濕圖數(shù)據(jù)后將其傳輸至建筑模型，反饋至控制器進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑采暖量進(jìn)行有效控制，然后考慮到光閥的影響因素，進(jìn)而氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)，最后得到當(dāng)前模擬情況下的熱量圖。其模擬時(shí)間為6 552 h，可得模擬時(shí)間范圍內(nèi)符合最大為3.5 kW,如圖6所示。

同時(shí)對(duì)基于太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，建立太陽能集熱器(Type1b)、熱循環(huán)泵(Type3b)、新型燃爐熱源泵(Type665-1)、蓄熱水箱(Type4c)等模型部件，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

工作模式為太陽能集熱器熱水系統(tǒng)能夠滿足用戶供暖需求時(shí)，新型燃爐熱源系統(tǒng)關(guān)閉,太陽能集熱系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)全部負(fù)荷，當(dāng)太陽能不足時(shí)，新型燃爐熱源系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)償供暖。太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)運(yùn)行獲得水箱溫度波形圖如圖8所示。

通過上圖可見，太陽能輻射強(qiáng)度變化時(shí)的供水溫度有所波動(dòng)，采暖季剛開始由于蓄熱水箱工作有延遲，再者收到太陽輻射角度的影響，太陽能集熱器所得輻射能量較小，開始的供水溫度較低，然后水溫持續(xù)上升至基本穩(wěn)定，在整體仿真時(shí)間段所獲得的最佳溫度達(dá)到80度，基本符合供暖需求。

5 結(jié)束語

太陽能資源是可再生能源的一個(gè)重要領(lǐng)域，西北地區(qū)具有得天獨(dú)厚的太陽能資源，根據(jù)國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)意見，研究和開發(fā)基于太陽能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)具有一定的價(jià)值，文中重點(diǎn)分析了我國西北地區(qū)農(nóng)村冬供暖的現(xiàn)狀，提出了以太陽能集熱器為主，新型燃爐為輔的一種互補(bǔ)的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，分別對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，通過相關(guān)仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能滿足基本供暖需求，對(duì)今后農(nóng)村供暖改造工程提供了行之有效的技術(shù)方案和策略。系統(tǒng)應(yīng)用后太陽能既可用來采暖，又可以用來供應(yīng)生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放?；谔柲芗療崞髋c新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)的使用符合西北地區(qū)農(nóng)民生活習(xí)慣，不但有效減少污染排放和一次能源的浪費(fèi)，而且對(duì)切實(shí)推進(jìn)低碳新農(nóng)村建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有積極意義。