許登科，桂佩佩，韓文童，肖莉貞，李曉樂

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 雙熱源模式

太陽能是一種清潔的可再生能源。我國屬于太陽能資源較豐富的國家，全國地表年接收的太陽總輻射能可達(dá)5×1019kJ，相當(dāng)于 2.4×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤的儲量。其中，一類地區(qū)為資源豐富帶，全年輻射量在6 700～8 300 MJ/m2，區(qū)域包括青藏高原、甘肅中北部、寧夏、新疆南部、內(nèi)蒙古南部、青海東部、西藏東南部等地。二類地區(qū)為資源較豐富帶，全年輻射量在5 400～6 700 MJ/m2，區(qū)域包括山東、河南、河北東南部、吉林、遼寧、云南、陜西北部等地。三類地區(qū)為資源一般帶，全年輻射量在4 200～5 400 MJ/m2，主要指長江中下游、浙江、福建和廣東的一部分地區(qū)，秋冬季太陽能輻射量尚可。據(jù)資料統(tǒng)計分析，我國太陽能資源相對較好的地區(qū)超過2/3以上的國土面積，年日照時間大于2 200 h，為太陽能用于建筑供暖提供良好條件。

我國從2003年開始至今，共投資55億元支持農(nóng)村沼氣建設(shè)，全國農(nóng)村沼氣用戶超過2 200萬戶。發(fā)展農(nóng)村沼氣，不僅能解決農(nóng)民生活用熱、緩解國家能源供應(yīng)壓力，而且能防止秸稈焚燒、保護(hù)生態(tài)環(huán)境；既能改善農(nóng)村衛(wèi)生狀況、提高農(nóng)民生活水平，又能推動新時代化的農(nóng)村建設(shè)。以沼氣池工程建設(shè)帶動農(nóng)村改圈、改廚、改廁，大力推動沼氣工程與農(nóng)村改水、太陽能光熱利用等相結(jié)合，切實促進(jìn)農(nóng)村生產(chǎn)和生活方式的轉(zhuǎn)變。近年來，政府在農(nóng)村大力實施秸稈禁燒的政策，對政策支持者給予財政補助，因此，以秸稈作為生物質(zhì)的沼氣能源得到迅猛發(fā)展，沼氣成為了農(nóng)村新的生活熱源。如何將這兩種清潔能源結(jié)合用于農(nóng)村地區(qū)冬季采暖，是能源應(yīng)用方面的一個新課題。

2 采暖設(shè)備

為了更充分地利用太陽能的熱量，系統(tǒng)采用傳熱性能高、水溫要求低的毛細(xì)管輻射采暖末端。毛細(xì)管供暖技術(shù)是德國工程師于20世紀(jì)70年代發(fā)明的一種利用低溫輻射控制室內(nèi)環(huán)境的技術(shù)。利用仿生學(xué)原理，模仿植物的葉脈和人體皮膚下的血管，由3.4 mm×0.55 mm或4.33 mm×0.8 mm的PP-R聚丙烯毛細(xì)管組成間距在10～30 mm的網(wǎng)柵。毛細(xì)管網(wǎng)散熱屬于低溫輻射采暖方式，建筑室內(nèi)空氣設(shè)計溫度可按標(biāo)準(zhǔn)降低1℃～2℃，降低能源消耗。由于太陽資源具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特性，冬季由太陽集熱設(shè)備形成的水溫并不會太高，而毛細(xì)管網(wǎng)只需要系統(tǒng)運行的水溫達(dá)到28℃～32℃，系統(tǒng)運行時供回水溫差僅需2℃～3℃，可以提供比常規(guī)供暖更高的環(huán)境舒適度，所以使太陽能這種低品位能源在建筑供暖中能夠達(dá)到高品位能源的作用。

沼氣是沼氣池在厭氧條件下產(chǎn)生的可燃性混合氣體，一般CH4含量在48%～80%，燃燒熱值比較高。每立方熱值約為5 500大卡(1大卡≈4.18 kJ)。農(nóng)村的現(xiàn)有狀況比較有利于沼氣工程建設(shè)，將制取的沼氣收集后進(jìn)入特制的鍋爐中燃燒，利用放出熱量來制取熱水或產(chǎn)生蒸汽，作為農(nóng)村的生活熱源。沼氣鍋爐利用再生能源沼氣為燃料，運行時無噪音、無污染、屬綠色環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，且熱效率非常高，廣泛應(yīng)用于采暖和供生活熱水用戶。在鍋爐上安裝智能化自動控制部件，實現(xiàn)水溫監(jiān)測、熄火保護(hù)、自動停氣、多熱源轉(zhuǎn)換等監(jiān)測和控制，安全且簡便運行。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的組成如圖1所示，具體包括如下部件：太陽能集熱器(1)為雙熱源之一，選用真空管或平板型集熱器，將太陽光輻射轉(zhuǎn)化成熱量加熱采暖用水；沼氣鍋爐(2)為雙熱源之一，與太陽能集熱器并聯(lián)安裝，作為室內(nèi)采暖系統(tǒng)的輔助能源；毛細(xì)管網(wǎng)(3)由內(nèi)徑3～5 mm，壁厚0.5～0.8 mm的PPR塑料毛細(xì)管組成的間隔為10～30 mm 的網(wǎng)柵，作為室內(nèi)低溫輻射供暖末端；圓柱形蓄熱水箱(4)自帶外保溫層，存儲并調(diào)節(jié)太陽能集熱器和沼氣鍋爐產(chǎn)生的熱水；太陽能集熱循環(huán)泵(5)安裝于太陽能集熱器和沼氣鍋爐進(jìn)水口之間的公用管道上，為整個系統(tǒng)的熱水循環(huán)提供機(jī)械壓頭；采暖循環(huán)泵(6)設(shè)置于蓄熱水箱進(jìn)水口與毛細(xì)管出水口之間的管道上，用于強迫毛細(xì)管供暖系統(tǒng)循環(huán)水的流動；電磁閥(7.1、7.2、7.3、7.4)安裝于太陽能集熱器和沼氣鍋爐進(jìn)出口管路上，用于雙熱源的管路轉(zhuǎn)換；電磁閥(7.5)位于水箱上部側(cè)面，自動控制水箱的補水；截止閥(8.1、8.2、8.3、8.4)設(shè)置于水箱進(jìn)出口管路上，用于管路檢修和維護(hù)；溫度傳感器(9.1、9.2)用來監(jiān)測水箱和太陽能集熱器進(jìn)出口熱水溫度，安裝于蓄熱水箱內(nèi)部和太陽能集熱器出口處；過濾器(10.1、10.2)安裝于循環(huán)水泵入口前，用來過濾管網(wǎng)中的雜質(zhì)，防止太陽能集熱器和毛細(xì)管網(wǎng)堵塞，一般選用Y型過濾器；溢流管(11)設(shè)置在蓄熱水箱的上部側(cè)面，選用塑料管，用于水箱水位超限時排水；液位傳感器(12)安裝于蓄熱水箱內(nèi)，用于補水電磁閥的啟?？刂?；智能控制器(13)為可編程控制器PLC，用于控制系統(tǒng)的啟停和熱源的轉(zhuǎn)換；隔板(14)采用不銹鋼材質(zhì)，用于減輕水箱內(nèi)冷熱水分層。

圖1 雙熱源低溫輻射供暖系統(tǒng)組成

蓄熱水箱(4)：底層隔板(14)處的水在太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵(5)的動力下，依次經(jīng)過截止閥(8.3)、過濾器(10.2)、電磁閥(7.2)、太陽能集熱器(1)和電磁閥(7.1)，水被加熱后流進(jìn)蓄熱水箱(4)，構(gòu)成太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)。蓄熱水箱(4)底層隔板(14)處的水在太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵(5)的動力下，依次經(jīng)過截止閥(8.3)、過濾器(10.2)、電磁閥(7.3)、沼氣鍋爐(2)和電磁閥(7.4)，水被加熱后流進(jìn)蓄熱水箱(4)，構(gòu)成沼氣鍋爐加熱循環(huán)系統(tǒng)。蓄熱水箱(4)頂層隔板(14)處的水在采暖循環(huán)泵(6)的動力下，依次經(jīng)過截止閥(8.1)、毛細(xì)管網(wǎng)(3)、過濾器(10.1)和截止閥(8.2)，水將熱量傳給室內(nèi)空氣后流進(jìn)蓄熱水箱(4)，構(gòu)成采暖循環(huán)系統(tǒng)。智能控制器(13)連接有溫度傳感器(9.1、9.2)、電磁閥(7.1、7.2、7.3、7.4、7.5)、太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵(5)、采暖循環(huán)泵(6)、液位傳感器(12)和沼氣鍋爐點火裝置。

4 工作原理

系統(tǒng)開始運行前，智能控制器(13)打開電磁閥(7.5)向蓄熱水箱內(nèi)注水，當(dāng)液位傳感器(12)檢測到最高水位時關(guān)閉電磁閥(7.5)，此時系統(tǒng)補水完成。太陽能集熱系統(tǒng)采用動溫差方式運行，運行初期，當(dāng)溫度傳感器(9.2)與溫度傳感器(9.1)的溫差大于5℃時，控制器(13)啟動集熱循環(huán)泵(5)，打開電磁閥(7.1)和(7.2)，將蓄熱水箱(4)內(nèi)的水抽到太陽能集熱器1內(nèi)，通過不斷循環(huán)，蓄熱水箱(4)內(nèi)的水溫不斷升高。當(dāng)溫度傳感器(9.2)與溫度傳感器(9.1)的溫度基本平衡時，關(guān)閉集熱循環(huán)泵(5)。當(dāng)溫度傳感器(9.1)的溫度達(dá)到35℃時，控制器啟動采暖循環(huán)泵(6)，水箱熱水流經(jīng)毛細(xì)管(3)時，熱量在毛細(xì)管(3)表面以輻射和對流的方式傳給室內(nèi)空氣，降溫后的水回至蓄熱水箱(4)。系統(tǒng)運行期間，如當(dāng)溫度傳感器(9.1)的溫度小于35℃時，控制器(13)關(guān)閉電磁閥(7.1)和(7.2)，打開電磁閥(7.3)和(7.4)，并同時啟動沼氣鍋爐(2)，維持供暖系統(tǒng)所需的熱量。當(dāng)溫度傳感器(9.2)的溫度為40℃時，又重新切換到太陽能集熱運行模式。蓄熱水箱(4)內(nèi)不同高度位置安裝隔板(14)，隔板(14)的作用是削弱冷熱水在水箱內(nèi)的擾動，減輕冷熱水的熱力分層。隔板上設(shè)置矩形孔(15)，保證水流暢通。

5 結(jié) 語

本設(shè)計系統(tǒng)屬于供暖領(lǐng)域，涉及一種雙熱源供暖系統(tǒng)，熱源為太陽能和沼氣能源，適用于農(nóng)村地區(qū)的冬季供暖。該系統(tǒng)節(jié)能減排效果好，不需要耗費大量電能，對改善供熱能源結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)村居住環(huán)境和減輕環(huán)境污染均具有重要意義。

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