探討小城鎮(zhèn)及農(nóng)村太陽能為主 多能互補供熱采暖工程技術(shù)應(yīng)用

河北維克萊恩太陽能開發(fā)有限公司/薛會文

河北省太陽能利用行業(yè)協(xié)會/邊志敏

　　0引言

　　我國幅員遼闊，人口眾多，在北方地區(qū)寒冷冬季都需要利用各種設(shè)施采暖驅(qū)寒，傳統(tǒng)以各種大小不同的燃煤鍋爐為主。

　　隨著人民生活水平的提高，在廣大小城鎮(zhèn)和農(nóng)村燃煤量不斷增加，燃煤鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的溫室氣體及各種有害物質(zhì)大量低空排放，造成了嚴重的大氣污染，成為“霧霾”天氣的主要元兇之一。

　　以河北省為例，根據(jù)在河北省石家莊所做實驗表明，每個農(nóng)戶冬季采暖室內(nèi)若達到15℃及以上，采暖需消費4~5噸原煤。河北省農(nóng)村常住農(nóng)戶1079 萬，如此每年消耗原煤6366.1萬噸，排放二氧化碳11913.7 萬噸，需要運輸車輛318.3萬輛次以上。不僅污染嚴重，社會能源供應(yīng)能力更是難堪重負。因此，積極尋找燃煤替代模式，解決廣大城鎮(zhèn)及農(nóng)村采暖及大氣環(huán)境污染問題勢在必行。

　　1我國發(fā)展分布式太陽能為主多能互補供熱采暖工程的必要性

　　1.1社會對能源的潛在需要數(shù)量巨大

　　我國地域遼闊，氣候條件差別很大。按照氣候狀況分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫暖五大類型區(qū)域，國家所定采暖區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙、新疆、青海、甘肅、寧夏、山西、北京、天津、河北、以及陜西北部、山東北部、河南北部等城鎮(zhèn)，其地域面積占全國的70%。該區(qū)域農(nóng)村及小城鎮(zhèn)居民建筑近257 億平方米，住房約占1/2，即128.5 億平方米。即使在我國東部的京津冀地區(qū)大部分村鎮(zhèn)房屋依然是370 毫米磚混結(jié)構(gòu)，外墻基本未加任何保溫措施。這些區(qū)域的小鎮(zhèn)及農(nóng)村住房基本上以獨立為主的院落，即院落的正房四周或三面無建筑物包裹。按照國家住建部發(fā)布的資料表明，北京地區(qū)小城鎮(zhèn)采暖能源強度為18~25 千克標煤/ 平方米·年，與同緯度發(fā)達國家相比采暖能源強度高出1~1.7 倍?？梢哉f農(nóng)村及小城鎮(zhèn)房屋的節(jié)能改造潛力巨大。

　　全國需采暖區(qū)域人口約7億，農(nóng)村及小城鎮(zhèn)人口約占3.5億，近1 億個家庭；按照河北省石家莊的實測表明，在-8℃~-11℃氣候狀態(tài)下，370 毫米磚混圍護結(jié)構(gòu)，20 平方米房屋內(nèi)試驗，要保持室內(nèi)13℃~14℃，直徑120 毫米蜂窩煤爐具需始終保持旺火狀態(tài)，且不能封火，由此推算每個農(nóng)戶冬季采暖室內(nèi)若達到15℃及以上，采暖需消費4~5 噸原煤。在東北三省、內(nèi)蒙古、河北省北部等嚴寒區(qū)域，取暖期增加一個月，消費量將增加到6~7 噸，再加上炊事和生活熱水，煤耗將再增加0.6噸原煤。照此計算，華北南部用煤量平均達5.1 噸，東北及華北北部用煤量將達7.1噸甚至更多，取均值每個家庭需消耗原煤6.1 噸，折標煤4.36 噸/ 年，北方農(nóng)村及小城鎮(zhèn)采暖將需要標煤4.36 億噸。

　　近年來隨著農(nóng)村生活水平的提高，農(nóng)戶用煤量呈上升趨勢，隨之煙塵低空污染也在增加。在發(fā)達國家，取暖逐步被燃油、天然氣或電加熱所取代。如果換算成天然氣采暖，按照燃煤爐的效率50%和燃氣爐60%的效率折算，則需要天然氣2961自然立方米/ 年·戶，全國采暖區(qū)域一個采暖季則需要2961億立方米/ 年。相當于全國天然氣年產(chǎn)量（1300 億立方米）的2.2倍，進口天然氣量（270 億立方米）的10倍。如果換算成電能采暖需14400 億千瓦時/ 年（100 瓦/ 平方米），相當于14 個三峽發(fā)電站的發(fā)電量。這么大的能源需求量社會何以滿足？目前從區(qū)域經(jīng)濟的層面之所以未感受到這么大的壓力，是由于廣大農(nóng)村的實際燃煤量還未達到這么高的程度。在河北省，一般農(nóng)村家庭取暖用煤量在1~3 噸，但是隨著收入水平的提高，總的用煤量還在繼續(xù)增長。

　　1.2 小城鎮(zhèn)及以下區(qū)域分布式燃煤采暖大氣污染嚴重大量燃煤會造成嚴重的大氣污染，這已經(jīng)為近幾年的冬季大面積霧霾困擾所證實。預(yù)測北方村鎮(zhèn)按照6.1 噸的耗煤量，折標煤4.36 噸/年，北方農(nóng)村及小城鎮(zhèn)采暖將需要標煤4.36億噸。那么僅冬季采暖10 米以下的低空，采暖排放二氧化碳11.336 億噸,排放二氧化硫1744 萬噸，排放煙塵43.6萬噸（約占燃煤量的0.1%）。由此增多的污染物對當前的大氣治理將是更大的難題。關(guān)于戶用燃煤小鍋爐低空排放大氣污染的研究，我國環(huán)保研究院所、高等院校如清華大學環(huán)境學院、天津大學建筑學院開展了大量研究工作，其污染相當明顯，在這一環(huán)境下生活的人群，呼吸道疾病患病率明顯提高。如上所述，開展太陽能為主多能互補的分布式采暖研究與示范非常必要。 

　　2京津冀小城鎮(zhèn)與農(nóng)村的房屋圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

　　作為縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建建筑特別是公用設(shè)施，如學校、醫(yī)院、辦公場所一般為節(jié)能房。農(nóng)村新建住房也建成了節(jié)能房。大多數(shù)原有房屋無論公用房還是民房均為370 毫米厚磚混墻體結(jié)構(gòu)，門窗也是單層玻璃塑鋼或鋁合金門窗結(jié)構(gòu)。屋頂為水泥澆筑加200 毫米隔溫層，或者是木檁木板上加隔溫層。房屋保溫隔熱性能較差，房門直接對戶外，冬季掛棉門簾，這在冀北的張家口、承德較為突出。

　　3太陽能為主多能互補供熱采暖工程的技術(shù)構(gòu)成、效果分析

　　主動式太陽能采暖節(jié)能效果明顯。在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，自2010 年來，河北省太陽能利用行業(yè)協(xié)會與河北維克萊恩太陽能開發(fā)有限公司等及相關(guān)市新能源辦公室，分別在山海關(guān)區(qū)（冀北）和邢臺臨城縣（冀南）、廊坊固安縣（冀中）開展了試點研究。系統(tǒng)集成形式為：太陽能集熱單元（含管路、配件）、熱能補充單元（生物質(zhì)爐或燃氣爐）、室內(nèi)散熱單元（地埋管或風機盤管）、自動控制循環(huán)單元、房屋外墻保溫與門窗保溫單元、防雷避雷單元六部分組成。施工按照相關(guān)國標或建筑行業(yè)標準執(zhí)行。

　　3.1太陽能系統(tǒng)原理

　　太陽能采暖集熱系統(tǒng)原理（如圖1 所示）。

　　3.2集熱系統(tǒng)原理說明

　　太陽能集熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、太陽能儲熱水箱、循環(huán)管道、自動控制系統(tǒng)等。 

　?。?）自動上水

　　定水位補水：當儲熱水箱水位低于設(shè)定值時，補水電磁閥自動打開，將儲熱水箱內(nèi)的水位補充至設(shè)定值時自動關(guān)閉；

　　溫控補水：當儲熱水箱溫度高于設(shè)定值，且水位低于設(shè)定值時，打開補水電磁閥補水至設(shè)定水位或水溫低于設(shè)定值時，停止補水。

　?。?）集熱溫差循環(huán)

　　當集熱器溫度與儲熱水箱中的水溫溫差大于設(shè)定值時，對應(yīng)的集熱循環(huán)泵啟動，將集熱器中熱水打進儲熱水箱中，當二者溫差低于設(shè)定值時，循環(huán)泵自動關(guān)閉。

　?。?）洗浴、生活用水

　　在水箱內(nèi)中上部安裝盤管，自來水在增壓泵的作用下通過水箱內(nèi)排管，吸熱增溫滿足洗浴及生活熱水需求。

　　（4）防凍加熱

冬季集熱器室外管路溫度低于5℃（可調(diào)）時，自動開啟循環(huán)防凍和自動關(guān)閉。

　?。?）采暖循環(huán)

　　采暖期間，儲熱水箱溫度與采暖系統(tǒng)終端溫度溫差達到設(shè)定值時，采暖循環(huán)泵自動啟動，溫差低于設(shè)定值時，循環(huán)泵自動關(guān)閉。

　?。?）輔助加熱

　　遇陰雨天氣或極端天氣太陽能系統(tǒng)不能滿足日常用熱時，使用生物質(zhì)鍋爐給儲熱水箱輔助加熱，系統(tǒng)采用自然循環(huán)。

　　（7）防干燒循環(huán)

　　當集熱器溫度高于95℃，且僅高于水箱溫度2℃~10℃范圍內(nèi)，對應(yīng)的集熱循環(huán)泵每循環(huán)10 分鐘，停20 分鐘，周而復(fù)始循環(huán)避免太陽能集熱器內(nèi)溫度過高帶來危險，從根本上避免真空管爆管。

　?。?）集熱器維護

　　非采暖季時，因用熱量降低，關(guān)閉屋面預(yù)留閥門，只運行部分太陽能集熱器，并對不運行的太陽能集熱器部分進行排污處理，以此避免系統(tǒng)長期高溫而降低系統(tǒng)使用壽命。

　　3.3 項目投資

　　如果是舊房改造，每100 平米舊建筑投資改造約需資金54800 元（含外墻保溫、門窗改造、地埋散熱管路等）。

　　如果作為新房建造，地埋散熱管、隔熱門窗、外墻與屋頂保溫一次建造完成，并不在太陽能采暖系統(tǒng)投資之內(nèi)。因此太陽能為主多能互補采暖系統(tǒng)的投資需包括太陽能集熱單元(含換熱水箱)、熱能補充單元（生物質(zhì)爐或燃氣爐或電熱器）、自動控制循環(huán)單元、防雷避雷單元，總造價100 平方米約為36800元。由此兩種情形的回收期也會不同。

　　3.4集熱效果

　　全河北省目前已經(jīng)啟用太陽能主動采暖500多戶，覆蓋張家口、秦皇島、保定、廊坊、滄州、石家莊、邢臺、邯鄲，另有山東萊陽。采暖規(guī)模從單體100平方米到2000平方米。對于單戶太陽能與建筑面積比例為1:3，輔助熱能單元為生物質(zhì)爐具或燃氣爐，冬季可保持室內(nèi)溫度在15℃以上，并保證四季生活熱水，系統(tǒng)太陽能保證供能率在70%以上，熱能補充單元供能率25%以下，循環(huán)等電能消耗占20%以下。在室外溫度到了10℃以下的10月中下旬開始至下一年的4 月上中旬，室內(nèi)溫度保持在15℃以上，采暖期比集中供熱加長一個月，并且獲得四季生活熱水，而補充的常規(guī)能源如電能僅占系統(tǒng)供能的20%以下，可滿足當前及今后相當一段時間內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)電力供應(yīng)水平，得到了鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶的一致好評。

　　4應(yīng)用案例

　　4.1太陽能+ 生物質(zhì)能

　　項目地址：山東省萊陽市穴坊鎮(zhèn)；

　　項目名稱：山東省萊陽市穴坊鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府采暖系統(tǒng)改造（如圖2所示）；

圖2萊陽市穴坊鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府采暖系統(tǒng)改造圖

　　項目背景：針對鎮(zhèn)政府采暖系統(tǒng)進行改造，利用當?shù)卮罅繏仐壍挠衩捉斩捈庸こ缮镔|(zhì)成型燃料，將原有燃煤鍋爐采暖改建為太陽能+生物質(zhì)鍋爐采暖系統(tǒng)，解決鎮(zhèn)政府采暖季采暖及全年生活用熱水問題。該設(shè)計供暖建筑采暖面積2000m2。

　　4.1.1集熱器布置

　　根據(jù)本項目的實際用熱溫度特點和屋面尺寸大小，選用維克萊恩公司生產(chǎn)的全玻璃真空管集熱器QB-WF-7.00/50-2型，結(jié)合相關(guān)的管道、配件、輔助能源及控制系統(tǒng)，共同組成太陽能系統(tǒng)。屋面集熱器安裝如圖3所示。

　　4.1.2輔助能源

　　如圖4所示，輔助能源將原有燃煤鍋爐改為生物質(zhì)鍋爐。

圖4生物質(zhì)鍋爐外觀圖

　　4.1.3系統(tǒng)功能

　　功能一：不受采暖規(guī)定日期限制。采暖期運行，根據(jù)本地氣候條件，系統(tǒng)可在規(guī)定采暖期開始前一個月，即每年的陽歷10月中下旬開始運行，在采暖期結(jié)束后可根據(jù)氣溫情況結(jié)束系統(tǒng)運行，可隨意控制采暖期限。進入冬季后點燃生物質(zhì)成型燃料潔凈煤兩用鍋爐作為輔助采暖系統(tǒng)加熱即可。

　　功能二：提供四季全部生活用礦化熱水。該系統(tǒng)的生活熱水采用獨立瞬時加熱系統(tǒng)提供，與供暖系統(tǒng)使用的循環(huán)水完全隔離，這樣就使得來自系統(tǒng)的生活用熱水水質(zhì)不但不會發(fā)生改變，而且通過系統(tǒng)水處理器對生活水源進行礦化處理，增加了多種人體需要的微量元素。因此系統(tǒng)供給的熱水是即用即熱的活水，不但可以洗浴還可以直接用于炊事和飲用。

　　功能三：全自動運行。系統(tǒng)采用智能控制系統(tǒng)，全面實現(xiàn)系統(tǒng)全自動、智能化運行。

　　4.1.4費用對比分析

　　該系統(tǒng)在改造前要滿足鎮(zhèn)政府全年生活熱水及冬季采暖，每年需支付費用約83000 余元。在使用太陽能+ 生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)后，太陽能系統(tǒng)完全可滿足全年日常生活熱水需求，全年無需再為生活熱水支付額外費用，全年運行成本僅為25000余元，每年可累計節(jié)約費用支出58000 余元，4~6年即可收回投資，并且冬季采暖溫度可達16 ℃以上。

　　4.2 太陽能+ 燃氣

　　項目地址：河北省固安縣南王起營村13 戶；

　　項目名稱：農(nóng)村用戶冬季采暖系統(tǒng)改造（如圖5所示）；

　　項目背景：該村全部使用管道天然氣，冬季原使用天然氣采暖爐分戶采暖；現(xiàn)改用太陽能+ 天然氣燃氣輔助取暖，使用面積120m2（對于管理比較好的村莊也可以使用沼氣或生物質(zhì)熱解氣作為燃氣源）。

　　4.2.1 室溫效果對比

　　經(jīng)過2015 年冬采暖期使用，室內(nèi)效果可達18℃~22℃，原室內(nèi)采暖效果10℃~12℃。

　　4.2.2 節(jié)能效果對比

　　原使用燃氣價格60~80元/天，整個冬季燃氣費需7200~9600 元，改造后使用燃氣整個冬季采暖費用僅1000元。 

　　5太陽能為主多能互補供熱采暖工程經(jīng)濟性分析

　　太陽能供熱采暖的經(jīng)濟核算按照有/ 無比較增量分析、靜態(tài)法計算：

　　對于新建高標準節(jié)能房，新建節(jié)能房相當于以前的被動式太陽能采暖房室內(nèi)溫度平均可達8℃，達到15℃以上室溫及四季熱水，實際采暖用煤量需達4.5噸/年。去除外墻保溫項、門窗改造項、地盤散熱管項，剩余費用約計36800 元/100平方米，經(jīng)計算：

　　36800 元/（1270 元/ 噸×4.5 噸/年）=6.4年回收期與燃無煙低硫煤相比為6.4年，與燃天然氣相比3年，與電熱相比為1~2年。按照太陽能集熱原件太陽能集熱管使用壽命確定裝置壽命期為15~20年。仍剩余裝置壽命期9~14年。

　　對于舊房改造，前文已敘述的6 項全做，總投資54800元。經(jīng)計算：

　　54800元/（1270 元/ 噸×6.1 噸/ 年）=7.1 年回收期與燃無煙低硫煤相比為7.1 年，與燃天然氣相比3~4 年，與電熱相比為1~2年。按照太陽能集熱原件太陽能集熱管使用壽命確定裝置壽命期為15~20 年，仍剩余裝置壽命期8~13 年。

　　6結(jié)論

　　綜上所述，使用太陽能為主、因地制宜、多能互補供熱采暖在我國北方小城鎮(zhèn)及農(nóng)村很實用，其節(jié)能減排效益顯著，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著我國建筑節(jié)能及環(huán)境保護的加強，太陽能+ 多能源互補采暖技術(shù)模式將是小城鎮(zhèn)及廣大農(nóng)村未來分布式冬季采暖大趨勢。該系統(tǒng)主要不足是夏秋季余熱的利用和處理，其次是全玻璃太陽能真空集熱管的可靠性，二者有待進一步研究解決。