可再生能源在農(nóng)村住宅中的應(yīng)用研究*

陳 文 劉建龍

我國是人口大國,70%的人口生活在農(nóng)村,廣大農(nóng)村地區(qū)的能源消耗,對于我國的能源供求總量及其能源結(jié)構(gòu)都有著重要的影響。近幾年,我國農(nóng)村節(jié)能減排工作取得了較大進展,基本形成了以農(nóng)村沼氣等生物質(zhì)能源開發(fā)為重點,以太陽能、風能等高效利用為補充的可再生能源開發(fā)利用體系。抓好農(nóng)村節(jié)能減排:1)有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),緩解能源壓力;2)有利于保護和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,提高農(nóng)民生活質(zhì)量,對于實現(xiàn)全國節(jié)能減排目標具有重要意義[1]。要解決村鎮(zhèn)的能源和環(huán)境問題,必須樹立生態(tài)村鎮(zhèn)的觀點,強調(diào)能源消費結(jié)構(gòu)的多樣性和地域特色,重點發(fā)展可再生能源和低品位能源在村鎮(zhèn)建筑中的高效應(yīng)用,集成和開發(fā)適宜不同氣候特點的小城鎮(zhèn)節(jié)能技術(shù)和可再生能源利用技術(shù)。下面談?wù)効稍偕茉丛谵r(nóng)村建筑、家庭生活用能方面的應(yīng)用。

1 太陽能在村宅中的應(yīng)用

所謂低溫地板輻射采暖是以不高于60℃的熱水作熱媒,將加熱管埋設(shè)在地板中的低溫輻射供暖。它通過埋設(shè)于地板內(nèi)的管材把地板加熱,均勻地向室內(nèi)輻射熱量,具有熱性能穩(wěn)定、室溫均勻、舒適、節(jié)能、免維護、管理方便等特點,是一種極為理想的農(nóng)村住宅供暖方式。

1)太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)原理。太陽能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)如圖1所示[2]。當日間太陽輻射達到一定強度的時候,溫差啟動器開啟循環(huán)水泵,此時閥門處于關(guān)閉狀態(tài),系統(tǒng)將進行儲熱,由集熱器收集太陽能并以熱的形式通過循環(huán)介質(zhì)儲存到儲熱器中。當太陽輻射強度低于一定值時,溫差啟動器將關(guān)閉循環(huán)水泵,同時關(guān)閉閥門,系統(tǒng)停止儲熱。在下午設(shè)定時刻開啟循環(huán)水泵,同時打開閥門,系統(tǒng)進入供熱階段,當儲熱器出口溫度低于設(shè)定的供水溫度時,開啟輔助熱源,保證系統(tǒng)供水溫度滿足要求。當遇到陰天或天氣較冷儲熱器出口溫度太低時,可開啟閥門,由輔助加熱器對系統(tǒng)進行供暖。

2)太陽能炕采暖系統(tǒng)。在東北農(nóng)村,多年以來人們逐漸形成了以炕為中心的生活方式。火炕采暖的方式充分利用了爐灶燃燒的余熱,且成本低廉。國內(nèi)學(xué)者[2,3]設(shè)計了適合農(nóng)村的太陽能炕采暖系統(tǒng),該系統(tǒng)由太陽能集熱器、循環(huán)水泵、太陽能炕、補燃燒設(shè)備等組成,夏季提供生活熱水,冬季同時供暖,系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示[3]。太陽能炕將太陽能蓄熱池與火炕相結(jié)合,蓄熱池不保溫,利用其自然散熱為房間供暖,從而減少散熱器、循環(huán)水泵等供熱設(shè)備,利用傳統(tǒng)火炕的炕下空間作為蓄熱池還減少了蓄熱池對建筑面積的占用。蓄熱池下設(shè)有煙道,其中煙道面積較小并進行保溫處理,夏季不需要供暖時,炊事和燃燒爐煙氣通過該煙道排出,防止炕過熱。冬季煙氣則通過煙道排出,充分利用煙氣余熱。防凍水箱設(shè)于室內(nèi),夜間水泵停止工作,利用管道的壓力平衡,太陽能集熱器的水自然返回防凍水箱,防止太陽能集熱器在嚴寒天氣情況下凍壞,也減少了集熱器夜間熱傳導(dǎo)和天空背景輻射造成的能量損失,白天開啟水泵將防凍水箱內(nèi)蓄水輸送至太陽能集熱器。

3)通風與供熱一體化。在我國南方夏熱冬冷地區(qū),夏天天氣炎熱,農(nóng)村住宅室內(nèi)要進行必要的通風。如果太陽能熱水器與建筑自然通風一起使用,就能達到加強通風與制備熱水的雙重目的,而需要的能源是取之不盡,用之不竭的太陽能。文獻[4]作者提出利用通風余熱作為太陽能熱水器輔助能源的方案,讓太陽能利用通風余熱來使熱水器達到更好的加熱效果,去掉其傳統(tǒng)的二次加熱裝置,達到保護環(huán)境、節(jié)約能源的目的。通風供熱水一體化結(jié)構(gòu)如圖3所示。通風供熱水一體化系統(tǒng)的工作流程如下:集熱板1接收太陽輻射產(chǎn)生空氣低壓區(qū),空氣很快上升,帶動房間內(nèi)空氣向上流動,同時窗戶3開啟以供應(yīng)新風形成空氣循環(huán)體系。此時,在房間內(nèi)達到自然通風效果。供水管5處進入的水通過4處,利用熱氣流和熱交換器充分接觸達到加熱水的效果,然后通過出水管9連接。為保證熱水溫度,在10處仍然設(shè)置了集熱器繼續(xù)加熱熱水,熱水存于蓄水箱2,供用戶使用熱水。在此系統(tǒng)中,作者巧妙的運用太陽能的煙囪效應(yīng),利用其熱壓差產(chǎn)生室內(nèi)通風效果,能有效的利用余熱,達到初步加熱冷水的效果。

2 地源熱泵在村宅中的應(yīng)用

我國淺層地溫能分布廣泛且儲量大,專家測算我國淺表地層數(shù)百米內(nèi)的土壤砂石和地下水中所蘊藏的低溫熱能可達我國目前發(fā)電裝機容量4億kW的3 750倍,而百米內(nèi)地下水每年可采集的低溫能量也有2億kW。地源熱泵運行費用較低的能量消耗、較低的維護費用、運行靈活,經(jīng)久耐用,一套系統(tǒng)冬天可供熱夏天可制冷,適合應(yīng)用在農(nóng)村成片建設(shè)的低層住宅[5]。

3 生物質(zhì)能在村宅中的應(yīng)用

3.1 沼氣

沼氣是各種有機物質(zhì),在隔絕空氣(還原條件)、適宜的溫度、濕度下,經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。沼氣池建設(shè)不僅有利于改善農(nóng)民生產(chǎn)、生活環(huán)境,提高農(nóng)民的生活質(zhì)量,而且改善了農(nóng)村能源短缺的局面,滿足農(nóng)民對電、熱、水的需求,同時也提高農(nóng)村清潔能源的利用率,利用沼氣技術(shù)也是治理農(nóng)村生活污水的重要工程措施。20世紀70年代初,為解決秸稈焚燒和燃料供應(yīng)不足的問題,我國政府在農(nóng)村推廣沼氣事業(yè),沼氣池產(chǎn)生的沼氣用于農(nóng)村家庭的炊事來逐漸發(fā)展到照明和取暖。根據(jù)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《全國農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃》,到今年年底,全國將有4 000萬農(nóng)戶使用戶用沼氣,達到適宜農(nóng)戶的30%左右;全國4 000萬戶農(nóng)村戶用沼氣,每年產(chǎn)生約 154億m3的沼氣,相當于替代2 420萬t標準煤的能源消耗和1.4億畝林地的年蓄積量,農(nóng)民每年可增收節(jié)支200億元。故可以說,發(fā)展沼氣是發(fā)展農(nóng)村新能源、建設(shè)節(jié)約型社會的現(xiàn)實選擇。

3.2 秸稈氣化爐

秸稈氣化是以秸稈為原料,利用熱化學(xué)反應(yīng)的原理,在密閉缺氧裝置內(nèi),采用自熱干餾熱解法,使秸稈釋放出可燃混合氣體。這種混合燃氣中含有一氧化碳、氫氣、甲烷等有效成分,亦稱生物質(zhì)氣。秸稈從氣化裝置的上部由螺旋推進器或人工加入,依靠重力或外力加壓,由上部逐漸落入底部,點燃秸稈,發(fā)生熱解反應(yīng)后生成可燃氣體,可燃氣體從出氣口逸出,經(jīng)過凈化裝置去除雜質(zhì),生物質(zhì)氣再與空氣二次混合,在灶具中燃燒,供用戶使用。

4 風能在村宅中的應(yīng)用

在風力資源豐富的農(nóng)村地區(qū),通過機械裝置將風能轉(zhuǎn)化為電能,為農(nóng)民生產(chǎn)、生活提供能源。風力發(fā)電機一般由風輪、發(fā)電機、調(diào)向器、塔桿、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成,如圖4所示。風力發(fā)電機的工作原理比較簡單,風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn),它把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能,發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

5 結(jié)語

可再生能源開發(fā)對于中國新農(nóng)村建設(shè)具有重大的現(xiàn)實意義。在新農(nóng)村建設(shè)中合理開發(fā)利用可再生能源,不僅可以減緩中國能源緊張局面,減輕生態(tài)保護和環(huán)境污染的壓力,而且還可以滿足農(nóng)民對水、電、熱、氣的能源需求,改善農(nóng)村生存環(huán)境,提高農(nóng)民生活質(zhì)量,促進城鄉(xiāng)協(xié)調(diào),實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 劉建龍,陳 文,譚超毅.農(nóng)村住宅節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2010,36(1):241-243.

[2] 秦貴棉.太陽能采暖技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2009,31(3):208-209.

[3] 競 峰,王 婧,張 旭.寒冷地區(qū)太陽能炕采暖系統(tǒng)[J].低溫建筑技術(shù),2006(3):113-114.

[4] 黃靜萍.小城鎮(zhèn)建設(shè)中的通風與供熱水一體化研究[J].建筑節(jié)能,2007,35(6):47-49.

[5] 牛明成,谷延霞,韓 璐.新農(nóng)村住宅節(jié)能研究[J].山西建筑,2007,33(22):238-239.