可再生能源在農村住宅中的應用研究*

陳 文 劉建龍

我國是人口大國,70%的人口生活在農村,廣大農村地區(qū)的能源消耗,對于我國的能源供求總量及其能源結構都有著重要的影響。近幾年,我國農村節(jié)能減排工作取得了較大進展,基本形成了以農村沼氣等生物質能源開發(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。抓好農村節(jié)能減排:1)有利于優(yōu)化能源結構,緩解能源壓力;2)有利于保護和改善農村生態(tài)環(huán)境,提高農民生活質量,對于實現全國節(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,強調能源消費結構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)能技術和可再生能源利用技術。下面談談可再生能源在農村建筑、家庭生活用能方面的應用。

1 太陽能在村宅中的應用

所謂低溫地板輻射采暖是以不高于60℃的熱水作熱媒,將加熱管埋設在地板中的低溫輻射供暖。它通過埋設于地板內的管材把地板加熱,均勻地向室內輻射熱量,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,溫差啟動器將關閉循環(huán)水泵,同時關閉閥門,系統(tǒng)停止儲熱。在下午設定時刻開啟循環(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。國內學者[2,3]設計了適合農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。防凍水箱設于室內,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,農村住宅室內要進行必要的通風。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構如圖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接收太陽輻射產生空氣低壓區(qū),空氣很快上升,帶動房間內空氣向上流動,同時窗戶3開啟以供應新風形成空氣循環(huán)體系。此時,在房間內達到自然通風效果。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,利用其熱壓差產生室內通風效果,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百米內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,經久耐用,一套系統(tǒng)冬天可供熱夏天可制冷,適合應用在農村成片建設的低層住宅[5]。

3 生物質能在村宅中的應用

3.1 沼氣

沼氣是各種有機物質,在隔絕空氣(還原條件)、適宜的溫度、濕度下,經過微生物的發(fā)酵作用產生的一種可燃燒氣體。沼氣池建設不僅有利于改善農民生產、生活環(huán)境,提高農民的生活質量,而且改善了農村能源短缺的局面,滿足農民對電、熱、水的需求,同時也提高農村清潔能源的利用率,利用沼氣技術也是治理農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不足的問題,我國政府在農村推廣沼氣事業(yè),沼氣池產生的沼氣用于農村家庭的炊事來逐漸發(fā)展到照明和取暖。根據農業(yè)部發(fā)布的《全國農村沼氣工程建設規(guī)劃》,到今年年底,全國將有4 000萬農戶使用戶用沼氣,達到適宜農戶的30%左右;全國4 000萬戶農村戶用沼氣,每年產生約 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)展農村新能源、建設節(jié)約型社會的現實選擇。

3.2 秸稈氣化爐

秸稈氣化是以秸稈為原料,利用熱化學反應的原理,在密閉缺氧裝置內,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)生熱解反應后生成可燃氣體,可燃氣體從出氣口逸出,經過凈化裝置去除雜質,生物質氣再與空氣二次混合,在灶具中燃燒,供用戶使用。

4 風能在村宅中的應用

在風力資源豐富的農村地區(qū),通過機械裝置將風能轉化為電能,為農民生產、生活提供能源。風力發(fā)電機一般由風輪、發(fā)電機、調向器、塔桿、限速安全機構和儲能裝置等構件組成,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,它把風的動能轉變?yōu)轱L輪軸的機械能,發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉發(fā)電。

5 結語

可再生能源開發(fā)對于中國新農村建設具有重大的現實意義。在新農村建設中合理開發(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,而且還可以滿足農民對水、電、熱、氣的能源需求,改善農村生存環(huán)境,提高農民生活質量,促進城鄉(xiāng)協(xié)調,實現社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 劉建龍,陳 文,譚超毅.農村住宅節(jié)能技術研究現狀分析[J].四川建筑科學研究,2010,36(1):241-243.

[2] 秦貴棉.太陽能采暖技術在農村的應用[J].農機化研究,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,2006(3):113-114.

[4] 黃靜萍.小城鎮(zhèn)建設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.新農村住宅節(jié)能研究[J].山西建筑,2007,33(22):238-239.