太陽能-沼氣為熱源的輻射供暖系統在北方村鎮建筑的應用分析

　　摘要：通過分析北方村鎮冬季供熱現狀，提出太陽能配合沼氣能源在我國華北村鎮建筑低溫輻射采暖系統中的應用，總結此方案在建筑節能與環境保護方面的意義及推廣使用建議。
　　關鍵詞：太陽能；節能減排；集熱器；地板輻射采暖；沼氣
　　
　　目前我國北方冬季，城市居民的主要供暖方式是熱電聯產或區域鍋爐房集中供熱，但是占我國大多數人口的城鎮和農村居民還普遍采用土暖氣、土爐子、燒炕、焚燒秸稈、林木等方式單獨供暖。這些方式不可避免地存在著對常規能源（煤、油）的大量消耗和對環境的影響破壞問題。因此積極地探索開發新能源在村鎮建筑冬季供熱系統的合理利用，是一個很迫切和重要的問題。
　　我國是一個太陽能資源非常豐富的國家，擁有很大的開發潛力。在華北地區，應充分利用太陽能這種清潔的可再生能源，減少建筑物能耗。太陽能在建筑中的熱利用，尤其是與低溫地板輻射采暖系統的聯合應用，很大程度上提高了太陽能熱利用的效率，避免了太陽能只在熱水器領域使用的局限性。
　　由于太陽能受季節晝夜天氣等隨機因素影響，太陽能低溫輻射采暖系統存在著運行工況不穩定這一顯著的問題。為保證建筑供熱效果，當太陽能不能滿足供熱系統溫度要求時需采用合理的熱源進行補償，從而提高太陽能低溫供熱系統效能，增強對低品位太陽能的利用，減少輔助熱源對常規能源的消耗。沼氣將在我國村鎮能源利用方面起主要作用。
　　一、我國北方村鎮冬季供熱現狀
　　我國是人口大國，70%的人口約8.6億人生活在農村，廣大農村地區的能源消耗，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。農村生活用能2/3靠薪柴和秸軒，年能源消耗量為6.65億t標準煤。其中商品能源占60%，還有7000萬人未用上電。目前，我國北方農村廣大地區居民的冬季供熱形式比較落后，很多居民還是采用土制采暖爐采暖，甚至很多地區還沒有采暖設備，仍靠小煤爐取暖，還有相當多的地區仍燒薪柴。據統計，我國農村每年要燒掉1.8億t薪柴和秸稈。由于燃用大量薪柴和秸秤，帶來森林資源的過度采伐和水土流失，土壤肥力下降，目前，我國水土流失面積已經達到300多萬km2。而且這種采暖方式除消耗大量能源外，不衛生、熱效率不高、并對環境有一定的破壞作用。隨著北方農村地區廣大人民群眾生活水平的提高，人們對住宅舒適性的要求日益提高，希望在冬季有適宜的采暖設備和方式。由于農村居民的建筑特點，不適宜像城市居民一樣進行集中供暖，單戶的燃油燃氣鍋爐又受到氣源、油源及運行費用的限制，也難以推廣。
　　在國家營造的節能、環保大背景和可持續發展戰略政策指導下，為了適應國家政策和能源結構的要求，防止農村用煤過量造成的環境污染，使用可再生能源解決北方農村居民的采暖問題，是節約能源，保護環境，提高人民生活質量的好辦法。
　　二、太陽能低溫地板輻射采暖在村鎮應用的可行性
　　1.低溫地板輻射采暖的特點
　　低溫熱水地板輻射采暖系統是采用低于60℃的低溫水作為熱媒，通過直埋入建筑物地板內的化學建材（PAP，XPAP，PE-X，PB）等盤管進行輻射而達到一種方便靈活的采暖形式。實踐表明，低溫熱水地板輻射采暖與傳統的散熱器采暖相比，具有以下特點：
　　（1）舒適衛生。由于輻射強度和溫度的雙重作用，減少了四周表面對人體的冷輻射，室內地表溫度均勻，室溫由下而上逐漸遞減，改變了散熱器采暖室溫上高下低的分布狀況，給人以頭涼腳暖的良好感覺，造成真正符合人體散熱及生理要求的熱狀態，符合我國傳統醫學“溫足涼頂”的健身理論，可以改善血液循環，促進新陳代謝，具有最佳的舒適感和保健功能。
　　（2）高效節能。在建立同樣舒適的前提下，因為輻射供暖方式較對流供暖方式熱效率高，可節能約35%左右。所以室內設計溫度可以比其他采暖方式降低2℃。
　　（3）熱穩定性好。由于地面層及混凝土層蓄熱量大，熱穩定性好，因此在間歇供暖的條件下，室內溫度變化緩慢。
　　（4）使用面積增加，方便裝修。室內取消了散熱器及其立支管，不但不占用建筑面積，而且房間可以任意分隔，根據實際測算，平均可以增加室內5%左右的使用面積，等于降低了房屋造價，而且使室內既美觀又便于裝修和家具布置。
　　（5）清潔衛生。地板采暖室內空氣平均流速小，能有效減少因空氣急劇流動而引起的塵埃飛揚，以及明裝散熱設備和管道積塵面受熱揮發的異味，減少室內空氣污染。
　　低溫熱水采暖系統是近幾年來發展較快的一種采暖方式，在新建城市住宅建筑中應用較廣泛。尤其熱媒是低溫熱水，一般在60℃以下，為低品位能量的應用提供了可能。利用太陽能作為地板采暖的熱源，是太陽能利用技術與地板輻射采暖技術相結合的一種最佳方式。
　　2.村鎮太陽能低溫地板輻射采暖的可行性
　　低溫地板輻射采暖系統與傳統的散熱器供暖形式相比，一個突出特點是熱媒溫度低，而且地面填充層的蓄熱結構，增加了系統的熱惰性。由于低溫地板采暖系統的這些特點，太陽能這種低品位﹑清潔﹑利用技術成熟的能源作為低溫地板采暖系統的熱源，是比較合理可行的。
　　我國華北的大部分地區，采暖季日平均太陽輻照量均在9，000-15，000kJ/m2之間。如果采用目前流行的真空管太陽能集熱器，每日集熱時間按8小時考慮，建筑面積熱指標按50W/m2計算，采暖供回水溫差15℃，每天供暖時間為8小時，則可以推算出，每單位建筑面積所需要的集熱器面積在0.21m2-0.33m2之間。由于農村地區的建筑形式多為單層和3層以下的建筑，所以按照這個面積比例是完全可以實現的。因此，從理論上看，利用太陽能進行地板采暖是完全可行的。
　　三、太陽能低溫地板輻射采暖系統的輔助熱源-沼氣
　　沼氣是農村廣泛使用的一種氣體燃料，它是由植物殘渣、動物糞尿在隔絕空氣的情況下，經過某些微生物的發酵作用而產生的。沼氣的主要成分是甲烷（CH4），約占總體積的60%-70%。此外，還含有二氧化碳、氮氣和少量有臭雞蛋氣味的硫化氫氣體，所以沼氣略帶臭味。純凈的甲烷是一種沒有顏色、沒有氣味的氣體。甲烷的密度僅是空氣的一半，極難溶于水，但很容易燃燒。燃燒后生成二氧化碳和水，同時放出大量的熱量。1m3的沼氣完全燃燒可以放出約23000kJ-27600kJ的熱量，相當于0.7kg汽油或0.8kg煤燃燒所放出的熱量，所以沼氣是一種優質氣體燃料。當今利用科學發酵方法生產沼氣，是解決我國廣大農村能源的一種有效途徑，也是處理城鄉生活垃圾、改善環境、變廢為寶的積極措施。
　　北方地區冬季寒冷，產氣量比南方低，一般家用池選擇8立方米或10立方米，按照這個標準修建的沼氣池，冬季基本可保證在室外氣象條件不利情況下，輔助太陽能加熱媒質滿足輻射供暖效果的要求，春、夏、秋三季所產生的沼氣，則可供煮飯、燒水及照明使用，甚至有余。
　　實踐證明發展農村沼氣工程，能有效解決農村生活能源問題，改善農村人居環境，具有良好的經濟、生態和社會效益，符合可持續性發展戰略。農村沼氣效果突出，受到廣大農民的普遍歡迎。目前我國正以農村沼氣建設為重點，引導農民改圈、改廁、改廚，改善農民生產生活條件。根據規劃，到2010年，全國農戶用沼氣將達到4000萬戶，適宜農戶普及率達到28.8%，到2020年力爭使適宜農戶普及率達到70%，基本普及農村沼氣。
　　四、太陽能低溫輻射供熱系統的形式
　　華北地區冬季采暖室外計算溫度一般在-7℃至-12℃，采暖期多為3-5個月，采用太陽能低溫輻射供熱系統，為保證在采暖期的熱穩定性和良好的效果，采用連續運行的太陽能采暖系統形式。
　　
　　如圖1所示：太陽能低溫地板輻射采暖系統是間接式系統，即集熱和采暖是兩個獨立的系統。太陽能集熱系統為強制循環，以利于集熱，太陽能集熱器收集的熱量經過傳遞到蓄熱水箱中，此蓄熱水箱為容積式換熱器，蓄熱水箱應置于室內，并作保溫處理，防止冬季室外氣溫較低，溫降較快，保證用熱可靠性。其上可接管路供生活用熱水。地板輻射采暖系統也采用強制循環，采暖循環泵裝置在沼氣采暖爐中，采暖回水經過蓄熱水箱吸收熱量達到供水溫度后送入采暖系統進行循環。輔助熱源采用沼氣爐，當室外氣象條件不好，蓄熱水箱貯存熱量不能滿足采暖系統所需時，開啟沼氣采暖爐進行輔助加熱，保證連續供暖。此系統集熱系統和采暖系統完全獨立，減少了系統間的相互影響，同時也降低了系統的承壓要求。
　　該系統熱穩定性好，連續供熱能力強，與自動控制系統配合后，此太陽能地板輻射采暖系統可以連續、穩定、安全地運行。目前，連續供暖的間接式系統較復雜，初投資偏高，只適合在農村較富裕的地區推廣。
　　五、推廣農村太陽能低溫輻射供熱系統的建議
　　1.政策角度
　　（1）一項技術的推廣離不開政府的支持，如果我國能像歐洲一些國家一樣對太陽能推廣進行大力扶持，則太陽能運用技術的發展肯定會取得矚目的成績，太陽能利用將會更快發展。
　　（2）由于國內太陽能技術尚無統一規范可循，目前太陽能市場良莠不齊。所以呼吁政府加強監管力度，減少資源浪費和安全隱患，使人們能更加放心地選擇使用太陽能產品。
　　（3）沼氣在農村推廣使用已有十幾年，沼氣建設既能為農民提供清潔能源又能環保，是一件利國利民的好事，深受廣大農民群眾的歡迎。但對北方大部分農民群眾而言，還是個新鮮事物，對它的認識和使用有一個過程，沼氣的建設和發展也有一個逐步提高完善的過程。呼吁政府加強農村沼氣服務體系的建設，不光有人幫助他們建設沼氣池，同時還能有完善的后續服務體系，使沼氣池能夠長期有效使用。
　　2.經濟角度
　　（1）充分利用太陽能，減少對輔助加熱資源的依賴。要求設計的太陽能集熱板面積和水箱尺寸合理，選擇的輔助加熱裝置合理。采用沼氣作為輔助熱源，能實現即開即用，而且沼氣制取利用人畜糞便和植物殘渣，變廢為寶，不浪費電能、煤氣（天然氣）、石油等能源。在農村使用更具優勢和經濟性。
　　（2）目前，太陽能產品造價與建筑成本、節省的能源費用相比，造價仍較高。但通過采用優質材料提高產品品質、延長使用壽命，優化太陽能構件尺寸等手段，就能達到降低太陽能產品單位成本的目的。
　　（3）農村太陽能-沼氣低溫輻射供熱系統具有提高農民生活質量，美化農村環境，節能減排的優點，但其初投資較高，在富裕村鎮還有可能實現，在占多數的貧困地區，推廣實行具有相當大的難度，需要政府加大投入進行適度的補貼。
　　3.技術角度
　　（1）華北地區在冬季最冷月溫度降為0℃以下，要采取適當措施防止太陽能管路在嚴寒情況下凍結破壞。
　　（2）沼氣池由于冬季溫度較低，產氣量較其它季節都少，必須采用合理管理措施加強保溫防護工作，防止沼氣池凍裂和產氣量不足的問題，可設置電能輔助加熱設備以防止無沼氣產生出現的供暖不穩定狀況。
　　（3）沼氣是適合廣大農村使用的優質能源，但其也含有硫化氫氣體，還含有多種雜氣、臭氣，有毒的缺點，為防止含硫氣體燃燒之后對環境的影響破壞，應采用脫硫裝置進行除硫。
　　（4）沼氣池應定期清除沼渣沼液，防止產氣率下降甚至報廢，損害農民和國家利益。
　　我國是太陽能資源比較豐富的國家，利用綠色、清潔的太陽能進行低溫地板采暖，再以沼氣爐作為系統的輔助熱源，是適應目前農村采暖要求的新型采暖方式。它的技術和設備條件已基本成熟，在我國華北農村地區不管從理論上還是實際操作上，都是完全可行的。
　　如果政府部門能制定相應的激勵政策，同時給予一些必要的資金支持，太陽能-沼氣低溫地板輻射采暖技術，一定會在華北農村得到有效的推廣，并為我國農村的能源建設開拓新的領域。
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