基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的農(nóng)村平頂房供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

魏顯文，許中璞，劉吉仁

(武威職業(yè)學(xué)院，武威 733000)

0 引 言

我國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，日照時(shí)間長(zhǎng)，具備良好的太陽(yáng)能資源利用條件，該地區(qū)農(nóng)村房屋多為一層平頂房，在屋頂安置太陽(yáng)能集熱器尤為便捷，文中設(shè)計(jì)的供暖系統(tǒng)用于西北地區(qū)農(nóng)村居住建筑的供暖，旨在提高農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適水平和降低房屋冬季采暖能耗。供暖系統(tǒng)既可以用來(lái)供暖，又可以用來(lái)供應(yīng)生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放，對(duì)切實(shí)推進(jìn)低碳新農(nóng)村建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有積極意義。

1 西北地區(qū)農(nóng)村供暖現(xiàn)狀

我國(guó)西北地區(qū)地域廣，農(nóng)村房屋建筑相對(duì)分散，冬季比較寒冷，平均氣溫在零下十度左右，采暖周期長(zhǎng)達(dá)半年之久，供暖問題繼而成為老百姓切為關(guān)注的話題。

1.1 房屋建筑概況

近年來(lái)，隨著新農(nóng)村建設(shè)步伐的加快，我國(guó)西北地區(qū)農(nóng)村面貌煥然一新，曾經(jīng)的土墻危房變成了一排排整齊的四合院，老百姓的日子越來(lái)越好，隨之對(duì)生活質(zhì)量的追求也逐步提升，尤其是對(duì)供暖舒適度和環(huán)境要求有了新的標(biāo)準(zhǔn)。目前西北地區(qū)新農(nóng)村房屋建筑以磚瓦房為主，多為一層平頂房，建筑面積在100至200平米之間。考慮到房屋建筑成本，大多數(shù)房屋在屋頂鋪設(shè)10～20 mm的爐渣，用于防漏水和增加屋頂保溫性能，有部分經(jīng)濟(jì)差的農(nóng)戶沒有做任何的保溫措施，僅僅用水泥和砂石漿涂刷墻體，保溫效果很不理想。

1.2 農(nóng)村供暖現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)家庭依然采用燃煤爐、火炕和電炕為主的供暖方式。由于涉及到燒水做飯，燃煤爐的幾乎家家使用，主要燃燒原料以煤炭為主，通過煤炭燃燒將熱量散發(fā)到室內(nèi)，煙氣通過煙筒排放到室外。這種燃煤爐使用簡(jiǎn)單，但存在很多危害。如煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體被排放至空氣中嚴(yán)重污染空氣；燃煤爐一旦操作不當(dāng)，就會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫，引起中毒造成生命危害；燃煤爐的體積較小，大量的熱能被排放的室外，室內(nèi)溫度僅限于燃煤爐周圍，其它房?jī)r(jià)溫度依然很低，供暖效果不佳。火炕是要用于夜間睡覺取暖，在房屋外部設(shè)立一個(gè)煙道，放入秸稈、稻草等原料，通過燃燒將炕加熱，室內(nèi)溫度能達(dá)到十度左右，相對(duì)燃煤爐而言，燃燒成本較低，缺點(diǎn)是要頻繁的添加燃料，燃燒產(chǎn)生的熱能較低，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的空氣污染，取暖方面有受熱不均的現(xiàn)象，往往都是中間熱，兩頭涼。電炕是一種以炭纖維遠(yuǎn)紅外電熱板為主要材料敷設(shè)在炕上，通過電流加熱的取暖方式，相對(duì)火炕要干凈很多，受熱均勻，還可以進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，類似電熱毯一樣，但需要花費(fèi)一定的電費(fèi)為代價(jià)。現(xiàn)在地方政府有相應(yīng)的電價(jià)補(bǔ)償，是目前收到農(nóng)戶青睞的一種夜間取暖方式。

2 可再生能源多元化發(fā)展

2.1 生物質(zhì)能應(yīng)用現(xiàn)狀

生物質(zhì)能屬于綠色可再生能源，污染很低，發(fā)展包含生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源不僅能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且有助于減輕溫室效應(yīng)和生態(tài)良性循環(huán)，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)境問題的重要途徑之一。生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是在一定溫度和壓力作用下，把木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀，塊狀或顆粒狀等成型燃料。木質(zhì)、棉桿和玉米秸稈為原材料的3種燃料NO 排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。在我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)能源和太陽(yáng)能資源豐富，燃料運(yùn)輸成本較低，綠色環(huán)保的生物質(zhì)鍋爐作為太陽(yáng)能的輔助熱源，對(duì)形成具有清潔、舒適、可持續(xù)的農(nóng)村供暖模式，有著重要的意義，與煤相比，生物質(zhì)固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環(huán)境效益巨大。

2.2 太陽(yáng)能應(yīng)用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能是目前我國(guó)可再生能源利用最為廣泛的一中清潔能源，尤其是分布式發(fā)電系統(tǒng)在西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要作用。通過分析我國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖可以看出，西北地區(qū)為太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，年日照時(shí)數(shù)達(dá)3000多小時(shí)，短期儲(chǔ)熱系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率可達(dá)50%左右。

3 供暖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家“農(nóng)村地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中的規(guī)定，在冬季采暖期，供暖系統(tǒng)可以安全高效穩(wěn)定的運(yùn)行，滿足房屋建筑的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷要求，保證用戶的生活熱水水量和水質(zhì)，盡可能的提高太陽(yáng)能集熱效率，保證初次投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。根據(jù)以上要求，總體設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)每個(gè)部件進(jìn)行合理的選型和校驗(yàn)，從而保證室內(nèi)溫度和暖氣片熱水溫度的動(dòng)態(tài)平衡。

西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，新農(nóng)村標(biāo)準(zhǔn)住宅建筑負(fù)荷較小，且人體熱舒適可接受范圍較寬，利用太陽(yáng)能采暖行之有效。采用模塊式設(shè)計(jì)理念，基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱模塊、新型燃爐模塊、保暖蓄水箱模塊和智能控制系統(tǒng)模塊四部分組成。

3.1 太陽(yáng)能集熱器選型

太陽(yáng)能集熱器主要是以采集太陽(yáng)輻射能量對(duì)自來(lái)水進(jìn)行加熱的過程，是太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中的核心部分，會(huì)影響到整個(gè)供暖系統(tǒng)的供熱效果。目前，市場(chǎng)上常見的集熱器有平板型太陽(yáng)能集熱器和真空管型太陽(yáng)能集熱器兩種形式，如圖1所示。

平板型太陽(yáng)能集熱器與真空管型太陽(yáng)能集熱器相比，平板型太陽(yáng)能集熱器的涂層效率要高，本身具有防凍設(shè)計(jì)，因此更適合與寒冷地區(qū)使用。由于其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定安裝便捷，日常維護(hù)簡(jiǎn)單，具有一定的承壓能力，尤其在冬季，西北地區(qū)降雪量較大，厚厚的積雪覆蓋在集熱器上面，形成壓力，而真空管集熱器容易破損，平板型太陽(yáng)能集熱器使用壽命也高于真空管集熱器，基于以上分析比較，本設(shè)計(jì)中采用平板型集熱器。

太陽(yáng)能集熱器的工作原理是自來(lái)水先經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱后進(jìn)入蓄熱水箱，熱水再與水箱內(nèi)的水進(jìn)行換熱，整個(gè)蓄水箱溫度達(dá)標(biāo)后通過循環(huán)水泵送入敷設(shè)的暖氣管道進(jìn)入各個(gè)房間進(jìn)行供暖。

3.2 新型燃爐設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能作為一種清潔能源雖然具有利用成本低、周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但受到雨雪天氣、陰天等自然條件的限制影響，到達(dá)地面的熱量大幅降低。因此，在特殊天氣情況下，需要通過新型燃爐進(jìn)行輔助供暖，晴朗白天太陽(yáng)輻照量高時(shí)太陽(yáng)能集熱器吸收熱量，水箱蓄熱，陰天或雨雪氣候時(shí)，輔助熱源對(duì)熱量進(jìn)行補(bǔ)充，讓整個(gè)采暖期室內(nèi)溫度得以保證，兩者切換使用降低了農(nóng)戶的采暖成本。

新型燃爐含有生物質(zhì)顆粒投放口、排煙口、熱水出口、回水口、溫度檢測(cè)與水位檢測(cè)口、落灰桿等部分組成。新型燃爐是一種將生物質(zhì)顆粒放在爐排上進(jìn)行火床燃燒，利用空氣流使生物質(zhì)顆粒高速旋轉(zhuǎn)并強(qiáng)烈火燒，固體生物質(zhì)顆粒經(jīng)與氣體接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)，這種流化過程用于燃燒產(chǎn)生熱量，如圖2所示，新型環(huán)保采暖爐是以生物質(zhì)顆粒作為燃料的燃具，生物質(zhì)顆粒原料來(lái)源是玉米秸稈、麥秸、稻草、樹葉等農(nóng)作物，比較環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)生物資料的回收以及再利用。新型環(huán)保采暖爐煙筒排煙時(shí)的熱空氣和爐體輻射散熱作為補(bǔ)償供暖，在冬季使用火爐供暖的同時(shí)也可以用來(lái)做飯。

3.3 保溫蓄水箱設(shè)計(jì)

西北地區(qū)冬季室外溫度較低，蓄熱水箱若放置于室外，則熱量損傷占比較高，不利于熱水儲(chǔ)存，文中將蓄熱水箱放置到廚房，減小蓄熱水箱中熱水的夜間熱損失，在水箱外圍敷設(shè)電熱伴，達(dá)到24小時(shí)保溫效果，使得熱損失達(dá)到最小化，如圖3所示。

3.4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)是一個(gè)完整的閉環(huán)運(yùn)行模式，熱水在集熱器、水箱、管道、暖氣片之間循環(huán)，始終保持室內(nèi)溫度在一定的是適度內(nèi)。智能控制系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控，將太陽(yáng)能集熱器出水口溫度傳感器與保暖水箱水溫傳感器所采集數(shù)據(jù)傳送到主控，根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)相關(guān)閥門達(dá)到適宜水溫，控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

4 仿真測(cè)試

通過TRNSYS軟件分別對(duì)西北地區(qū)農(nóng)村房屋進(jìn)行負(fù)荷和太陽(yáng)能與新型燃爐互補(bǔ)供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)效性。

選取甘肅省涼州區(qū)的冬季室外逐時(shí)溫度、逐時(shí)濕度及逐時(shí)太陽(yáng)輻射量為基準(zhǔn)，進(jìn)行當(dāng)?shù)剞r(nóng)村建筑負(fù)荷模擬，如圖5所示。

圖中基本單元有氣象數(shù)據(jù)Type109-TMY2,天空溫度，焓濕圖，控制器Type2b。通過不斷獲取氣象數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)天空溫度與焓濕圖數(shù)據(jù)后將其傳輸至建筑模型，反饋至控制器進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑采暖量進(jìn)行有效控制，然后考慮到光閥的影響因素，進(jìn)而氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)，最后得到當(dāng)前模擬情況下的熱量圖。其模擬時(shí)間為6 552 h，可得模擬時(shí)間范圍內(nèi)符合最大為3.5 kW,如圖6所示。

同時(shí)對(duì)基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，建立太陽(yáng)能集熱器(Type1b)、熱循環(huán)泵(Type3b)、新型燃爐熱源泵(Type665-1)、蓄熱水箱(Type4c)等模型部件，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

工作模式為太陽(yáng)能集熱器熱水系統(tǒng)能夠滿足用戶供暖需求時(shí)，新型燃爐熱源系統(tǒng)關(guān)閉,太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)全部負(fù)荷，當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，新型燃爐熱源系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)償供暖。太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)運(yùn)行獲得水箱溫度波形圖如圖8所示。

通過上圖可見，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度變化時(shí)的供水溫度有所波動(dòng)，采暖季剛開始由于蓄熱水箱工作有延遲，再者收到太陽(yáng)輻射角度的影響，太陽(yáng)能集熱器所得輻射能量較小，開始的供水溫度較低，然后水溫持續(xù)上升至基本穩(wěn)定，在整體仿真時(shí)間段所獲得的最佳溫度達(dá)到80度，基本符合供暖需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能資源是可再生能源的一個(gè)重要領(lǐng)域，西北地區(qū)具有得天獨(dú)厚的太陽(yáng)能資源，根據(jù)國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)意見，研究和開發(fā)基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)具有一定的價(jià)值，文中重點(diǎn)分析了我國(guó)西北地區(qū)農(nóng)村冬供暖的現(xiàn)狀，提出了以太陽(yáng)能集熱器為主，新型燃爐為輔的一種互補(bǔ)的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，分別對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，通過相關(guān)仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能滿足基本供暖需求，對(duì)今后農(nóng)村供暖改造工程提供了行之有效的技術(shù)方案和策略。系統(tǒng)應(yīng)用后太陽(yáng)能既可用來(lái)采暖，又可以用來(lái)供應(yīng)生活熱水，大幅減少煤炭能源的消耗，減輕空氣污染并減少溫室氣體的排放。基于太陽(yáng)能集熱器與新型燃爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)的使用符合西北地區(qū)農(nóng)民生活習(xí)慣，不但有效減少污染排放和一次能源的浪費(fèi)，而且對(duì)切實(shí)推進(jìn)低碳新農(nóng)村建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有積極意義。