西北農村太陽能集中采暖的安裝場地分析

郭懷云　劉艷峰　李洋　李濤

摘要：對西北農村住宅采暖面積、村莊規(guī)模及村內住宅建筑密度等問卷調查，分析了農村發(fā)展太陽能集中采暖主要限制因素，研究了太陽能集中采暖模式在西北農村的適應性。結果表明，西北農村采用太陽能集中采暖需滿足下列條件：集熱器安裝場地條件，西安農村平均每戶需提供集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農村為40～50 m2，烏魯木齊農村為45～60 m2，西寧、格爾木農村為20～30 m2；農村住宅容積率條件，西安、西寧、格爾木地區(qū)農村最低需滿足0.38～0.41，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)為0.27～0.31。對比西北農村太陽能集中采暖條件現狀及上述限制性條件分析結果得出，西安、蘭州地區(qū)超過80%的村莊不能提供足夠的集中集熱場地；西寧、格爾木地區(qū)滿足住宅建筑容積率條件的村莊不足30%。

關鍵詞：農村地區(qū)；太陽能集中采暖；問卷調查；集熱場地；建筑密度

中圖分類號：TU832.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）04-0142-07

Abstract： A questionnaire investigation was carried out on the residential heating area of northwest rural， village scales and building density. The main limiting factors of the development and the adaptabilities of concentrated solar heating in rural were analyzed. The results showed that the following factors requirements should be satisfied before concentrated solar heating was applied. Firstly， the average area required for collector installation per household was was30～40 m2 in Xian， 40～50 m2 in Lanzhou， Yinchuan， 45～60 m2 in Urumqi， and 20～30 m2 in Xining and Golmud， respectively. Secondly， the minimum building volume rate required was 0.38～0.41 in Xian， Xining and Golmud rural village， 0.27～0.31 in Lanzhou， Yinchuan， and Urumqi， respectively. However， the questionnaire investigation of current situation in northwest rural showed that more than 80% of the villages in Xian and Lanzhou failed to provide enough space for concentrated heating. Less than 30% of the village had building volume rate that met the requirement. of conditions.

Key words： rural areas；concentrated solar heating； questionnaire survey； collector area； building density

隨著西北農村社會經濟的發(fā)展，農戶對住宅冬季采暖需求不斷提高，西北地區(qū)太陽能資源豐富，發(fā)展農村太陽能采暖可有效滿足冬季采暖要求[1-6]。如今太陽能采暖已在諸多農村得到實施，北京市平谷區(qū)的將軍關村、掛甲嶼村及河北省遷安市馬蘭莊的新農村住宅等都使用了太陽能采暖技術[7-8]；英、美等國也先后建成了伯明翰郊區(qū)的太陽能村及托馬森太陽房、洛夫太陽房等太陽能采暖示范工程[9-13]。農村太陽能采暖工程按采暖規(guī)模劃分主要分為分戶采暖模式和集中采暖模式[14]。太陽能分戶采暖模式在農村地區(qū)的應用較為普遍，該模式操作簡單運行方便，但供暖穩(wěn)定性差，且對多層住宅無法有效供暖[15]。隨著農村新建住宅層數的增加、住宅建筑密度的聚集，發(fā)展農村太陽能集中采暖，不僅提高了農村太陽能采暖的經濟性，也解決了農村多層住宅太陽能采暖的難題[16-18]。

目前，關于農村太陽能分戶采暖模式的相關技術研究日趨成熟，而農村太陽能集中采暖模式的研究卻相對較少。筆者以西北農村為研究對象，通過對西北農村地區(qū)太陽能集中采暖條件進行問卷調查，掌握西北農村太陽能集中采暖條件現狀，在分析農村太陽能集中采暖模式可行性條件的基礎上，研究太陽能集中采暖模式在西北農村的適應性。

1 西北農村太陽能集中采暖條件調查

1.1 調查概況

為掌握西北農村住宅采暖面積、村莊規(guī)模及村內住宅建筑密度等基本情況，對西安、蘭州、銀川、西寧、格爾木、烏魯木齊6個地區(qū)的農村進行問卷調查。調查以隨機抽樣的方式向各地區(qū)隨機選取數10個村莊，每村發(fā)放問卷調查表1～2份，其中西安周邊隨機選取村莊75個，蘭州周邊選取村莊78個，銀川周邊選取村莊32個，西寧周邊選取村莊32個，格爾木周邊選取村莊20個，烏魯木齊周邊選取村莊45個。共發(fā)放問卷調查表450份，收回有效問卷396份，有效回收率88%。

1.2 調查結果與分析

西北農村住宅，一般對臥室、廳堂等居民經常使用的區(qū)域進行供暖，由于各戶家庭住宅條件不同，住宅采暖面積具有一定的差異性。如圖1可知，西北農村每戶住宅建筑采暖面積為80～100 m2的比例為70%，而超過120 m2及少于60 m2的采暖住宅低于10%。

西北地區(qū)面積廣闊，受文化及經濟發(fā)展的影響，各地村莊規(guī)模差距較大，以“自然村”為單位村莊進行問卷調查。由圖2得出西安、蘭州、銀川農村地區(qū)的單位村莊居民戶數在150～200戶的比例較高，超過了50%，烏魯木齊、西寧、格爾木約有60%的村莊居民戶數在100～150戶。

西北農村村莊周邊大都存在許多或大或小的閑置荒廢土地，同時，隨著新建建筑的增加、舊有宅基地的累積及荒廢，這樣的閑置土地越來越多。這些土地一般荒廢、集中且周圍無遮陽，比較適合作為集熱器的集中集熱場地。由圖3調查結果可知，由于各地農村環(huán)境條件不同，不同地區(qū)農村的閑置土地面積相差較大，其中西寧、格爾木、烏魯木齊地區(qū)農村村內閑置土地面積明顯高于西安、蘭州周邊農村。

對比圖2、圖3可知，有些地區(qū)農村住宅戶數較少，但村內閑置土地面積較大；而有些地區(qū)農村住宅戶數較大，可村內閑置土地面積也較多?？紤]到集中集熱場地面積主要與村莊規(guī)模有關，而調查得出的不同地區(qū)閑置土地面積大小不能反映該地是否提供所需的集熱器安裝場地面積，因此，對當地的村莊規(guī)模及村內的閑置土地進行了綜合統(tǒng)計，得出了各地區(qū)農村平均每戶擁有的集中集熱安裝場地面積調查結果。

由圖4可知，西安、蘭州大部分村莊可提供的每戶集熱場地面積不足40 m2，而烏魯木齊、西寧、格爾木大部分村莊可提供的每戶集熱場地面積超過50 m2的比例超過65%。

農村住宅建筑密度是指單位宅基地面積下所具有的居民戶數。表1為西北各典型地區(qū)農村住宅建筑密度調查，調查以每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數為對象，其中10 000 m2宅基地面積的選取以村內住宅分布較為密集的地帶為中心，選擇住宅分布較為均勻的區(qū)域。

由表1調查結果得出，西安、蘭州周邊農村居民住宅建筑密度顯著高于西寧、格爾木地區(qū)，其中西安地區(qū)接近60%的村莊住宅建筑密度在30戶/（萬m2）以上，格爾木地區(qū)超過55%的村莊住宅建筑密度在20戶/（萬m2）以下。

2 西北農村太陽能集中采暖可行性條

件分析

影響農村太陽能集中采暖可行性的主要因素包括農村住宅采暖負荷條件、集熱器集中安裝場地、采暖建筑容積率要求等。

2.1 西北農村住宅太陽能集中采暖負荷條件分析

農村住宅采暖熱負荷是設計太陽能集中采暖系統(tǒng)及設備選型的重要依據，同時，農村住宅圍護結構良好的熱工性能是確保太陽能集中采暖可在農村使用的必要前提。如果住宅建筑本身保溫性能不高，住宅單位面積采暖負荷較大，將會使采暖系統(tǒng)設計容量增加，這不僅造成了資源的浪費，也大幅降低太陽能采暖系統(tǒng)應用的經濟性。

由于農村住宅建筑有著與城市建筑不同的結構形式，因而現存的一些節(jié)能標準規(guī)定的建筑圍護結構熱工參數對農村住宅而言并不適用。農村住宅建筑熱工參數主要受到當地室外氣候條件的影響，西北氣候分區(qū)主要包括嚴寒地區(qū)與寒冷地區(qū)，不同氣候分區(qū)的住宅建筑熱工參數具有明顯差異，筆者參考文獻[19]提供的農村節(jié)能建筑圍護結構熱工參數限值；由于農村居民工作生活相對自由，在家所穿衣物較多，因此，農村室內計算溫度應以14～16 ℃考慮，選取15 ℃；住宅采暖熱負荷的計算參照文獻[20]中3.3.2的規(guī)定。西北各地農村在良好的建筑圍護結構條件下，單位面積住宅建筑耗熱量指標計算結果見表2。

由表2可知，西北農村住宅建筑在良好的建筑圍護結構條件下，單位面積建筑耗熱量指標可降至50～70 W/m2，這一指標與城市節(jié)能住宅相比仍然較高，但與傳統(tǒng)農村住宅相比，采暖負荷顯著降低很多，已滿足農村太陽能采暖應用要求。

2.2 西北農村太陽能集中采暖集熱場地條件

太陽能集中采暖采用集中集熱，能否提供足夠的集熱器安裝場地是判定集中采暖模式能否在該地應用的主要因素之一。太陽能集中采暖集熱器安裝場地面積的大小主要由住宅建筑耗熱量指標及太陽能采暖系統(tǒng)保證率決定，西北各地農村住宅建筑耗熱量指標采用表2的計算結果，而太陽能保證率的最低限值主要與當地太陽能資源有關；由于西北地區(qū)太陽能資源分布不均，因此，各地太陽能采暖保證率最低限值具有一定的差異性，筆者主要參照文獻[21]確定不同地區(qū)太陽能保證率最低限值。

太陽能采暖系統(tǒng)集熱器面積的計算參考文獻[20]中3.4.3的規(guī)定。西北農村住宅單戶采暖面積假定為60、80、100、120 m2的條件下，各地集中采暖中平均每戶所需的集熱器安裝場地面積指標如表3；其中表中JT 為當地緯度傾角平面12月份的月平均日輻照量，MJ/（ m2·d）；QH為單位面積建筑物耗熱量，W/m2；f 為太陽能保證率；θ為換熱因子；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率；ηl為管路及蓄熱裝置熱損失率；AIN為單戶采暖面積所需的集熱器面積，m2。

由圖1西北農村住宅采暖面積調查結果可以看出，西北農村超過70%的住宅建筑所需采暖面積在80～100 m2，由表3可知，西安農村采用集中采暖模式平均每戶需滿足集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農村為40～50 m2，烏魯木齊農村為45～60 m2，西寧、格爾木農村為20～30 m2。

2.3 西北農村太陽能集中采暖建筑容積率條件

農村住宅采暖建筑容積率是指農村總采暖面積與總宅基地面積的比值。采暖建筑容積率是影響農村太陽能集中采暖室外管網熱輸送的主要因素，農村采暖住宅分布過于分散會導致供暖管道過長，不但加大了管道的熱損失，也存在很多的“無效冷水”，使遠處住宅采暖時，不能達到設計的采暖溫度。因此，發(fā)展農村太陽能集中采暖，住宅采暖建筑容積率需有一個限制性指標。

圖5為農村太陽能集中采暖室外管網簡易圖，以住宅1～4為分析對象。為使4個住宅采暖外網總長度最大，則要求相鄰住宅之間距離相等，即圖5中住宅1與住宅2，住宅1與住宅3距離相等，此時管道熱損失最大，采暖住宅容積率也最低。因此，根據住宅總采暖量、管網熱損失率及采暖住宅容積率之間的關系，可得出室外管網熱損失率與采暖建筑容積率之間的變化規(guī)律，具體結果如圖5。

由圖6、圖7可知，集中采暖系統(tǒng)室外管網熱損失隨住宅采暖建筑容積率的增加而減少。根據文獻[22]的規(guī)定，室外供熱管網熱輸送效率不應低于90%，即室外管網熱損失率不能高于10%。當室外管網熱損失率為10%時，西安、西寧、格爾木地區(qū)農村住宅采暖建筑容積率約為0.33～0.38，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)為0.20～0.25。

3 西北農村太陽能集中采暖適應性

分析

太陽能集中采暖模式在農村地區(qū)使用的主要限制性條件為集熱器集中安裝場地及住宅采暖建筑容積率?；?.2、2.3節(jié)中這些限制性條件的計算分析結果，并結合西北農村太陽能集中采暖條件調查結果對比分析，可得出西北各典型地區(qū)農村太陽能集中采暖模式的適應性。

由于住宅采暖建筑容積率是農村單戶采暖面積與總宅基地面積的比值，無法直接調查得出，以單戶住宅采暖面積為100 m2，結合典型地區(qū)住宅采暖建筑容積率指標，可計算得出每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數，該指標稱為居民戶數指標。西安、西寧、格爾木地區(qū)農村住宅采暖建筑容積率為0.33～0.38，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)農村住宅采暖建筑容積率為0.20～0.25。將其轉化為居民戶數指標，西安、西寧、格爾木地區(qū)每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數為33～38戶，蘭州、銀川、烏魯木齊為20～25戶。

上述計算得出的居民戶數指標與表1各典型地區(qū)農村住宅建筑密度調查結果進行比較，可得出典型地區(qū)滿足居民戶數指標要求的村莊比例。表3為西北各典型地區(qū)農村集中采暖集熱器面積分析結果，與圖3各地村內單戶擁有集熱場地面積統(tǒng)計結果相比較，得出西北典型地區(qū)農村能夠提供太陽能集中采暖集熱安裝場地要求的村莊比例。相關數據對比結果如表4。

由表4可得，以集熱器安裝場地條件分析，西安、蘭州地區(qū)農村可提供足夠集中集熱安裝場地面積的村莊比例不足20%，銀川、烏魯木齊地區(qū)農村滿足要求的村莊比例在50%～75%，而西寧、格爾木地區(qū)有超過80%的農村可提供足夠的集中集熱場地。以農村采暖建筑容積率條件分析，蘭州、銀川、烏魯木齊農村居民住宅建筑密度滿足要求的農村比例超過50%，而西寧、格爾木周邊農村住宅建筑分布較為分散，滿足要求的農村比例不足30%。

4 結 論

1）農村住宅采用太陽能采暖，住宅圍護結構需具有良好的保溫性能。西北農村住宅在保溫性能良好的條件下，單位面積建筑耗熱量指標可降至50～70 W/m2，相比傳統(tǒng)農村住宅，采暖負荷顯著降低，滿足太陽能采暖應用要求。

2）西北農村太陽能集中采暖可行性的關鍵影響因素為集熱器安裝場地條件及采暖建筑容積率條件。其中，西安農村平均每戶需提供集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農村為40～50 m2，烏魯木齊農村為45～60 m2，西寧、格爾木農村為20～30 m2；西安、西寧、格爾木農村采暖建筑容積率最低限值需滿足0.38～0.41，蘭州、銀川、烏魯木齊農村為0.27～0.31。

3）對比各典型地區(qū)太陽能集中采暖可行條件及當地太陽能采暖條件問卷調查結果得出：西安、蘭州地區(qū)超過80%的村莊不能提供足夠的集中集熱場地，西寧、格爾木地區(qū)滿足住宅建筑容積率條件的村莊不足30%。

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（編輯 胡英奎）