我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能供熱技術(shù)對比研究

楊忠國　王兆宇+　葛冠男

摘 要 隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的不斷加大，農(nóng)民生活水平顯著提升，生活用能不斷增加，能源商品化特征顯著，對農(nóng)村住宅太陽能供熱技術(shù)的研究有助于利用我國寒冷地區(qū)豐富的太陽能資源?；诖耍x用平板集熱器，在TRNSYS平臺下，以太陽能蓄熱和熱泵系統(tǒng)為研究對象，對兩種形式下無太陽能對住宅的供暖效果進(jìn)行比較研究，得出我國寒冷農(nóng)村地區(qū)更適宜推廣利用太陽能集熱蓄熱系統(tǒng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞 太陽能供熱；太陽能蓄熱；空氣源熱泵

中圖分類號：TU18；TU833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-890X（2015）18--02

我國幅員遼闊，太陽能資源極為豐富。尤其是位于北緯30～40°的寒冷地區(qū)，更是擁有相當(dāng)豐富的太陽能資源，具備推廣利用太陽能供熱技術(shù)的自然優(yōu)勢。我國寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)溫度普遍較低，夜間更會(huì)低至0 ℃以下，為法定供暖地區(qū)。但是農(nóng)村地區(qū)居住分散，多為單戶式住宅，難以集中供暖。加之農(nóng)村供暖設(shè)備簡陋落后，供熱效率低，會(huì)在很大程度上浪費(fèi)能源、污染環(huán)境。這種情況下，迫切需要引用新型的供暖用能方式以改善寒冷地區(qū)農(nóng)民采暖條件。太陽能供暖作為新型自然的供能方式，非常適宜寒冷地區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅建設(shè)，有利于解決農(nóng)村住宅能耗問題，改善寒冷地區(qū)住宅室內(nèi)舒適度。但是對于寒冷地區(qū)而言，何種太陽能供熱系統(tǒng)是最適宜、最有效、最經(jīng)濟(jì)的是現(xiàn)階段農(nóng)村住宅太陽能供熱研究的重要內(nèi)容。本文通過對太陽能蓄熱供熱系統(tǒng)及空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的對比研究，探究最適宜寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的太陽能供熱技術(shù)。

1 單戶式農(nóng)村住宅能耗分析

我國農(nóng)村住宅基本上為單戶式住宅，此類住宅體量小、耗能低，可控性強(qiáng)，空余空間大，這些都為太陽能供熱技術(shù)的運(yùn)用提供了便利?，F(xiàn)如今，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，農(nóng)村能源使用步入商品化進(jìn)程，尤其是我國寒冷地區(qū)農(nóng)村，每年在采暖上都會(huì)耗費(fèi)大量能源，加劇了能源資源負(fù)擔(dān)。單戶式農(nóng)村住宅的分散性、緊湊性、住宅內(nèi)居民用熱總量的有限性及住宅周圍空閑空間多等特征與太陽能分布廣、密度低、獲取方便、經(jīng)濟(jì)清潔等特點(diǎn)相適應(yīng)，為寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅使用太陽能提供了優(yōu)勢條件。

目前，太陽能供熱應(yīng)著力解決的問題為：一是熱量補(bǔ)充問題，即沒有太陽能時(shí)，住宅仍需采暖供熱的問題；二是安全性問題，即集熱系統(tǒng)冬季面臨凍裂，夏季面臨過熱的問題；三是太陽能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于上述問題，筆者選用平板型集熱器作為太陽能系統(tǒng)集熱部件，防止出現(xiàn)冬季凍裂、夏季過熱問題，分別研究蓄熱和熱泵兩種供熱系統(tǒng)的夜間供熱效果。同時(shí)，以TRNSYS平臺為依托建立的蓄熱與熱泵兩種系統(tǒng)作為研究模型，系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：一是供熱季供熱，非供熱季供應(yīng)熱水，室內(nèi)自然通風(fēng)；二是集熱系統(tǒng)一樣；三是各地區(qū)供熱、供水時(shí)間段一致；四是蓄熱系統(tǒng)以卵石床為介質(zhì)，白天在平板集熱器作用下，熱空氣先由蓄熱床蓄熱，而后進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行供暖，夜間從蓄熱床取熱；五是空氣源熱泵僅用于供熱季夜晚，白天由太陽能供熱；六是不用輔助熱源，不控室溫。兩種系統(tǒng)參數(shù)對比見表1所示。

2 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能供熱技術(shù)對比研究

農(nóng)村分散式、低密度的住宅不宜進(jìn)行集中供暖，作為可再生能源的太陽能以其經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等優(yōu)勢成為寒冷地區(qū)農(nóng)村保溫節(jié)能的重要資源。筆者認(rèn)為，應(yīng)竭力從環(huán)境中取熱，以提升室內(nèi)環(huán)境溫度，而上文所說的太陽能蓄熱和熱泵兩種系統(tǒng)，無需輔助熱源，無需控溫，正契合這一要求。當(dāng)前主要的環(huán)境熱源有太陽能和熱泵（空氣、水、土壤），筆者構(gòu)建太陽能與蓄熱設(shè)備結(jié)合的系統(tǒng)研究通過太陽能改善室溫的效果，構(gòu)建太陽能與熱泵結(jié)合的系統(tǒng)，研究夜間供熱效果，并進(jìn)行比較研究。

根據(jù)我國建筑氣候區(qū)劃圖和太陽能資源分布圖，選取寒冷地區(qū)北京、拉薩、呼和浩特、阿勒泰作為代表城市，研究普通住宅保溫隔熱下的自然通風(fēng)、太陽能蓄熱、太陽能空氣源熱泵3種狀況下的室內(nèi)溫度情況。通過對比發(fā)現(xiàn)，不管是拉薩、北京，還是呼和浩特、阿勒泰，在使用蓄熱和熱泵系統(tǒng)后，其住宅室內(nèi)溫度都明顯上升與改善，相較于不供暖，室內(nèi)溫度均上升6～8 ℃。由于熱泵具有較為穩(wěn)定的制熱工況，空氣出口溫度要高于由蓄熱體換出的空氣溫度，同時(shí)，白天的蓄熱量要少于夜間熱泵制熱量。另外，由于傍晚和凌晨，集熱和熱泵系統(tǒng)均由輻熱調(diào)控，有陽光時(shí)，即啟動(dòng)集熱系統(tǒng)，關(guān)閉熱泵系統(tǒng)。屆時(shí)，室外輻射量和溫度都較低，致使集熱系統(tǒng)溫度偏低，主要時(shí)間段為每天的08：00-10：00和19：00-20：00，由此，集熱、熱泵系統(tǒng)全年供熱有著較大幅度的波動(dòng)。

太陽能集熱與熱泵進(jìn)行組合供暖時(shí)，因兩系統(tǒng)在其運(yùn)行時(shí)間里有著較大的供熱溫度差異，太陽能集熱有賴于瞬時(shí)輻射量，而夜晚的熱泵供熱則受制于瞬時(shí)空氣溫度，進(jìn)而使供熱空氣溫度變化大，供熱不穩(wěn)定，舒適度不夠。一般來說，夜晚時(shí)，熱泵產(chǎn)熱量是蓄熱產(chǎn)熱量的2倍，因此，從供熱量看，熱泵更易在夜間發(fā)揮供熱效用。但是從供熱性能上看，寒冷地區(qū)使用蓄熱系統(tǒng)往往都優(yōu)于熱泵夜間供熱。因此，在選取太陽能供熱系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)參照當(dāng)?shù)靥栞椛淞考肮釙r(shí)數(shù)進(jìn)行綜合考量。例如，在陽光充沛的呼和浩特和拉薩等地，使用蓄熱系統(tǒng)就優(yōu)于熱泵系統(tǒng)。

3 結(jié)論

寒冷農(nóng)村地區(qū)使用太陽能供熱系統(tǒng)，應(yīng)在合理有效利用環(huán)境能源的基礎(chǔ)上，選取適宜的供熱系統(tǒng)，通過上述對太陽能蓄熱和太陽能熱泵兩類供熱系統(tǒng)的分析對比得出以下結(jié)論：第一，在供暖季，太陽能空氣源熱泵所供給的室內(nèi)溫度高于太陽能集熱蓄熱，室內(nèi)溫度高、效果好，舒適性佳；第二，寒冷地區(qū)，集熱蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行系數(shù)高于熱泵系統(tǒng)；第三，由于兩類供暖系統(tǒng)在供暖季所供給室內(nèi)的溫度相差較小，都能保證室溫保持在0 ℃以上。因此，基于全年節(jié)能及能源消費(fèi)視角，應(yīng)在我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅推廣太陽能集熱蓄熱系統(tǒng)為最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]管振忠，王崇杰，薛一冰，等. 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能采暖技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐[J].陽光能源，2009（1）：52-55.

[2]鄭瑞澄，韓愛興.我國太陽能供熱采暖技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].建設(shè)科技，2013（1）：12-16.

[3]魯聞君，解萬玉，蔣賽百，等.太陽能技術(shù)在山東農(nóng)村住宅中的應(yīng)用及展望[J].安裝，2014（2）：54-56.

（責(zé)任編輯：劉昀）