太阳能——农村乡镇建筑供暖的必然选择

贾英洲　高援朝

关键词：太阳能主动式采暖热储存

一、能源形势分析

近年来石油和煤炭等传统能源近似疯狂的涨价，严重的影响了国内国际经济的发展，也直接影响了人民日常生活。与去年相比，今年煤炭价格增长了近一倍，生活用煤价格已近每吨千元，冬季的采暖费增长近一倍。随着经济的发展，工业生产和人民生活用能还将继续增长，长期看着我国能源的紧缺和价格上涨是必然趋势。

地球上石油、煤炭的储量是有限的，按现有探明储量计算，石油只够开采四五十年，煤炭也只够开采200年。而随着社会的发展和人类生活水平的提高，全社会的能源消耗量还会不断增加，我们总不能在几十年或最长几百年内把全球的矿物能源消耗完吧。煤炭石油等矿物能源还是重要的化工原料，把它们作为燃料烧掉其实是很大的浪费。从长远看，煤炭石油等矿物能源的价格大幅度上涨是必然的。如果我国的人均能耗达到美国现在的水平，则全世界的石油都供我们用也不够，因此，必须找出应对的办法。我国政府把节能减排作为一项基本国策、对各级领导提出节能减排指标一票否决，就是应对这种形势采取的一项重要措施。

二、农村乡镇建筑采暖用能的前景分析

建筑采暖用能，占我国生活用能的很大一部分，一个普通家庭每年仅采暖就要消耗煤炭1.5～2吨。此外，洗浴、炊事、洗衣等生活用热水也消耗不少的燃气或电能。北方广大农村家庭住宅冬季都需要采暖，随着人民生活水平的不断提高，就是所谓采暖过度区（黄河以南长江以北）和非采暖区（长江流域）也有强烈的冬季采暖需求，这些都大大增加了对能源的需求量。

目前我国北方农村家庭住宅采暖，大都是采用直接燃煤炉或土暖气，这些采暖方式都较落后，存在以下问题：

1．燃烧效率低，浪费大量宝贵的矿石燃料。随着人们对采暖要求的不断提高，仍大量使用低效率的燃煤炉，必将加重能源浪费，加剧国家能源的紧缺，推进煤炭价格的大幅上涨，加重了农民的负担。

2．大量燃煤会加大二氧化碳等污染气体的排放，尤其是使用低效率的土暖气炉，更是浪费能源，严重污染环境。

3．由于无专业人员管理，燃烧状态不稳定，夜间封火时常发生灭火现象，温度波动较大，供暖质量很差，很容易诱发疾病产生，甚至发生一氧化碳泄漏，危害人民健康。

因此，农村家庭住宅采暖必须改变主要用煤炭的老路。

在农村建筑采暖用能的替代办法中，电、燃气价格昂贵，不可能大量推行，剩下的只有秸秆等生物质能和太阳能两种能源具有可行性。农作物秸秆、柴草是最原始的农村生活用能源，前些年由于煤炭价格低，好多作物秸秆被放空烧掉，把其重新利用当然是好事。但是，存在以下几方面问题：其一，很多作物秸秆可以作饲料，其价值更高。其二，作物秸秆热值低，烟熏火燎，污染生活环境，燃烧使用很不方便，群众不愿意用。其三，一部分作物秸秆可做工业原料，（如稻草麦草可造纸）一部分秸秆可还田作肥料。，除去上述用处，所剩的秸秆量已不多，用于采暖不够。由于这些原因，把秸秆和柴草作为采暖用能，前景并不广阔。剩下只有太阳能一条路。

在我国所谓采暖过度区和非采暖区，冬季也是很冷的，也有较强烈的采暖需求。但在这里更不能再直接用燃煤来采暖，也不宜消耗宝贵的电力资源，太阳能可能是必然的选择。

太阳能是取之不尽用之不竭的最干净的能源，我国北方冬季又有较好的日照条件，加之采用地暖供热只需50~60℃的低温热源，与太阳能集热温度正好相匹配，我国在太阳能热利用方面的技术又比较成熟，因此，利用太阳能采暖将是最现实、最干净、最经济的途径。

三、太阳能—农村乡镇建筑采暖用能的必然选择

为什么说太阳能是农村乡镇建筑采暖用能的必然选择呢？主要有以下原因:

1．从资源方面说，我国主要采暖区在北方，而北方又恰好是日照比较好的地区，太阳能资源比较丰富。尤其在需要采暖的冬季，晴天比较多，为太阳能采暖提供了有利的条件。

其他能源都受各种各样的条件限制，如地热能、风能等替代能源不是任何地方都有，生物质能受产量的限制，唯有太阳能普照大地，几乎是公平的提供给各地，且能量巨大，只要有效的收集技术，就能获得充足的能量。

2．经过30多年的发展，太阳能热利用技术已很成熟，集热效率高，其集热温度和供暖所需的温度很匹配，完全可满足供暖需要。

3．从经济技术上分析，从上世纪七十年代开始，经过三十年多年的研究开发，我国的太阳能集热技术有了飞跃式的发展，如高效集热元件真空集热管生产技术相当成熟，其相对价格（相对人民的收入水平）降低了几十倍，甚至几百倍。过去一根真空管的价格相当于普通职工一月的工资（四五十元）。现在同样的一根真空管不足十元，相当于普通职工月工资(几百元，几千元)的几十分之一，甚至几百分之一。这为大规模利用太阳能提供了技术保证和现实的经济物质基础。

四．太阳能集热器面积的选择

1．房屋采暖热负荷标准

目前一般设计标准为40～80w/m²，对节能型房屋，可按每平方米采暖面积耗能40瓦计算，

太阳能的能量密度较低，用太阳能采暖需要有较大的集热面积。为尽量减少太阳能集热器的面积，要对房屋采取较好的隔热保温措施，以减少房屋的热损失，降低单位面积所需的热负荷。故用太阳能采暖，都应是节能型房屋，其供热量一般可按40w/m²计算。有资料显示，某些隔热保温好的房屋，其热负荷仅为20～30w/m²。

2．一般家庭采暖热负荷计算

一个普通农户家庭可按60m²的采暖面积计算，其中两间卧室，每间15m²，另有中厅和厨房约30m²。（人口多的可适当增加面积），

按60m²采暖面积、40w/m²计算，则其每天的总用热量为：

40w/m²×60m²×(3600秒×24小时)

=207360000j=50000大卡

若按30w/m²计算，则其每天的总用热量为:

30w/m²×60m²×(3600秒×24小时)

=155520000j=37500大卡

3．太阳能集热器面积的确定

在晴朗的天气里，在地球表面上，垂直于太阳光辐射平面上的太阳辐射能大约是1000w/m²，考虑到大气中常有灰尘、云雾等影响其透明度，我们可按800w/m²计算。

由于是在冬季采暖，我们取每天的日照时间为6小时来计算，即取当地真太阳时上午9点至下午3点，（实际日照时间要长些，9点前和下午3点后也有日照，正可补充接近3点和9点时阳光斜射造成的不足800w）

太阳能集热器的集热效率可按50%计算，则太阳能集热器的功率为:

800w/m²×50%=400w/m²

按一个家庭60m²采暖面积、40w/m²计算，则其则所需要的集热器面积为:

207360000j÷（400w/m²×3600×6）=24m²

按60m²采暖面积、30w/m²计算，则其则所需要的集热器面积为:

155520000j÷（400w/m²×3600×6）=18m²

集热器面积与采暖面积之比为:

24/60=1/2.5 和18/60=1/3.3

即每1m²集热器可向2.5m²或3.3m²的房间供暖

考虑到有时会出现阴天，上述比值可取1/2和1/3。

即每1m²集热器可向2～３m²的房间供暖

按上述两个方案，一个60m²采暖面积的普通家庭，太阳能集热器面积可分别设计为20m²和30m²。

五．太阳能集热器的选择

由于采暖发生在冬季，因此，一般应选用在低温条件下综合性能较好的真空管集热器。这里有两种基本方案:

第一种，普通平板密排列式真空玻璃管集热器。这种集热器技术成熟，热性能也较好，目前应用较多。其集热温度较适宜于地板辐射采暖系统。

第二种，半固定聚光型玻璃真空管集热器。这种集热系统是中国农村能源协会太阳能协调组组织专家最新研制的集热系统。这种系统有下述主要优点:

1．集热温度高。由于有3～4倍的聚光比，每个真空管接受的光辐射强度提高了3～4倍，故真空管集热器内水温上升加快，可获得较高的集热温度，在冬季也可达到70～80℃。不仅可以用在地板辐射采暖系统，而且可以用在采用普通散热器的散热系统，从而大大扩展了太阳能采暖的应用范围。

2．系统成本降低。由于有3～4倍的聚光，故玻璃真空管用量只有非聚光系统的1/3，大大节省了真空管的用量。虽然聚光器要产生一定的成本，但比真空管要造价低。而且，支架成本也有所降低。

3．可自动改变集热面面积，在春夏季非供暖季节，不需要大面积集热时，其集热面积可自动变小为原来的三分之一。避免了大量热能不能利用、不好处理的难题。

六．隔热保温和墙体本身的蓄热功能

为减少房屋的热损失，尽量降低房屋采暖的热负荷，要对房屋采取较好的隔热保温措施。具体方法，在墙体外侧粘贴一层5～8厘米的泡沫塑料板保温层，窗户要采用双层玻璃，外门最好采用双道密封门，或加一个密封较好的带保温层的门帘。

要注意，隔热保温泡沫塑料板要粘附在外墙。这样不仅隔热保温性能好，而且可使墙体本身成为储热的载体。白天给房间加热时，墙体也同时被加热，储存了大量热能。晚上无太阳能加热时，由于有外墙隔热层，墙体储存的热量不易散失，可保持室内温度平稳，下降很慢。

试验表明，只要墙体有较好的外墙隔热保温，白天用太阳能给房屋供热后，晚上即使不供热，房间温度降低一般不超过1度，完全可满足家庭采暖的要求。

七．辅助热源

太阳日照有很大的不稳定性，不仅有昼夜之分，在冬季也会出现多日的阴雪天气，为保证房间保持稳定的、适宜的温度，可采用适宜的辅助热源。

电能和燃气都是可选择的辅助热源，因为这两种能源都有启动快、易操作、污染小、使用方便的优点，可根据情况快速反应，迅速的启动或关闭辅助系统。

关于燃气采暖系统，有成熟的技术和较广泛的应用，这里不再来叙述。

关于电加热系统，有电直接加热系统和热泵供热系统两种方案。

直接电加热系统，造价低，施工简单，但耗电量大，其效率最大不超过100%，即一千瓦的电能最多产生一千瓦的热能。对于日照好，很少用辅助热源的地区，或天气条件不宜用热泵的地区（如气候太寒冷地区，空气源热泵结霜严重）可采用这种方法。

热泵供热系统。这种系统的优点是节省电能，其能效比至少能达到200%，即至少节电一倍甚至3～4倍。其缺点是初投资较大些，对于日照较差、需要辅助热源较多的地区，可采用这种方法。

八、太阳能的储存

为应对太阳日照的不稳定性，除辅助热源外，还应设置热能储存系统。对此问题，根据实际应用，我们分三个层面来分析：

1．房屋自身的蓄热功能

前面已谈到房屋自身也有不小的蓄热功能，在外墙隔热保温的条件下，当白天太阳能集热器向房间供热时，墙体本身，以及室内各种家具、衣物，都会吸收大量热能，温度不断提高，从而储存下大量热能。在外墙有较厚的隔热保温层的条件下，热量向外散发很慢，实际试验表明，每天降温在1℃左右，假设有太阳能供热时室温为20℃，随后有两天变阴，则两天后室温降为18℃，仍是比较舒适的居住温度。

如果我们在建筑房屋时，在墙体内设置一些相变蓄热材料，如硫酸钠的水化物，则将有更好的蓄热效果。

2．中小型储热水箱

为了在夜间也能供热，我们可以设置一个储热水箱。我们还按一个普通农户家庭60平方米的供热面积、30m²太阳能的集热器计算。设白天收集到的太阳能，50%在白天使用，另50%晚上用。根据前面假定，即热水器的有效功率是400w/m²,则每天收集的太阳能为：

400w/m²×30m²×3600秒/小时×6小时

=259200000j=62208大卡

储热水箱的储热量为: 62208÷2=31104大卡

设储水温度为65℃，最低可降到30℃。温差为65℃－30℃=35℃。

则所需水箱容量为:

311040大卡÷（1大卡/公斤·℃×35℃）=888公斤

储热水箱的容量选为800公斤～1吨即可

3．地下热储存

用地上储水罐储热只能进行当日的热储存，若进行长时间的热储存，就需要成十倍的增大储水箱的容量，这不仅大大增加成本，而且其隔热保温性能也不好。要进行长期热储存，理论和实践都证明，采用地下热储存是经济可行的选择。

地下热储存有很多优点，储热量大是其主要点。其容量可达几十至千百立方，不仅储存的大量水可大量蓄热，而且水窖周围的土壤也能储存大量的热能。此外，其造价也比地上建水罐低得多。可实现热能的季节性储存，即把春、夏、秋季的太阳热能储存到冬季用。

（1）储水窖的容量估算

仍假定普通农户的供暖面积为60m²，每天约需50000大卡的热能。若储水温度为50℃，供热后水温降至25℃，则每天需要热水量为:

50000大卡÷（1大卡/公斤·℃×25℃）=2000公斤=2吨

可见一个20m²的储水窖，储存50℃的热水，即使没有太阳，也可以对60平米的房间供暖10天。

（2）储水窖的建造

具体方法是在地平面2米以下挖一个直径3米、深3米、容积约20m²的储水窖，底面和四周用水泥混凝土抹好，不需要另加隔热保温层。上部用钢筋混凝土制顶，要加隔热保温层。

这种储水窖的建造难度并不大，比沼气池的技术要求低，只要不漏水即可。其成本稍大于一个家用沼气池。

（3）储水窖四周土壤的储热性能分析

当太阳能集热器向水窖内加热时，水窖内水温升高，热量会向四外扩散传递，不过水窖的四周和底部可看成是由土壤组成的无限厚的蓄热材料和无限厚的保温层，热量只会聚集储存在周围的土壤中而不会散失掉。其温度分布是：越接近水窖壁处温度越高，越远温度越低。只有顶部可向大气散热。故四周和底部不需要采取隔热保温措施。

如果热量向土壤扩散到居中心6米处，则形成一个直径12米、高10米的土壤蓄热层，其容积达1100多m²，是水窖容积的三十多倍，既使土壤的单位热容量按水的1/3计算，其总储热量也是水窖内水储热量的十倍以上。可以说土壤的蓄热能力是无限的，足可以把春、夏秋季全年的热量储存起来，供冬季采暖用。

当水窖内的水温由于向房间供热而温度降低，低于土壤温度时，土壤中的热量就会向水窖内的水传递，向水窖补充热量，以保证向房间供热。

（4）水窖顶部散热分析

顶部距地面有两米，水窖四周储热区按地面直径12米范围计算，地面散热面积约100m²。干土的导热系数约为0.12（千卡/米·小时·℃）,湿土导热系数变化较大，在0.56～1.5间,我们可在地面采取一些隔热措施，如加蛭石、干土、铺设泡沫板等隔热层，使其平均散热系数控制在0.3以内。深层土壤温度为15～18℃间，水窖内水温为50℃以上。若地面和储热层之间的平均温差按20℃计算，则平均每平米地面每天的散热量为:

0.3千卡/米·小时·℃×20℃÷2米×24小时

=72大卡/m²

100m²地面的总散热量约7200大卡，约为每天集热器总集热量50000大卡的14%。散热量远小于收集的热量，故在春夏秋季只要有太阳，就可以逐日積集储存太阳热能。

在冬季，等水窖中的水由于向房间供暖而温度降低时，土壤中的热会反过来向水窖供热，使水温升高，以保证向房间供热。

（5）储水窖四周和底部热量传递分析

储水窖为直径3米深3米的圆柱体，则其

侧面积为: 3×3.14×3=28m²。

底面面积为: 3.14×1.5×1.5=7m²

底部和四周总面积为:28+7=35m²

我们假设经过一段时间收集太阳能进行热储存，储水窖及其外侧土壤的温度分布已经达到这样一种状态：水窖内侧水温是50℃，6米外土壤温度是20℃，每隔一米的温降为5℃，则距水窖壁一米处土壤的温度是45℃，。假设该处土壤为湿土，其导热系数为1.2，则水窖侧面和四周每天向外的总导热量为:

1.2大卡/米·小时·℃×35m²×24小时×5℃÷1米

=5040大卡

同一天收集器收集的太阳热能为50000大卡，这就是说一天收集的太阳能只有约1/10传递到土壤内，很小一部分。再考虑顶部散失的一小部分热量，其余大部分热量还储存在水窖内的水中，使水温升高。由此可见储水温度足可满足采暖用。如果夏秋季日照好，储水温度达到60℃以上有可能的。

九、几种技术方案

1．单集热器系统

本系统单由太阳能集热系统组成，通过循环泵直接向房间散热器供热，没有辅助热源，也没有储水箱，只靠墙体和室内物品本身的储热功能来储存热能。其主要优点是系统造价最低。缺点是室内温度波动较大。适宜在日照好、昼夜温差较小、或不太寒冷的地区应用。对采暖质量要求不太高的地方可采用这种系统。

2．集热器+小水箱+辅助热源系统

这种系统的优点是供热稳定，当太阳能充足时用太阳能供暖，当其不足时，启动辅助热源供暖。但其造价较第一种方案高，且需要消耗一定的传统能源（电能或燃气）。

3．集热器+地下储水窖系统

这种系统的优点是供热最稳定，不管当天太阳能充足与否，地下储水窖内储存的热能都能不断向房间稳定的供热，且一般不需要辅助热源。其缺点有二，一是要增加建造储水窖的成本，二是储热温度较低一般为50℃左右，只适用于地板辐射供暖。

十．经济效益和社会效益分析:

1．经济效益

成本（按一个普通家庭估算）

太阳能集热系统成本: 7—8000元

储水系统成本: 3—5000元

合计: 10000—13000元

随着大批量的生产，以及技术的完善和进步，还会进一步降低系统的造价。按目前能源价格，每年可节省2000元，五六年可收回成本。而太阳能采暖系统至少可用10?5年。

2．社会效益

2.1．首先为国家节省了大量的煤炭、石油、电等优质紧缺的能源资源，减少了对大气的二氧化碳等污染气体的排放量，减少了环境污染。

2.2．提高了供暖的质量，改善了农村乡镇的生活环境，并可大大降低农村的发病率和死亡率。

前面已提到，目前在农村冬季采暖采用的土暖气法或直接燃煤法，不仅效率低，供暖不稳定，而且对室内和大气环境污染严重，常引起煤气中毒事故，直接危及人的生命安全。农村的冬季，老人的死亡率明显提高，其主要原因就是没有良好的供暖设施，屋内寒冷温度波动大，老人体质弱，容易感冒生病，甚至导致死亡。

采用太阳能主动式供暖，可以从根本上解决供暖不稳定问题。可保持房间有较适宜的居住温度，这对降低农村冬季的发病率和死亡率、对降低医疗费用，有重要作用。

3．充足的供热水功能，提高农民的生活质量

太阳能采暖需要几十平方米的集热器，每天可产生几吨热水，除采暖外其他生活用水量一般不超过二百多公斤，因此，一年365天，天天都有充足的热水供应，以用于炊事、洗浴、洗衣、洗碗等其他生活方面，大大方便了广大农民群众，提高了农民的生活质量。

十一．前景分析

太阳能主动式采暖已有较好的经济竞争力，其节省能源的巨大效益和零污染的优势、以及提高农民生活质量等多方面的社会效益，是其它产业无法比拟的，因此，必有很好的发展前景。

1．每户几十平方米的集热器，成十倍的扩展了太阳能的应用范围，必将带动太阳能产业产生一个新的飞跃。

2．太阳能采暖、太阳能与农村建筑一体化，必将成为新农村建设的一项重要内容，甚至成为新农村建设的一个支柱产业，进而促进新农村建设。

3．占生活用能约三分之一的建筑采暖用能，用太阳能供给，从根本上解决了农村二氧化碳的排放问题，这对改善我国生态环境具有举足轻重的作用。未来再和太阳能光发电结合，农村就可能成为可再生能源的基地，成为我国能源建设的重要战略支点。