可再生能源在农村住宅中的应用研究*

陈 文 刘建龙

我国是人口大国,70%的人口生活在农村,广大农村地区的能源消耗,对于我国的能源供求总量及其能源结构都有着重要的影响。近几年,我国农村节能减排工作取得了较大进展,基本形成了以农村沼气等生物质能源开发为重点,以太阳能、风能等高效利用为补充的可再生能源开发利用体系。抓好农村节能减排:1)有利于优化能源结构,缓解能源压力;2)有利于保护和改善农村生态环境,提高农民生活质量,对于实现全国节能减排目标具有重要意义[1]。要解决村镇的能源和环境问题,必须树立生态村镇的观点,强调能源消费结构的多样性和地域特色,重点发展可再生能源和低品位能源在村镇建筑中的高效应用,集成和开发适宜不同气候特点的小城镇节能技术和可再生能源利用技术。下面谈谈可再生能源在农村建筑、家庭生活用能方面的应用。

1 太阳能在村宅中的应用

所谓低温地板辐射采暖是以不高于60℃的热水作热媒,将加热管埋设在地板中的低温辐射供暖。它通过埋设于地板内的管材把地板加热,均匀地向室内辐射热量,具有热性能稳定、室温均匀、舒适、节能、免维护、管理方便等特点,是一种极为理想的农村住宅供暖方式。

1)太阳能地板辐射采暖系统原理。太阳能低温地板辐射采暖系统如图1所示[2]。当日间太阳辐射达到一定强度的时候,温差启动器开启循环水泵,此时阀门处于关闭状态,系统将进行储热,由集热器收集太阳能并以热的形式通过循环介质储存到储热器中。当太阳辐射强度低于一定值时,温差启动器将关闭循环水泵,同时关闭阀门,系统停止储热。在下午设定时刻开启循环水泵,同时打开阀门,系统进入供热阶段,当储热器出口温度低于设定的供水温度时,开启辅助热源,保证系统供水温度满足要求。当遇到阴天或天气较冷储热器出口温度太低时,可开启阀门,由辅助加热器对系统进行供暖。

2)太阳能炕采暖系统。在东北农村,多年以来人们逐渐形成了以炕为中心的生活方式。火炕采暖的方式充分利用了炉灶燃烧的余热,且成本低廉。国内学者[2,3]设计了适合农村的太阳能炕采暖系统,该系统由太阳能集热器、循环水泵、太阳能炕、补燃烧设备等组成,夏季提供生活热水,冬季同时供暖,系统原理示意图如图2所示[3]。太阳能炕将太阳能蓄热池与火炕相结合,蓄热池不保温,利用其自然散热为房间供暖,从而减少散热器、循环水泵等供热设备,利用传统火炕的炕下空间作为蓄热池还减少了蓄热池对建筑面积的占用。蓄热池下设有烟道,其中烟道面积较小并进行保温处理,夏季不需要供暖时,炊事和燃烧炉烟气通过该烟道排出,防止炕过热。冬季烟气则通过烟道排出,充分利用烟气余热。防冻水箱设于室内,夜间水泵停止工作,利用管道的压力平衡,太阳能集热器的水自然返回防冻水箱,防止太阳能集热器在严寒天气情况下冻坏,也减少了集热器夜间热传导和天空背景辐射造成的能量损失,白天开启水泵将防冻水箱内蓄水输送至太阳能集热器。

3)通风与供热一体化。在我国南方夏热冬冷地区,夏天天气炎热,农村住宅室内要进行必要的通风。如果太阳能热水器与建筑自然通风一起使用,就能达到加强通风与制备热水的双重目的,而需要的能源是取之不尽,用之不竭的太阳能。文献[4]作者提出利用通风余热作为太阳能热水器辅助能源的方案,让太阳能利用通风余热来使热水器达到更好的加热效果,去掉其传统的二次加热装置,达到保护环境、节约能源的目的。通风供热水一体化结构如图3所示。通风供热水一体化系统的工作流程如下:集热板1接收太阳辐射产生空气低压区,空气很快上升,带动房间内空气向上流动,同时窗户3开启以供应新风形成空气循环体系。此时,在房间内达到自然通风效果。供水管5处进入的水通过4处,利用热气流和热交换器充分接触达到加热水的效果,然后通过出水管9连接。为保证热水温度,在10处仍然设置了集热器继续加热热水,热水存于蓄水箱2,供用户使用热水。在此系统中,作者巧妙的运用太阳能的烟囱效应,利用其热压差产生室内通风效果,能有效的利用余热,达到初步加热冷水的效果。

2 地源热泵在村宅中的应用

我国浅层地温能分布广泛且储量大,专家测算我国浅表地层数百米内的土壤砂石和地下水中所蕴藏的低温热能可达我国目前发电装机容量4亿kW的3 750倍,而百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿kW。地源热泵运行费用较低的能量消耗、较低的维护费用、运行灵活,经久耐用,一套系统冬天可供热夏天可制冷,适合应用在农村成片建设的低层住宅[5]。

3 生物质能在村宅中的应用

3.1 沼气

沼气是各种有机物质,在隔绝空气(还原条件)、适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气池建设不仅有利于改善农民生产、生活环境,提高农民的生活质量,而且改善了农村能源短缺的局面,满足农民对电、热、水的需求,同时也提高农村清洁能源的利用率,利用沼气技术也是治理农村生活污水的重要工程措施。20世纪70年代初,为解决秸秆焚烧和燃料供应不足的问题,我国政府在农村推广沼气事业,沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。根据农业部发布的《全国农村沼气工程建设规划》,到今年年底,全国将有4 000万农户使用户用沼气,达到适宜农户的30%左右;全国4 000万户农村户用沼气,每年产生约 154亿m3的沼气,相当于替代2 420万t标准煤的能源消耗和1.4亿亩林地的年蓄积量,农民每年可增收节支200亿元。故可以说,发展沼气是发展农村新能源、建设节约型社会的现实选择。

3.2 秸秆气化炉

秸秆气化是以秸秆为原料,利用热化学反应的原理,在密闭缺氧装置内,采用自热干馏热解法,使秸秆释放出可燃混合气体。这种混合燃气中含有一氧化碳、氢气、甲烷等有效成分,亦称生物质气。秸秆从气化装置的上部由螺旋推进器或人工加入,依靠重力或外力加压,由上部逐渐落入底部,点燃秸秆,发生热解反应后生成可燃气体,可燃气体从出气口逸出,经过净化装置去除杂质,生物质气再与空气二次混合,在灶具中燃烧,供用户使用。

4 风能在村宅中的应用

在风力资源丰富的农村地区,通过机械装置将风能转化为电能,为农民生产、生活提供能源。风力发电机一般由风轮、发电机、调向器、塔杆、限速安全机构和储能装置等构件组成,如图4所示。风力发电机的工作原理比较简单,风轮在风力的作用下旋转,它把风的动能转变为风轮轴的机械能,发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

5 结语

可再生能源开发对于中国新农村建设具有重大的现实意义。在新农村建设中合理开发利用可再生能源,不仅可以减缓中国能源紧张局面,减轻生态保护和环境污染的压力,而且还可以满足农民对水、电、热、气的能源需求,改善农村生存环境,提高农民生活质量,促进城乡协调,实现社会经济的可持续发展。

[1] 刘建龙,陈 文,谭超毅.农村住宅节能技术研究现状分析[J].四川建筑科学研究,2010,36(1):241-243.

[2] 秦贵棉.太阳能采暖技术在农村的应用[J].农机化研究,2009,31(3):208-209.

[3] 竞 峰,王 婧,张 旭.寒冷地区太阳能炕采暖系统[J].低温建筑技术,2006(3):113-114.

[4] 黄静萍.小城镇建设中的通风与供热水一体化研究[J].建筑节能,2007,35(6):47-49.

[5] 牛明成,谷延霞,韩 璐.新农村住宅节能研究[J].山西建筑,2007,33(22):238-239.