太阳能在农村建筑中应用技术探讨

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

1 概述

随着山西省经济的逐步壮大，乡村城镇化日益加速，人民对建筑舒适度要求进一步提高，建筑能耗与能源储量矛盾愈发明显。而目前我省农村建筑存在资源有限、人均不足，供需矛盾日益突出，能源结构影响环境，浪费严重形势严峻四大特点。据统计，我国建筑能耗在总能耗中所占的比例已经达到27.6%，并且这一比例还将提高。因此，建筑节能对于全球气候变化和实施可持续发展战略都意义重大。

按照《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》中关于农村建筑节能要求，探索农村建筑节能工作;2006年1月1日颁布的《可再生能源法》对农村小型可再生能源设施建设提出了新的方向，明确规定风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源为可再生能源，并且国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，因此本文提出利用太阳能低温地板辐射供暖在农村建筑中实施的可行性。

农村建筑特点决定了其独立供暖而非集中供暖，但单户独立供暖却受资源及运行费用的限制，难以推广。作为可再生能源，我省的太阳能资源非常丰富，其中太阳能较丰富地区的山西北部年辐射总量约为5852 MJ/m2～6680 MJ/m2，山西南部年辐射总量约为5016 MJ/m2～5832 MJ/m2，太阳能资源经济环保，是比较理想的采暖源，加以利用为建筑物供热采暖可获得较好的节能和环保效益。表1以运城地区为例，对几种常见供暖形式经济性做了比较。

表1 几种常见供暖形式经济性比较

从表1可以看出，采用电加热直接供暖的运行费用最高，而太阳能低温地板辐射供暖的费用较低;从环保及经济节能的角度考虑，太阳能作为低温地板辐射供暖的热源是较理想的方式。

2 太阳能低温地板辐射采暖系统

太阳能低温地板辐射采暖系统是将太阳能转化成热能，供给建筑物冬季采暖，系统主要部件有太阳能集热器、换热储热装置、控制系统、辅助能源加热设备、泵、连接管道和末端散热系统等，本文就太阳能五大部分做详细分析。图1为典型太阳能低温地板辐射采暖系统原理图。

图1 典型太阳能低温地板辐射采暖系统原理图

2.1 太阳能集热器选择

太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。就我国目前集热器种类，主要分平板集热器及真空管集热器两种;本文参考省建科院节能所今年夏季对山西侯马、临猗等地区太阳能热水系统统计的相关数据，两种集热器集热效率无多大差别，但平板集热器便于与建筑结合，不会破坏建筑的整体外观而优先采用。图2为两种集热器与建筑结合效果图。

图2 集热器与建筑结合效果图

2.2 太阳能储热装置

由于太阳能具有能流密度低，受气候、季节影响较大，稳定性差等弱点，尤其在山西严寒地区等冬季气温低，日照时间短，加强储热系统可减少辅助热源使用量，本文考虑新型储热水箱，内设散热壳体，散热壳体内设有固体介质储热体，固体介质储热体内设有电加热管，电加热管接头位于储水箱一侧外端。其具有结构简单，成本低，使用方便的特点。

当平均日太阳能不能满足采暖供热需求时，利用储热器所储存的热量给予及时的补充来满足采暖要求，这样就可以实现太阳能的连续利用，从经济的观点来看，储热技术在热能装置的有效利用和促进大规模能量的循环利用方面，具有很大潜力。表2为集中典型集热器与储热水箱连接的优缺点。本文建议选取第一种适合农村太阳能供暖储热系统。

表2 集中典型集热器与储热水箱连接的优缺点

2.3 太阳能辅助加热系统

太阳能供暖系统应设辅助热源及其加热/换热设备、设施，辅助热源可因地制宜选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热和生物质燃料等，加热/换热设备、设施有各类锅炉、换热器和热泵等。由表1可知，天然气作为辅助热源效率最低，而电加热效率最高，因此建议利用天然气作为辅助加热源。

辅助热源的供热量宜按现行国家标准GB 50019-2003采暖通风与空气调节设计规范规定的采暖热负荷计算;在标准规定可不设置集中采暖的地区或建筑，可根据当地的实际情况，适当降低辅助热源的供热量标准。辅助热源加热、换热设备应根据当地可用的热源种类、价格、供水水质、供暖系统形式、对环境的影响、使用的方便性等多项因素，通过技术、经济分析合理选用;宜重视废热、余热利用。

辅助能源功率和辅助能源的运行时间有关，因为一天的总能量需求(热负荷)已经固定，因此辅助能源的运行时间越短，需要的功率就越大，反之亦然。在计算辅助能源功率时要按全部热负荷计算(在阴、雨、雪天气没有太阳能，所有能源都由辅助能源提供)。辅助能源的最大运行时间应该控制在16 h内(一天有1/3时间休息)，因此辅助能源的功率至少是采暖功率的1.5倍。

2.4 太阳能供暖控制系统

太阳能供暖控制系统一般采用PT100温度传感器采集的太阳能真空管出水口温度和室温，利用单片机控制水泵、电磁阀实现储热、供暖，实现太阳能的高效利用，昼夜不间断供暖，供暖温度灵活可调，从而降低了热量的浪费。

若实现其与辅助热源的连锁，利用一种太阳能热水器与供暖型燃气热水器转换供暖的控制系统，包括有太阳能热水器，供暖型燃气热水器，散热器，散热器的供水输入口与太阳能热水器的供水输出口连通，散热器的供水输出口与供暖型燃气热水器的采暖回水输入口连通。还包括电控三通阀，用于检测太阳能热水器水温的温度检测器，以及控制电控三通阀的控制器，电控三通阀的供水输入口与供暖型燃气热水器的采暖热水输出口连通，电控三通阀的一个供水输出口与太阳能热水器的供水输入口连通，电控三通阀的另一个供水输出口与散热器的供水输入口连通;控制器控制电控三通阀、供暖型燃气热水器工作，在控制器CK外壳上设有转换工作模式的调节旋钮，系统具有低碳、节能环保的特点。

2.5 地板辐射采暖系统

常见的以热水为热媒的采暖末端散热器的形式有低温地板盘管散热器辐射供暖、墙壁金属散热器供暖、顶棚风机盘管式供暖、墙壁盘管散热器辐射供暖。

地板辐射采暖是一种以低温热水为媒介，通过室内盘管进行散热的供暖方式。通常盘管敷设于室内整个地面，热水流经盘管，均匀地向室内辐射热量。由于热稳定性好、室内温度均匀、免占室内空间、节能、干净、维护方便等优点而受到人们的欢迎。系统中的低温热水温度为35℃ ～50℃，不能超过60℃，供、回水温差不宜大于10℃，而这个温度段正好是太阳能热水器热利用最高的温度段。

根据计算，我们可得到采暖房间的采暖功率，因此也就知道各房间散热器一天发散的总能量，按照散热器半天工作的原则我们知道散热器的功率是采暖功率的2倍。再根据各种散热器的散热能力选择散热器面积。

2.6 环境效益及常规能源替代量

常规能源替代量(吨标准煤)比较对象:冬季选取常规的燃煤锅炉房(根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》锅炉效率取68%)作为比较对象。其结果可由表3常规能源替代量及环境效益的评价表4反映。

表3 常规能源替代量计算表

3 结语

太阳光普照大地，没有地域的限制，是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的，太阳能地板辐射采暖技术是一种绿色、环保、节能、舒适的采暖技术，可很好地解决农村地区采暖与节能的难题，能有效提高农民的生活质量，有很好的发展和推广应用前景。在阴雨雪天气系统自动切换至燃气锅炉辅助加热让冬天的太阳能供暖得以完美的实现，春夏秋冬可以利用太阳能集热装置生产大量的免费热水，大面积推广也可取得可观的环境效益。

表4 环境效益计算表 t/年

太阳能低温地板辐射采暖系统具有:

1)节约能源成本，运行成本降低;2)安全可靠;3)绿色环保;4)智能控制，经济运行;5)使用寿命长;6)建筑一体化;7)能源互补等众多优点，可广泛应用。

目前由于系统的初投资较大等原因，太阳能供暖技术的利用还没有广泛普及，研究、开发新型太阳能低温地板辐射供暖系统，不断提高其可靠性和经济性，同时进行示范工程应用，逐步实现太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的实用化和商品化，对于解决能源和环保问题具有极其深远的意义。

［1］李建成.太阳能热水系统与地源热泵应用情况分析［J］.山西建筑，2011，37(7):192-193.