我国寒冷地区农村住宅太阳能供热技术对比研究

杨忠国　王兆宇+　葛冠男

摘 要 随着农村经济的快速发展及城镇化建设步伐的不断加大，农民生活水平显著提升，生活用能不断增加，能源商品化特征显著，对农村住宅太阳能供热技术的研究有助于利用我国寒冷地区丰富的太阳能资源。基于此，选用平板集热器，在TRNSYS平台下，以太阳能蓄热和热泵系统为研究对象，对两种形式下无太阳能对住宅的供暖效果进行比较研究，得出我国寒冷农村地区更适宜推广利用太阳能集热蓄热系统的结论。

关键词 太阳能供热；太阳能蓄热；空气源热泵

中图分类号：TU18；TU833 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）18--02

我国幅员辽阔，太阳能资源极为丰富。尤其是位于北纬30～40°的寒冷地区，更是拥有相当丰富的太阳能资源，具备推广利用太阳能供热技术的自然优势。我国寒冷地区冬季室内温度普遍较低，夜间更会低至0 ℃以下，为法定供暖地区。但是农村地区居住分散，多为单户式住宅，难以集中供暖。加之农村供暖设备简陋落后，供热效率低，会在很大程度上浪费能源、污染环境。这种情况下，迫切需要引用新型的供暖用能方式以改善寒冷地区农民采暖条件。太阳能供暖作为新型自然的供能方式，非常适宜寒冷地区农村节能住宅建设，有利于解决农村住宅能耗问题，改善寒冷地区住宅室内舒适度。但是对于寒冷地区而言，何种太阳能供热系统是最适宜、最有效、最经济的是现阶段农村住宅太阳能供热研究的重要内容。本文通过对太阳能蓄热供热系统及空气源热泵供热系统的对比研究，探究最适宜寒冷地区农村住宅的太阳能供热技术。

1 单户式农村住宅能耗分析

我国农村住宅基本上为单户式住宅，此类住宅体量小、耗能低，可控性强，空余空间大，这些都为太阳能供热技术的运用提供了便利。现如今，农村经济发展水平不断提高，农村能源使用步入商品化进程，尤其是我国寒冷地区农村，每年在采暖上都会耗费大量能源，加剧了能源资源负担。单户式农村住宅的分散性、紧凑性、住宅内居民用热总量的有限性及住宅周围空闲空间多等特征与太阳能分布广、密度低、获取方便、经济清洁等特点相适应，为寒冷地区农村住宅使用太阳能提供了优势条件。

目前，太阳能供热应着力解决的问题为：一是热量补充问题，即没有太阳能时，住宅仍需采暖供热的问题；二是安全性问题，即集热系统冬季面临冻裂，夏季面临过热的问题；三是太阳能系统的优化设计。鉴于上述问题，笔者选用平板型集热器作为太阳能系统集热部件，防止出现冬季冻裂、夏季过热问题，分别研究蓄热和热泵两种供热系统的夜间供热效果。同时，以TRNSYS平台为依托建立的蓄热与热泵两种系统作为研究模型，系统主要特点如下：一是供热季供热，非供热季供应热水，室内自然通风；二是集热系统一样；三是各地区供热、供水时间段一致；四是蓄热系统以卵石床为介质，白天在平板集热器作用下，热空气先由蓄热床蓄热，而后进入室内进行供暖，夜间从蓄热床取热；五是空气源热泵仅用于供热季夜晚，白天由太阳能供热；六是不用辅助热源，不控室温。两种系统参数对比见表1所示。

2 寒冷地区农村住宅太阳能供热技术对比研究

农村分散式、低密度的住宅不宜进行集中供暖，作为可再生能源的太阳能以其经济、安全、环保等优势成为寒冷地区农村保温节能的重要资源。笔者认为，应竭力从环境中取热，以提升室内环境温度，而上文所说的太阳能蓄热和热泵两种系统，无需辅助热源，无需控温，正契合这一要求。当前主要的环境热源有太阳能和热泵（空气、水、土壤），笔者构建太阳能与蓄热设备结合的系统研究通过太阳能改善室温的效果，构建太阳能与热泵结合的系统，研究夜间供热效果，并进行比较研究。

根据我国建筑气候区划图和太阳能资源分布图，选取寒冷地区北京、拉萨、呼和浩特、阿勒泰作为代表城市，研究普通住宅保温隔热下的自然通风、太阳能蓄热、太阳能空气源热泵3种状况下的室内温度情况。通过对比发现，不管是拉萨、北京，还是呼和浩特、阿勒泰，在使用蓄热和热泵系统后，其住宅室内温度都明显上升与改善，相较于不供暖，室内温度均上升6～8 ℃。由于热泵具有较为稳定的制热工况，空气出口温度要高于由蓄热体换出的空气温度，同时，白天的蓄热量要少于夜间热泵制热量。另外，由于傍晚和凌晨，集热和热泵系统均由辐热调控，有阳光时，即启动集热系统，关闭热泵系统。届时，室外辐射量和温度都较低，致使集热系统温度偏低，主要时间段为每天的08：00-10：00和19：00-20：00，由此，集热、热泵系统全年供热有着较大幅度的波动。

太阳能集热与热泵进行组合供暖时，因两系统在其运行时间里有着较大的供热温度差异，太阳能集热有赖于瞬时辐射量，而夜晚的热泵供热则受制于瞬时空气温度，进而使供热空气温度变化大，供热不稳定，舒适度不够。一般来说，夜晚时，热泵产热量是蓄热产热量的2倍，因此，从供热量看，热泵更易在夜间发挥供热效用。但是从供热性能上看，寒冷地区使用蓄热系统往往都优于热泵夜间供热。因此，在选取太阳能供热系统时，应参照当地太阳辐射量及供热时数进行综合考量。例如，在阳光充沛的呼和浩特和拉萨等地，使用蓄热系统就优于热泵系统。

3 结论

寒冷农村地区使用太阳能供热系统，应在合理有效利用环境能源的基础上，选取适宜的供热系统，通过上述对太阳能蓄热和太阳能热泵两类供热系统的分析对比得出以下结论：第一，在供暖季，太阳能空气源热泵所供给的室内温度高于太阳能集热蓄热，室内温度高、效果好，舒适性佳；第二，寒冷地区，集热蓄热系统运行系数高于热泵系统；第三，由于两类供暖系统在供暖季所供给室内的温度相差较小，都能保证室温保持在0 ℃以上。因此，基于全年节能及能源消费视角，应在我国寒冷地区农村住宅推广太阳能集热蓄热系统为最佳。

参考文献

[1]管振忠，王崇杰，薛一冰，等. 寒冷地区农村住宅太阳能采暖技术与应用实践[J].阳光能源，2009（1）：52-55.

[2]郑瑞澄，韩爱兴.我国太阳能供热采暖技术现状与发展[J].建设科技，2013（1）：12-16.

[3]鲁闻君，解万玉，蒋赛百，等.太阳能技术在山东农村住宅中的应用及展望[J].安装，2014（2）：54-56.

（责任编辑：刘昀）