基于太阳能集热器与新型燃炉互补的农村平顶房供暖系统的设计与研究

魏显文，许中璞，刘吉仁

(武威职业学院，武威 733000)

0 引 言

我国西北地区太阳能资源丰富，日照时间长，具备良好的太阳能资源利用条件，该地区农村房屋多为一层平顶房，在屋顶安置太阳能集热器尤为便捷，文中设计的供暖系统用于西北地区农村居住建筑的供暖，旨在提高农村建筑室内热舒适水平和降低房屋冬季采暖能耗。供暖系统既可以用来供暖，又可以用来供应生活热水，大幅减少煤炭能源的消耗，减轻空气污染并减少温室气体的排放，对切实推进低碳新农村建设、美丽乡村建设有积极意义。

1 西北地区农村供暖现状

我国西北地区地域广，农村房屋建筑相对分散，冬季比较寒冷，平均气温在零下十度左右，采暖周期长达半年之久，供暖问题继而成为老百姓切为关注的话题。

1.1 房屋建筑概况

近年来，随着新农村建设步伐的加快，我国西北地区农村面貌焕然一新，曾经的土墙危房变成了一排排整齐的四合院，老百姓的日子越来越好，随之对生活质量的追求也逐步提升，尤其是对供暖舒适度和环境要求有了新的标准。目前西北地区新农村房屋建筑以砖瓦房为主，多为一层平顶房，建筑面积在100至200平米之间。考虑到房屋建筑成本，大多数房屋在屋顶铺设10～20 mm的炉渣，用于防漏水和增加屋顶保温性能，有部分经济差的农户没有做任何的保温措施，仅仅用水泥和砂石浆涂刷墙体，保温效果很不理想。

1.2 农村供暖现状

通过调研发现，大多数家庭依然采用燃煤炉、火炕和电炕为主的供暖方式。由于涉及到烧水做饭，燃煤炉的几乎家家使用，主要燃烧原料以煤炭为主，通过煤炭燃烧将热量散发到室内，烟气通过烟筒排放到室外。这种燃煤炉使用简单，但存在很多危害。如煤炭燃烧会产生大量的有害气体被排放至空气中严重污染空气；燃煤炉一旦操作不当，就会在室内产生大量的二氧化碳和二氧化硫，引起中毒造成生命危害；燃煤炉的体积较小，大量的热能被排放的室外，室内温度仅限于燃煤炉周围，其它房价温度依然很低，供暖效果不佳。火炕是要用于夜间睡觉取暖，在房屋外部设立一个烟道，放入秸秆、稻草等原料，通过燃烧将炕加热，室内温度能达到十度左右，相对燃煤炉而言，燃烧成本较低，缺点是要频繁的添加燃料，燃烧产生的热能较低，同时也会产生一定的空气污染，取暖方面有受热不均的现象，往往都是中间热，两头凉。电炕是一种以炭纤维远红外电热板为主要材料敷设在炕上，通过电流加热的取暖方式，相对火炕要干净很多，受热均匀，还可以进行温度调节，类似电热毯一样，但需要花费一定的电费为代价。现在地方政府有相应的电价补偿，是目前收到农户青睐的一种夜间取暖方式。

2 可再生能源多元化发展

2.1 生物质能应用现状

生物质能属于绿色可再生能源，污染很低，发展包含生物质能在内的可再生能源不仅能够优化能源结构，而且有助于减轻温室效应和生态良性循环，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径之一。生物质固体成型燃料技术是在一定温度和压力作用下，把木质素充当粘合剂将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状，块状或颗粒状等成型燃料。木质、棉杆和玉米秸秆为原材料的3种燃料NO 排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。在我国北方农村地区，生物质能源和太阳能资源丰富，燃料运输成本较低，绿色环保的生物质锅炉作为太阳能的辅助热源，对形成具有清洁、舒适、可持续的农村供暖模式，有着重要的意义，与煤相比，生物质固体燃料排放的温室气体不到煤的1/9，能源环境效益巨大。

2.2 太阳能应用现状

太阳能是目前我国可再生能源利用最为广泛的一中清洁能源，尤其是分布式发电系统在西北地区经济建设中起着重要作用。通过分析我国太阳能资源分布图可以看出，西北地区为太阳能资源丰富区，年日照时数达3000多小时，短期储热系统太阳能保证率可达50%左右。

3 供暖系统总体设计

根据国家“农村地区居住建筑节能设计标准”中的规定，在冬季采暖期，供暖系统可以安全高效稳定的运行，满足房屋建筑的设计热负荷要求，保证用户的生活热水水量和水质，尽可能的提高太阳能集热效率，保证初次投资和运行费用较低，供暖系统结构简单，使用方便。根据以上要求，总体设计时需要对基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统每个部件进行合理的选型和校验，从而保证室内温度和暖气片热水温度的动态平衡。

西北地区太阳能资源丰富，新农村标准住宅建筑负荷较小，且人体热舒适可接受范围较宽，利用太阳能采暖行之有效。采用模块式设计理念，基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统由太阳能集热模块、新型燃炉模块、保暖蓄水箱模块和智能控制系统模块四部分组成。

3.1 太阳能集热器选型

太阳能集热器主要是以采集太阳辐射能量对自来水进行加热的过程，是太阳能供暖系统中的核心部分，会影响到整个供暖系统的供热效果。目前，市场上常见的集热器有平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器两种形式，如图1所示。

平板型太阳能集热器与真空管型太阳能集热器相比，平板型太阳能集热器的涂层效率要高，本身具有防冻设计，因此更适合与寒冷地区使用。由于其结构形式决定安装便捷，日常维护简单，具有一定的承压能力，尤其在冬季，西北地区降雪量较大，厚厚的积雪覆盖在集热器上面，形成压力，而真空管集热器容易破损，平板型太阳能集热器使用寿命也高于真空管集热器，基于以上分析比较，本设计中采用平板型集热器。

太阳能集热器的工作原理是自来水先经太阳能集热器加热后进入蓄热水箱，热水再与水箱内的水进行换热，整个蓄水箱温度达标后通过循环水泵送入敷设的暖气管道进入各个房间进行供暖。

3.2 新型燃炉设计

太阳能作为一种清洁能源虽然具有利用成本低、周期长等优点，但受到雨雪天气、阴天等自然条件的限制影响，到达地面的热量大幅降低。因此，在特殊天气情况下，需要通过新型燃炉进行辅助供暖，晴朗白天太阳辐照量高时太阳能集热器吸收热量，水箱蓄热，阴天或雨雪气候时，辅助热源对热量进行补充，让整个采暖期室内温度得以保证，两者切换使用降低了农户的采暖成本。

新型燃炉含有生物质颗粒投放口、排烟口、热水出口、回水口、温度检测与水位检测口、落灰杆等部分组成。新型燃炉是一种将生物质颗粒放在炉排上进行火床燃烧，利用空气流使生物质颗粒高速旋转并强烈火烧，固体生物质颗粒经与气体接触而转变为类似流体状态，这种流化过程用于燃烧产生热量，如图2所示，新型环保采暖炉是以生物质颗粒作为燃料的燃具，生物质颗粒原料来源是玉米秸秆、麦秸、稻草、树叶等农作物，比较环保，可实现生物资料的回收以及再利用。新型环保采暖炉烟筒排烟时的热空气和炉体辐射散热作为补偿供暖，在冬季使用火炉供暖的同时也可以用来做饭。

3.3 保温蓄水箱设计

西北地区冬季室外温度较低，蓄热水箱若放置于室外，则热量损伤占比较高，不利于热水储存，文中将蓄热水箱放置到厨房，减小蓄热水箱中热水的夜间热损失，在水箱外围敷设电热伴，达到24小时保温效果，使得热损失达到最小化，如图3所示。

3.4 智能控制系统设计

基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统是一个完整的闭环运行模式，热水在集热器、水箱、管道、暖气片之间循环，始终保持室内温度在一定的是适度内。智能控制系统采用STM32单片机作为主控，将太阳能集热器出水口温度传感器与保暖水箱水温传感器所采集数据传送到主控，根据设定阈值进行比较，通过调节相关阀门达到适宜水温，控制系统框图如图4所示。

4 仿真测试

通过TRNSYS软件分别对西北地区农村房屋进行负荷和太阳能与新型燃炉互补供暖系统进行仿真模拟，进一步验证该系统的实效性。

选取甘肃省凉州区的冬季室外逐时温度、逐时湿度及逐时太阳辐射量为基准，进行当地农村建筑负荷模拟，如图5所示。

图中基本单元有气象数据Type109-TMY2,天空温度，焓湿图，控制器Type2b。通过不断获取气象数据、实时天空温度与焓湿图数据后将其传输至建筑模型，反馈至控制器进行运算，进而实现对建筑采暖量进行有效控制，然后考虑到光阀的影响因素，进而气象数据产生波动，最后得到当前模拟情况下的热量图。其模拟时间为6 552 h，可得模拟时间范围内符合最大为3.5 kW,如图6所示。

同时对基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统进行模拟仿真分析，建立太阳能集热器(Type1b)、热循环泵(Type3b)、新型燃炉热源泵(Type665-1)、蓄热水箱(Type4c)等模型部件，互补供暖系统仿真模型如图7所示。

工作模式为太阳能集热器热水系统能够满足用户供暖需求时，新型燃炉热源系统关闭,太阳能集热系统承担系统全部负荷，当太阳能不足时，新型燃炉热源系统启动，进行补偿供暖。太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统运行获得水箱温度波形图如图8所示。

通过上图可见，太阳能辐射强度变化时的供水温度有所波动，采暖季刚开始由于蓄热水箱工作有延迟，再者收到太阳辐射角度的影响，太阳能集热器所得辐射能量较小，开始的供水温度较低，然后水温持续上升至基本稳定，在整体仿真时间段所获得的最佳温度达到80度，基本符合供暖需求。

5 结束语

太阳能资源是可再生能源的一个重要领域，西北地区具有得天独厚的太阳能资源，根据国家可再生能源发展规划指导意见，研究和开发基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统具有一定的价值，文中重点分析了我国西北地区农村冬供暖的现状，提出了以太阳能集热器为主，新型燃炉为辅的一种互补的联合供暖系统，分别对硬件和软件进行了设计分析，通过相关仿真，验证了该系统能满足基本供暖需求，对今后农村供暖改造工程提供了行之有效的技术方案和策略。系统应用后太阳能既可用来采暖，又可以用来供应生活热水，大幅减少煤炭能源的消耗，减轻空气污染并减少温室气体的排放。基于太阳能集热器与新型燃炉互补的供暖系统的使用符合西北地区农民生活习惯，不但有效减少污染排放和一次能源的浪费，而且对切实推进低碳新农村建设、美丽乡村建设有积极意义。