一种适用于农村地区的双热源低温辐射供暖系统

许登科，桂佩佩，韩文童，肖莉贞，李晓乐

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

1 双热源模式

太阳能是一种清洁的可再生能源。我国属于太阳能资源较丰富的国家，全国地表年接收的太阳总辐射能可达5×1019kJ，相当于 2.4×104亿t标准煤的储量。其中，一类地区为资源丰富带，全年辐射量在6 700～8 300 MJ/m2，区域包括青藏高原、甘肃中北部、宁夏、新疆南部、内蒙古南部、青海东部、西藏东南部等地。二类地区为资源较丰富带，全年辐射量在5 400～6 700 MJ/m2，区域包括山东、河南、河北东南部、吉林、辽宁、云南、陕西北部等地。三类地区为资源一般带，全年辐射量在4 200～5 400 MJ/m2，主要指长江中下游、浙江、福建和广东的一部分地区，秋冬季太阳能辐射量尚可。据资料统计分析，我国太阳能资源相对较好的地区超过2/3以上的国土面积，年日照时间大于2 200 h，为太阳能用于建筑供暖提供良好条件。

我国从2003年开始至今，共投资55亿元支持农村沼气建设，全国农村沼气用户超过2 200万户。发展农村沼气，不仅能解决农民生活用热、缓解国家能源供应压力，而且能防止秸秆焚烧、保护生态环境；既能改善农村卫生状况、提高农民生活水平，又能推动新时代化的农村建设。以沼气池工程建设带动农村改圈、改厨、改厕，大力推动沼气工程与农村改水、太阳能光热利用等相结合，切实促进农村生产和生活方式的转变。近年来，政府在农村大力实施秸秆禁烧的政策，对政策支持者给予财政补助，因此，以秸秆作为生物质的沼气能源得到迅猛发展，沼气成为了农村新的生活热源。如何将这两种清洁能源结合用于农村地区冬季采暖，是能源应用方面的一个新课题。

2 采暖设备

为了更充分地利用太阳能的热量，系统采用传热性能高、水温要求低的毛细管辐射采暖末端。毛细管供暖技术是德国工程师于20世纪70年代发明的一种利用低温辐射控制室内环境的技术。利用仿生学原理，模仿植物的叶脉和人体皮肤下的血管，由3.4 mm×0.55 mm或4.33 mm×0.8 mm的PP-R聚丙烯毛细管组成间距在10～30 mm的网栅。毛细管网散热属于低温辐射采暖方式，建筑室内空气设计温度可按标准降低1℃～2℃，降低能源消耗。由于太阳资源具有不稳定和不连续的特性，冬季由太阳集热设备形成的水温并不会太高，而毛细管网只需要系统运行的水温达到28℃～32℃，系统运行时供回水温差仅需2℃～3℃，可以提供比常规供暖更高的环境舒适度，所以使太阳能这种低品位能源在建筑供暖中能够达到高品位能源的作用。

沼气是沼气池在厌氧条件下产生的可燃性混合气体，一般CH4含量在48%～80%，燃烧热值比较高。每立方热值约为5 500大卡(1大卡≈4.18 kJ)。农村的现有状况比较有利于沼气工程建设，将制取的沼气收集后进入特制的锅炉中燃烧，利用放出热量来制取热水或产生蒸汽，作为农村的生活热源。沼气锅炉利用再生能源沼气为燃料，运行时无噪音、无污染、属绿色环保节能产品，且热效率非常高，广泛应用于采暖和供生活热水用户。在锅炉上安装智能化自动控制部件，实现水温监测、熄火保护、自动停气、多热源转换等监测和控制，安全且简便运行。

3 系统组成

系统的组成如图1所示，具体包括如下部件：太阳能集热器(1)为双热源之一，选用真空管或平板型集热器，将太阳光辐射转化成热量加热采暖用水；沼气锅炉(2)为双热源之一，与太阳能集热器并联安装，作为室内采暖系统的辅助能源；毛细管网(3)由内径3～5 mm，壁厚0.5～0.8 mm的PPR塑料毛细管组成的间隔为10～30 mm 的网栅，作为室内低温辐射供暖末端；圆柱形蓄热水箱(4)自带外保温层，存储并调节太阳能集热器和沼气锅炉产生的热水；太阳能集热循环泵(5)安装于太阳能集热器和沼气锅炉进水口之间的公用管道上，为整个系统的热水循环提供机械压头；采暖循环泵(6)设置于蓄热水箱进水口与毛细管出水口之间的管道上，用于强迫毛细管供暖系统循环水的流动；电磁阀(7.1、7.2、7.3、7.4)安装于太阳能集热器和沼气锅炉进出口管路上，用于双热源的管路转换；电磁阀(7.5)位于水箱上部侧面，自动控制水箱的补水；截止阀(8.1、8.2、8.3、8.4)设置于水箱进出口管路上，用于管路检修和维护；温度传感器(9.1、9.2)用来监测水箱和太阳能集热器进出口热水温度，安装于蓄热水箱内部和太阳能集热器出口处；过滤器(10.1、10.2)安装于循环水泵入口前，用来过滤管网中的杂质，防止太阳能集热器和毛细管网堵塞，一般选用Y型过滤器；溢流管(11)设置在蓄热水箱的上部侧面，选用塑料管，用于水箱水位超限时排水；液位传感器(12)安装于蓄热水箱内，用于补水电磁阀的启停控制；智能控制器(13)为可编程控制器PLC，用于控制系统的启停和热源的转换；隔板(14)采用不锈钢材质，用于减轻水箱内冷热水分层。

图1 双热源低温辐射供暖系统组成

蓄热水箱(4)：底层隔板(14)处的水在太阳能集热系统循环泵(5)的动力下，依次经过截止阀(8.3)、过滤器(10.2)、电磁阀(7.2)、太阳能集热器(1)和电磁阀(7.1)，水被加热后流进蓄热水箱(4)，构成太阳能集热循环系统。蓄热水箱(4)底层隔板(14)处的水在太阳能集热系统循环泵(5)的动力下，依次经过截止阀(8.3)、过滤器(10.2)、电磁阀(7.3)、沼气锅炉(2)和电磁阀(7.4)，水被加热后流进蓄热水箱(4)，构成沼气锅炉加热循环系统。蓄热水箱(4)顶层隔板(14)处的水在采暖循环泵(6)的动力下，依次经过截止阀(8.1)、毛细管网(3)、过滤器(10.1)和截止阀(8.2)，水将热量传给室内空气后流进蓄热水箱(4)，构成采暖循环系统。智能控制器(13)连接有温度传感器(9.1、9.2)、电磁阀(7.1、7.2、7.3、7.4、7.5)、太阳能集热系统循环泵(5)、采暖循环泵(6)、液位传感器(12)和沼气锅炉点火装置。

4 工作原理

系统开始运行前，智能控制器(13)打开电磁阀(7.5)向蓄热水箱内注水，当液位传感器(12)检测到最高水位时关闭电磁阀(7.5)，此时系统补水完成。太阳能集热系统采用动温差方式运行，运行初期，当温度传感器(9.2)与温度传感器(9.1)的温差大于5℃时，控制器(13)启动集热循环泵(5)，打开电磁阀(7.1)和(7.2)，将蓄热水箱(4)内的水抽到太阳能集热器1内，通过不断循环，蓄热水箱(4)内的水温不断升高。当温度传感器(9.2)与温度传感器(9.1)的温度基本平衡时，关闭集热循环泵(5)。当温度传感器(9.1)的温度达到35℃时，控制器启动采暖循环泵(6)，水箱热水流经毛细管(3)时，热量在毛细管(3)表面以辐射和对流的方式传给室内空气，降温后的水回至蓄热水箱(4)。系统运行期间，如当温度传感器(9.1)的温度小于35℃时，控制器(13)关闭电磁阀(7.1)和(7.2)，打开电磁阀(7.3)和(7.4)，并同时启动沼气锅炉(2)，维持供暖系统所需的热量。当温度传感器(9.2)的温度为40℃时，又重新切换到太阳能集热运行模式。蓄热水箱(4)内不同高度位置安装隔板(14)，隔板(14)的作用是削弱冷热水在水箱内的扰动，减轻冷热水的热力分层。隔板上设置矩形孔(15)，保证水流畅通。

5 结 语

本设计系统属于供暖领域，涉及一种双热源供暖系统，热源为太阳能和沼气能源，适用于农村地区的冬季供暖。该系统节能减排效果好，不需要耗费大量电能，对改善供热能源结构、提高农村居住环境和减轻环境污染均具有重要意义。

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