太阳能在新农村供暖的应用

《太阳能在新农村供暖的应用》
摘要随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。

太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。

随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。

太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。

我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在3300-8300MJ/(m2.a)，全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤，具有太阳能利用的良好条件。

在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视
1 引言
与城市的集中供暖不同，农村大都以各家烧柴薪、煤炭取暖，一家一户都有一个小火炉。

这种取暖模式费用高，热效率低，即使节省的人家，一个小火炉一般一个冬季下来也要约1吨煤炭，且只能“温暖”一个小小的房间。

不仅如此，这种取暖方式也不环保，污染严重，且存在安全隐患。

近年来虽多以煤炭为主，但随之而来的污染又加重，一些农民还因缺乏安全常识，常因取暖出现一氧化碳中毒事件.
能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接接关系到国家的安全和社会稳定。

建筑领域消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。

这些能源资源有限，不可再生，终究要枯竭，而且传统能源会对环境造成严重的污染。

我国人口众多人均资源占有量低于世界平均水平，与经济发展和人民生活消费的需求相比，能源供应的缺口很大，而且能源消费结构不合理，以煤为主的能源供给造成了严重的大气污染和温室气体排放，我国目前的CO
“京都议定
2排放量居世界第二位。

我国是
书”的签约国，目前的这种排放，我国目前的CO
2排放量居世界第二位。

我国是“京都议
定书”的签约国，目前的这种能源消费方式，已受到国际社会的高度关注，加大了我们保护环境和改变经济增长模式的压力。

因此，节约能源和开发利用清洁、可再生能源的任务十分紧迫。

党的十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》，提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，其中重要的一项就是加强村庄规划和人居环境治理。

长期以来，北方农村住宅一般仅利用火炕和火炉取暖，供暖质量不能保证，更谈不上空调和生活热水的供应。

为了有效提高农村的人居环境，缩短城乡差距，有必要在有条件的地区为农村住宅增设供暖空调和生活热水供应系统。

农村住宅一般具有建筑容积率较低，没有明显遮挡，能源价格较高，除电力外其他能源一般较短缺的特点，非常适宜于太阳能等新能源系统的应用。

太阳能生活热水供应的功能，在经济性和节能性方面具有显著优势。

2 太阳能超导地热采暖介绍
太阳能超导地热采暖是一项世界领先技术，太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，辐射到地球，人们通过光电，光热，光化学的方式转化加以利用，以太阳能为热源，以超导地暖为散热体
3 太阳能超导地热采暖技术原理:太阳能集热装置把超导介质加热，低温(只需30℃即可)传递热能到室内地面下铺设的管道，采暖通过管道内介质循环将地面加热到一定温度，再由地面均匀地向室内辐射热量，同时在冷热空气的比重差作用下，产生了空气的自然对流现象，从而创造出具有理想温度分布的室内热微气候，使室内环境达到人体感官最舒适的状态。

由于是房间地面地温辐射，所以对系统温度的要求十分低，20分钟即可将整个房间加热到20℃以上（温度可自控），节省能源，使用寿命可长达50年。

其特点是没有任何污染，取之不尽，用之不竭，还可以保障人体代谢率，改善室内热湿环境，大大提高人体热舒适性。

4 太阳能超导地热采暖的优点:
（1）运行费用低、高效节能、不占使用面积，花同样的钱等于买了更大的房子、寿命长免维护、安全性能好、节约维修费用、环保卫生，健康保健。

（2）取暖费用：冬季，特别是北方的冬季，严寒而漫长，取暖已成为人们生活的基本要素，全球能源紧缺带来的是能源价格越来越高，采暖费用也不断上升，很多家庭已难以承受，怎样采暖最经济实惠已成为人们愈来愈关心的话题。

而太阳能超导地暖的重大突破，代表能源综合利用的发展方向，一次投资，长期受益，太阳能是免费资源.不花一分钱，高效节能，环保清洁，产品前瞻性强，领导消费新潮流。

（3）.热效率: 由于采用了导热传热的超导介质，再加上太阳能地热地面辐射供暖方式比对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内，室内设定温度即使比对流式采暖方式低2～5℃, 也能使人们有同样的温暖感觉,所以温差传热损失会大大减小；热媒低温传送，在传送过程中热量损失小，热效率高；与其他采暖方式相比，节能幅度约为90%以上。

（4）冬季或几年不用也不用担心：不受地区的温度限制，超导介质的最低凝点可达－60℃以下、沸点可达到180℃以上，加上良好的防腐性，采暖系统既使冬季或几年不用也不用担心。

（5）寿命长，免维护，安全性能好，节约维修费用：采暖系统如果不是人为破坏，几乎不存在维修的问题，使用寿命在50 年以上，不腐蚀、不结垢，大大减少了暖气片跑、冒、滴、漏水和维修给住户带来的烦恼，可节约维修费用。

初始安装成本低，可分区控制，计量方便，便于管理。

（6）.减少楼层噪音：
目前我国楼板一般选用预制板或现浇板，其隔音效果极差，楼上人走动，就影响楼下，采用地板采暖增加了保温层，具有非常好的隔音效果，可降低噪音污染；地板采暖过程
寂静无声，室内环境清静，没有任何噪音。

（7）.环保、卫生，健康保健：太阳能超导地热地面辐射采暖的供暖原理为辐射导热，与空调、暖气等通过强制对流循环热风供暖相比，空气中灰尘流动要小的多，减少了空气中有害病菌的蔓延，室内环境更加卫生清洁，有利于支气管炎、呼吸道感染和过敏性人群的健康；空气对流减弱，水分散失较少，克服了传统散热器供暖方式造成的室内燥热、口干舌燥等不适，避免了女性皮肤因失水而过分干燥。

中医认为“热从头生，寒从足入”。

传统的取暖方式，房间的顶部大约有30℃，而人体所处的位置尤其是脚部仅有15℃甚至更低。

坐时间久了就会感觉脚冷腿凉，腿脚受凉会增加寒腿病、关节炎的患病可能。

太阳能超导地热地面辐射散热是最舒适的采暖方式，室内地表温度均匀，室温由下而上随着高度的增加温度逐步下降，这种温度曲线正好符合人的生理需求，给人以脚暖头凉的舒适感受。

同时，地板采暖可促进居住者足部血液循环，从而改善全身血液循环，促进新陈代谢，并在一定程度上提高免疫能力。

此外，“足热头寒”的环境可以避免犯困，有利于增强记忆力、提高学习和工作效率
5 太阳能住宅设计应考虑的问题：
（1）目前对太阳能已有一定的研究，但对太阳能热水器一体化住宅的外观设计常走向两个极端，一种是设计时忽视太阳能热水器的设备，在立面造型完成后将需要的设备简单安装上；另一种则是只相辅相成。

失去建筑立面整体的平衡感。

太阳能热水装置本身有别于建筑，但其作必须通过建筑的整体才能充分显示。

（2）设计原则建筑的形式与内容（功能、材料、结构、工艺）应一致。

太阳能热水器一体化住宅的造型设计应当充分考虑到其居住建筑的特点。

首先，无论是高层住宅还是多层住宅，都是由套型组成，没有大空间，平、立面结构和造型一般比较规整；其次，房间的功能性限制大，非常强调自然采光和自然风；第三，住宅受造价限制较大，外墙也应当尽量平直。

由于住宅的这些特点，在造型处理上可以有大的体量变化，但一般很难打破层、套等单元性因素的限制。

实际中常常利用相同元素的重复、增减来达到艺术效果。

从这一点来看，住宅的造型设计较之公共建筑更有难度。

但从另一角度来看，住宅内部严谨的结构性和功能的主导地位非常符合技术美学所强调的逻辑性及目的性。

太阳能热水器一体化的设计在住宅中表现技术美学是可行的，当然高层住宅、多层住宅有自己的特点，应当区别对待。

. （3）构造方案与系统选择：太阳能热水器一体化住宅外观设计的美学原则和手法以及构造方案与系统选择，是建筑师对太阳能热水系统所做的二次产品设计和加工，是实现“一体化”的关键步骤。

内容包括安装部位选择和构造方案设计，既要考虑到保证太阳能热水器的工作效率，又要与住宅的结构、使用功能以及美观相协调。

为了保证足够的日照时数，集热器可能的安装位置包括屋顶和南向的外墙和阳台。

太阳能技术应用的条件
6 应用太阳能原则：
（1）在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。

太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用最低，所以在经济许可的情况下，尽可能增大太阳集热器的面积，以提高太阳能的利用率。

（2）在实际工程中，采用新能源后，系统初投资较高，尤其是对太阳集热器，全部是增量成本，最好能全年综合利用。

例如：太阳集热器冬季供热、在过渡季，不设空调时，太阳能除提供生活热水外，将多余的热量储存起来，供冬季供热。

这样的做法既可以做到太阳能的综合利用，又可以避免太阳集热器的空晒，增加了太阳集热器的寿命。

（3）新能源利用的前提是必须采用节能建筑，以降低系统的初投资。

太阳能的能流密度较低，太阳集热系统的价格在目前仍然偏高；。

为了尽可能减少系统的初投资，必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求，以降低供暖、空调系统的负荷需求。

（4）太阳集热系统的集热效率与集热系统的出水温度有关，温度越高热损失越大，集
热效率降低，因此在选择供暖系统时应优先选择供水温度要求低的形式
6 项目概况与负荷分析
就九江地区某新农村而言：日照小时数≥6 h 的天数有200～250 d，太阳辐照量为5000～5 400 MJ/(m·a)，较适合使用太阳能热水系统。

但是，
在太阳能使用上目前主要局限于家庭用生活热水，
涉及太阳能采暖的较少。

本文以九江地区某新农村别墅建筑为例，分析太阳能采暖
建筑物采暖热负荷：九江地区纬度为 34°40′，九江地区最冷月份的水平面总太阳辐射月平均日照量为8 997 kJ/ (m2·d)，别墅式住宅相对于多层建筑来说，单位热负荷的屋顶面积较大，更有利于太阳能集热器的安装。

现以九江市某 2 层别墅为例，采取了节能结构设计，建筑面积约为 300 m2，上、下 2 层，采用间接式太阳能低温热水地板辐射采暖，24 h 运行。

《江西省居住建筑节能设计标准》中给出了九江市建筑耗热量指标为 21.7 W/ m 建筑物采暖热负荷为：Q =q F·F =21.7×300=6 510W
全玻璃真空太阳集热器面积只研究在冬季最冷 3 个月内(一月、二月、十二月), 由于太阳能不能保证建筑物 24 h 连续供暖，所以，应选取九江地区 2 月份的日照量
来选择集热器面积。

H=10.531 MJ/(m2·d) 平均日照时间为 8 h。

即每平方米太阳能集
热器提供的热量为：
Q t =(10.531×106)/(8×3 600)=365.6 W/m2
所需太阳集热器面积为：
A = 6510/(365.6×52%)=34.25 m2
取集热器面积 A 为 40 m2，该建筑物屋顶面积为150 m2，足够安装太阳能集热器装置。

不足的热负荷由辅助热源提供。

7 采暖期内太阳能经济分析
目前，评价太阳能利用系统的经济性大多采用净收益现值和投资回收年限两种方法，这两种方法均侧重于对太阳能利用系统本身投资、收益状况进行分析。

而对太阳能利用系统进行经济分析的目的是，确定针对使用者而言最为经济合理的方案，即相对于获得所需能量、资金投入量少的方案。

为此，
本文采用综合能源价格法。

能源价格指的是购买一定种类能源的费用。

它在一定意义上代表了开采或生产这种能源并传送至使用终端的资金消耗。

对于供热供冷的系统在其有效使用期限内的资金主要用于初投资：安装供热供冷系统。

运行费用：在使用期间系统的运行和维护费用。

综合能源价格的含义是在有效使用年限内初投资和使用费用的累计综合值与在此期间所提供能量总和的比值。

它是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数考虑到资金的动态特性，即不同时期支出货币的价值是不相等的，本文在经济分析过程中，将综合能
源价格进行现值处理。

即通过将不同时期投入的资金统一折现为初投资年现值的方法，使资
金投入时间和数量各不相同的不同类型供热(冷)的综合能源价格在同等价值条件下进
行比较，
比较结果见表 1。

热源种类初投资 / 元运行费用 /(元
/a)每年燃料耗量总投资/
元
综合热价 /(元
/MJ)
太阳能 + 天然气682
1 320 m3110 420 0.096
天然气35 4 071.82
1 985 m396 377.3 0.089
集中供暖34431 940.075 太阳能 + 电加热器61711 449 kW·h168 835 0.134 太阳能 + 集中供暖67218.9 108 670 0.095
对于 24 h 采暖的别墅式住宅在选用太阳能作为采暖热源时，即使集热器的面积不受屋
顶面积大小的限制，由于冬季日照时间的限定，采用一般的太阳集热系统不能满足 24
h 连续采暖的需求。

从以上热源方案经济比较可以看出，采用天然气壁挂炉的独立采暖系统和集中供暖的综合热价较低；在太阳能联合辅助热源的方案中，辅助热源为天然气和集中供蒸汽综合热价较低，而采用电加热作为辅助热源的综合热价最高。

由于太阳能采暖系统的初投资较大，所以，采用太阳能作为别墅类建筑采暖热源的综合热价并不是最经济，但太阳能作为一种清洁能源，对环境没有污染，可以有效降低温室气体CO2 的排放，有利于缓解全球气候变暖；同时也减少酸性气体 SO2 和总悬浮颗粒物的排放量，有益于改善地区环境效益显著
的生态环境，
8结论太阳能、作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。

本文详细阐述了太阳能系供热原理，分析了太阳能系统优化运行模式，为可再生能源的合理利用提出建议如果项目要求较低，不需要考虑空调，也可以在项目中单纯应用太阳能供热（热水+采暖）系统，利用薪材炉或煤炉作为系统的辅助热源，解决农村居住建筑的生活热水供应和采暖问题。

参考文献
[1] 中国建筑科学研究院地源热泵系统工程技术规范. 北京:中国建筑工业出版社,2005.
[2]徐伟.地源热泵工程技术指南.北京:中国建筑工业出版社,2001.
[3] 中国建筑科学研究院绿色建筑技术文集. 北京:中国建筑工业出版社,2000
[4]王长贵,郑瑞澄.新能源在建筑中的应用[M].中国电力出版社。