摘要：通过分析北方村镇冬季供热现状，提出太阳能配合沼气能源在我国华北村镇建筑低温辐射采暖系统中的应用，总结此方案在建筑节能与环境保护方面的意义及推广使用建议。
关键词：太阳能；节能减排；集热器；地板辐射采暖；沼气
目前我国北方冬季，城市居民的主要供暖方式是热电联产或区域锅炉房集中供热，但是占我国大多数人口的城镇和农村居民还普遍采用土暖气、土炉子、烧炕、焚烧秸秆、林木等方式单独供暖。这些方式不可避免地存在着对常规能源（煤、油）的大量消耗和对环境的影响破坏问题。因此积极地探索开发新能源在村镇建筑冬季供热系统的合理利用，是一个很迫切和重要的问题。
我国是一个太阳能资源非常丰富的国家，拥有很大的开发潜力。在华北地区，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少建筑物能耗。太阳能在建筑中的热利用，尤其是与低温地板辐射采暖系统的联合应用，很大程度上提高了太阳能热利用的效率，避免了太阳能只在热水器领域使用的局限性。
由于太阳能受季节昼夜天气等随机因素影响，太阳能低温辐射采暖系统存在着运行工况不稳定这一显著的问题。为保证建筑供热效果，当太阳能不能满足供热系统温度要求时需采用合理的热源进行补偿，从而提高太阳能低温供热系统效能，增强对低品位太阳能的利用，减少辅助热源对常规能源的消耗。沼气将在我国村镇能源利用方面起主要作用。
一、我国北方村镇冬季供热现状
我国是人口大国，70%的人口约8.6亿人生活在农村，广大农村地区的能源消耗，对于我国的能源供求总量及其能源结构都有着重要的影响。农村生活用能2/3靠薪柴和秸轩，年能源消耗量为6.65亿t标准煤。其中商品能源占60%，还有7000万人未用上电。目前，我国北方农村广大地区居民的冬季供热形式比较落后，很多居民还是采用土制采暖炉采暖，甚至很多地区还没有采暖设备，仍靠小煤炉取暖，还有相当多的地区仍烧薪柴。据统计，我国农村每年要烧掉1.8亿t薪柴和秸秆。由于燃用大量薪柴和秸秤，带来森林资源的过度采伐和水土流失，土壤肥力下降，目前，我国水土流失面积已经达到300多万km2。而且这种采暖方式除消耗大量能源外，不卫生、热效率不高、并对环境有一定的破坏作用。随着北方农村地区广大人民群众生活水平的提高，人们对住宅舒适性的要求日益提高，希望在冬季有适宜的采暖设备和方式。由于农村居民的建筑特点，不适宜像城市居民一样进行集中供暖，单户的燃油燃气锅炉又受到气源、油源及运行费用的限制，也难以推广。
在国家营造的节能、环保大背景和可持续发展战略政策指导下，为了适应国家政策和能源结构的要求，防止农村用煤过量造成的环境污染，使用可再生能源解决北方农村居民的采暖问题，是节约能源，保护环境，提高人民生活质量的好办法。
二、太阳能低温地板辐射采暖在村镇应用的可行性
1.低温地板辐射采暖的特点
低温热水地板辐射采暖系统是采用低于60℃的低温水作为热媒，通过直埋入建筑物地板内的化学建材（PAP，XPAP，PE-X，PB）等盘管进行辐射而达到一种方便灵活的采暖形式。实践表明，低温热水地板辐射采暖与传统的散热器采暖相比，具有以下特点：
（1）舒适卫生。由于辐射强度和温度的双重作用，减少了四周表面对人体的冷辐射，室内地表温度均匀，室温由下而上逐渐递减，改变了散热器采暖室温上高下低的分布状况，给人以头凉脚暖的良好感觉，造成真正符合人体散热及生理要求的热状态，符合我国传统医学“温足凉顶”的健身理论，可以改善血液循环，促进新陈代谢，具有最佳的舒适感和保健功能。
（2）高效节能。在建立同样舒适的前提下，因为辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，可节能约35%左右。所以室内设计温度可以比其他采暖方式降低2℃。
（3）热稳定性好。由于地面层及混凝土层蓄热量大，热稳定性好，因此在间歇供暖的条件下，室内温度变化缓慢。
（4）使用面积增加，方便装修。室内取消了散热器及其立支管，不但不占用建筑面积，而且房间可以任意分隔，根据实际测算，平均可以增加室内5%左右的使用面积，等于降低了房屋造价，而且使室内既美观又便于装修和家具布置。
（5）清洁卫生。地板采暖室内空气平均流速小，能有效减少因空气急剧流动而引起的尘埃飞扬，以及明装散热设备和管道积尘面受热挥发的异味，减少室内空气污染。
低温热水采暖系统是近几年来发展较快的一种采暖方式，在新建城市住宅建筑中应用较广泛。尤其热媒是低温热水，一般在60℃以下，为低品位能量的应用提供了可能。利用太阳能作为地板采暖的热源，是太阳能利用技术与地板辐射采暖技术相结合的一种最佳方式。
2.村镇太阳能低温地板辐射采暖的可行性
低温地板辐射采暖系统与传统的散热器供暖形式相比，一个突出特点是热媒温度低，而且地面填充层的蓄热结构，增加了系统的热惰性。由于低温地板采暖系统的这些特点，太阳能这种低品位﹑清洁﹑利用技术成熟的能源作为低温地板采暖系统的热源，是比较合理可行的。
我国华北的大部分地区，采暖季日平均太阳辐照量均在9，000-15，000kJ/m2之间。如果采用目前流行的真空管太阳能集热器，每日集热时间按8小时考虑，建筑面积热指标按50W/m2计算，采暖供回水温差15℃，每天供暖时间为8小时，则可以推算出，每单位建筑面积所需要的集热器面积在0.21m2-0.33m2之间。由于农村地区的建筑形式多为单层和3层以下的建筑，所以按照这个面积比例是完全可以实现的。因此，从理论上看，利用太阳能进行地板采暖是完全可行的。
三、太阳能低温地板辐射采暖系统的辅助热源-沼气
沼气是农村广泛使用的一种气体燃料，它是由植物残渣、动物粪尿在隔绝空气的情况下，经过某些微生物的发酵作用而产生的。沼气的主要成分是甲烷（CH4），约占总体积的60%-70%。此外，还含有二氧化碳、氮气和少量有臭鸡蛋气味的硫化氢气体，所以沼气略带臭味。纯净的甲烷是一种没有颜色、没有气味的气体。甲烷的密度仅是空气的一半，极难溶于水，但很容易燃烧。燃烧后生成二氧化碳和水，同时放出大量的热量。1m3的沼气完全燃烧可以放出约23000kJ-27600kJ的热量，相当于0.7kg汽油或0.8kg煤燃烧所放出的热量，所以沼气是一种优质气体燃料。当今利用科学发酵方法生产沼气，是解决我国广大农村能源的一种有效途径，也是处理城乡生活垃圾、改善环境、变废为宝的积极措施。
北方地区冬季寒冷，产气量比南方低，一般家用池选择8立方米或10立方米，按照这个标准修建的沼气池，冬季基本可保证在室外气象条件不利情况下，辅助太阳能加热媒质满足辐射供暖效果的要求，春、夏、秋三季所产生的沼气，则可供煮饭、烧水及照明使用，甚至有余。
实践证明发展农村沼气工程，能有效解决农村生活能源问题，改善农村人居环境，具有良好的经济、生态和社会效益，符合可持续性发展战略。农村沼气效果突出，受到广大农民的普遍欢迎。目前我国正以农村沼气建设为重点，引导农民改圈、改厕、改厨，改善农民生产生活条件。根据规划，到2010年，全国农户用沼气将达到4000万户，适宜农户普及率达到28.8%，到2020年力争使适宜农户普及率达到70%，基本普及农村沼气。
四、太阳能低温辐射供热系统的形式
华北地区冬季采暖室外计算温度一般在-7℃至-12℃，采暖期多为3-5个月，采用太阳能低温辐射供热系统，为保证在采暖期的热稳定性和良好的效果，采用连续运行的太阳能采暖系统形式。
如图1所示：太阳能低温地板辐射采暖系统是间接式系统，即集热和采暖是两个独立的系统。太阳能集热系统为强制循环，以利于集热，太阳能集热器收集的热量经过传递到蓄热水箱中，此蓄热水箱为容积式换热器，蓄热水箱应置于室内，并作保温处理，防止冬季室外气温较低，温降较快，保证用热可靠性。其上可接管路供生活用热水。地板辐射采暖系统也采用强制循环，采暖循环泵装置在沼气采暖炉中，采暖回水经过蓄热水箱吸收热量达到供水温度后送入采暖系统进行循环。辅助热源采用沼气炉，当室外气象条件不好，蓄热水箱贮存热量不能满足采暖系统所需时，开启沼气采暖炉进行辅助加热，保证连续供暖。此系统集热系统和采暖系统完全独立，减少了系统间的相互影响，同时也降低了系统的承压要求。
该系统热稳定性好，连续供热能力强，与自动控制系统配合后，此太阳能地板辐射采暖系统可以连续、稳定、安全地运行。目前，连续供暖的间接式系统较复杂，初投资偏高，只适合在农村较富裕的地区推广。
五、推广农村太阳能低温辐射供热系统的建议
1.政策角度
（1）一项技术的推广离不开政府的支持，如果我国能像欧洲一些国家一样对太阳能推广进行大力扶持，则太阳能运用技术的发展肯定会取得瞩目的成绩，太阳能利用将会更快发展。
（2）由于国内太阳能技术尚无统一规范可循，目前太阳能市场良莠不齐。所以呼吁政府加强监管力度，减少资源浪费和安全隐患，使人们能更加放心地选择使用太阳能产品。
（3）沼气在农村推广使用已有十几年，沼气建设既能为农民提供清洁能源又能环保，是一件利国利民的好事，深受广大农民群众的欢迎。但对北方大部分农民群众而言，还是个新鲜事物，对它的认识和使用有一个过程，沼气的建设和发展也有一个逐步提高完善的过程。呼吁政府加强农村沼气服务体系的建设，不光有人帮助他们建设沼气池，同时还能有完善的后续服务体系，使沼气池能够长期有效使用。
2.经济角度
（1）充分利用太阳能，减少对辅助加热资源的依赖。要求设计的太阳能集热板面积和水箱尺寸合理，选择的辅助加热装置合理。采用沼气作为辅助热源，能实现即开即用，而且沼气制取利用人畜粪便和植物残渣，变废为宝，不浪费电能、煤气（天然气）、石油等能源。在农村使用更具优势和经济性。
（2）目前，太阳能产品造价与建筑成本、节省的能源费用相比，造价仍较高。但通过采用优质材料提高产品品质、延长使用寿命，优化太阳能构件尺寸等手段，就能达到降低太阳能产品单位成本的目的。
（3）农村太阳能-沼气低温辐射供热系统具有提高农民生活质量，美化农村环境，节能减排的优点，但其初投资较高，在富裕村镇还有可能实现，在占多数的贫困地区，推广实行具有相当大的难度，需要政府加大投入进行适度的补贴。
3.技术角度
（1）华北地区在冬季最冷月温度降为0℃以下，要采取适当措施防止太阳能管路在严寒情况下冻结破坏。
（2）沼气池由于冬季温度较低，产气量较其它季节都少，必须采用合理管理措施加强保温防护工作，防止沼气池冻裂和产气量不足的问题，可设置电能辅助加热设备以防止无沼气产生出现的供暖不稳定状况。
（3）沼气是适合广大农村使用的优质能源，但其也含有硫化氢气体，还含有多种杂气、臭气，有毒的缺点，为防止含硫气体燃烧之后对环境的影响破坏，应采用脱硫装置进行除硫。
（4）沼气池应定期清除沼渣沼液，防止产气率下降甚至报废，损害农民和国家利益。
我国是太阳能资源比较丰富的国家，利用绿色、清洁的太阳能进行低温地板采暖，再以沼气炉作为系统的辅助热源，是适应目前农村采暖要求的新型采暖方式。它的技术和设备条件已基本成熟，在我国华北农村地区不管从理论上还是实际操作上，都是完全可行的。
如果政府部门能制定相应的激励政策，同时给予一些必要的资金支持，太阳能-沼气低温地板辐射采暖技术，一定会在华北农村得到有效的推广，并为我国农村的能源建设开拓新的领域。
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