寒冷地區(qū)農(nóng)村“太陽能+”供熱系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)踐
文章來源:未知時(shí)間:2022-01-16
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消除霧霾、保衛(wèi)藍(lán)天是大勢所趨，民心所向；APEC藍(lán)應(yīng)成為不以降低人民生活質(zhì)量為代價(jià)的新常態(tài)?！岸趸寂欧帕幱?030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”是中國最強(qiáng)音。
“我國擁有豐富的太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕Y源，且我國農(nóng)村幅員遼闊，人口眾多，在太陽能資源充足的寒冷地區(qū)采取‘太陽能＋’供熱系統(tǒng)對合理分配、保護(hù)自然資源，緩解能源供需矛盾及踐行我國高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展政策至關(guān)重要。”2020年12月8日-9日，在2020國際可再生能源供熱技術(shù)大會(huì)”上，長沙理工大學(xué)趙斌教授根據(jù)其在可再生能源領(lǐng)域從事技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)如此表示。對于全面推廣清潔能源，他認(rèn)為：猶如一場長跑！而“最先一公里”是技術(shù)選擇的關(guān)鍵時(shí)期，要開好局、起好步，既要做好線路規(guī)劃，又要做好試點(diǎn)探索；“最后一公里”是設(shè)備或系統(tǒng)的驗(yàn)收、運(yùn)維，是否能維持長周期運(yùn)行，依賴于政府、企業(yè)、人民是否有足夠的定力、執(zhí)行力，是否能做到善作善成！
趙斌教授以《寒冷地區(qū)農(nóng)村“太陽能+”供熱系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)踐》為題，從建筑熱工分區(qū)及農(nóng)村采暖，清潔取暖與清潔取暖規(guī)劃，“太陽能+”供暖技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐等方面進(jìn)行了闡述，進(jìn)而提出新時(shí)代清潔供暖的思考與展望。
1、建筑熱工分區(qū)及農(nóng)村采暖
1.1 建筑熱工分區(qū)
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50176-2016，以空氣溫度為主要參考，將我國分為五個(gè)區(qū)，目的是使民用建筑的熱工設(shè)計(jì)與地區(qū)氣候相適應(yīng)，滿足室內(nèi)基本的熱環(huán)境要求，符合國家節(jié)約能源的方針，提高投資效益。
嚴(yán)寒地區(qū)：最冷月平均溫度≤-10℃，日平均溫度≤5℃，天數(shù)≥145d；
寒冷地區(qū)：最冷月平均溫度為-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃，天數(shù)為90～145d。
圖1 我國建筑熱工分區(qū)圖1.2 全球供熱趨勢
供熱作為全球最大的終端能源消費(fèi)領(lǐng)域，2018年該領(lǐng)域占全球終端能耗的50%，建筑物房屋占其中的46%（主要用于空間采暖和熱水供應(yīng)）。
國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2009～2018年間，全球可再生能源供熱能耗增長了2/3以上，2018年可再生能源全球區(qū)域供熱能耗占比接近8%，包括：
?。?）生物質(zhì)能：生物質(zhì)能供熱消費(fèi)占全球可再生能源的2/3；
?。?）太陽能：太陽能是全球增長最快的清潔能源供熱熱源，在過去10年，太陽能供熱累計(jì)裝機(jī)增長250%，2018年太陽能供熱技術(shù)滿足了全球2.1%的空間采暖和熱水供應(yīng)需求；
（3）地?zé)崮埽旱責(zé)崮苣壳罢急炔坏?%但在持續(xù)增長。
1.3 我國寒冷地區(qū)及農(nóng)村采暖舊貌
截至2016年底，我國嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)（北方）清潔能源（天然氣、電能、清潔燃煤、可再生能源）供暖占比34%。
我國農(nóng)村人口數(shù)量超過5.6億，北方農(nóng)村建筑取暖面積達(dá)65億平方米。當(dāng)前我國農(nóng)村地區(qū)供暖現(xiàn)狀為：以利用率低、污染嚴(yán)重的散煤供暖為主?；诖爽F(xiàn)狀，需要大力積極支持并推動(dòng)北方各省份因地制宜地采用多種清潔供暖方式，替代散煤供暖。
圖2 農(nóng)村太陽能供暖項(xiàng)目1.4 我國太陽能資源現(xiàn)狀
我國蘊(yùn)藏著豐富的太陽能資源，全國2/3的國土面積年日照時(shí)數(shù)在2200h以上，年太陽輻射總量大于5×106kJ/m。
太陽能供暖主要以輔助供暖形式存在，根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源稟賦，使用太陽能集熱裝置，配合其他穩(wěn)定性好的清潔能源向用戶供暖，目前國家政策支持太陽能發(fā)展，太陽能可推廣潛力大。
圖3 秦皇島農(nóng)村太陽能供暖項(xiàng)目2、清潔取暖與清潔取暖規(guī)劃
2.1清潔取暖
清潔取暖是指利用天然氣、電、地?zé)?、生物質(zhì)、太陽能、工業(yè)余熱、清潔化燃煤（超低排放）、核能等清潔化能源，通過高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式，包含以降低污染物排放和能源消耗為目標(biāo)的取暖全過程，涉及清潔熱源、高效輸配管網(wǎng)（熱網(wǎng)）、節(jié)能建筑（熱用戶）等環(huán)節(jié)?！半姴膳笔乔鍧嵞茉垂┡囊环N方式。
我國新增加的建筑中，只要有5%采用地?zé)峁┡?，地?zé)崮茉吹漠a(chǎn)值就可以達(dá)到1萬億甚至更多，因而“十四五”期間地?zé)岬氖袌鰸摿Ψ浅４蟆?br> 地?zé)嶙鳛榍鍧嵞茉磻?yīng)用于實(shí)際，將有助于碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
地?zé)崮艿哪茉蠢眯史浅８摺Ｍ艏瘯v到，地?zé)崮馨l(fā)電的能源利用效率平均可以達(dá)到73%，有的國家和地區(qū)甚至可以達(dá)到90%。截至2019年，全球地?zé)岚l(fā)電規(guī)模達(dá)到15951MW，我國地?zé)岚l(fā)電規(guī)模為43MW，我國地?zé)岚l(fā)電仍有較大發(fā)展空間。在地?zé)嶂苯永梅矫?，中國地?zé)嶂苯永昧縿t居全球首位，占總量的43%。我國的地?zé)峁┡a(chǎn)業(yè)增長速度非常快，淺層和中深層地?zé)崮苡兄芎玫陌l(fā)展前景。
汪集暘認(rèn)為，我國的地?zé)崮荛_發(fā)利用應(yīng)該熱電并舉，以熱為主，深淺結(jié)合，東西兼顧，干濕有度。
2.2清潔取暖規(guī)劃
◎ 《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》提出農(nóng)村地區(qū)優(yōu)先利用生物質(zhì)、太陽能等清潔能源供暖，有條件的發(fā)展天然氣或電供暖?！兑?guī)劃》指出，到2021年，北方地區(qū)清潔取暖率達(dá)到70%，替代散煤1.5億噸。
◎《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》積極推進(jìn)太陽能與常規(guī)能源融合，采取集中式與分布式結(jié)合的方式進(jìn)行建筑供暖。鼓勵(lì)在條件適宜的中小城鎮(zhèn)、民用及公共建筑上推廣太陽能供暖系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)大棚、養(yǎng)殖場等用熱需求大且與太陽能特性匹配的行業(yè)，充分利用太陽能供熱。
◎《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》《關(guān)于推進(jìn)北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供暖的指導(dǎo)意見》等文件，將太陽能供暖等可再生能源供暖作為城鄉(xiāng)能源規(guī)劃的重要內(nèi)容，大力發(fā)展可再生能源供熱市場，推進(jìn)完善可再生能源供熱市場化機(jī)制。
◎ 河北：將推動(dòng)條件適宜地區(qū)規(guī)?；瘜?shí)施“太陽能+”清潔取暖。2020年12月5日，河北省政府黨組書記、省長許勤主持召開省政府黨組會(huì)議，研究“太陽能+”取暖等工作。會(huì)議指出，推廣“太陽能+”取暖，是提升環(huán)境質(zhì)量、保障和改善民生的重要舉措。各地各有關(guān)部門因地制宜，大力支持綠色技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)條件適宜地區(qū)規(guī)?；瘜?shí)施“太陽能+”清潔取暖。
◎ 2020年9月國家能源局表示，對于太陽能資源豐富的農(nóng)村地區(qū)，鼓勵(lì)建設(shè)被動(dòng)式太陽房，進(jìn)行清潔能源采暖改造；中央財(cái)政安排20億元用于農(nóng)村清潔取暖運(yùn)行補(bǔ)貼，包括太陽能、生物質(zhì)能等，重點(diǎn)向農(nóng)村特困人群傾斜。
◎ 國家能源局表示，太陽能供熱采暖是可再生能源利用的重要領(lǐng)域，技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)性較好，可應(yīng)用于生活及工業(yè)熱水供應(yīng)，為推進(jìn)北方地區(qū)清潔供暖、改善京津冀大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了積極作用。國家積極鼓勵(lì)推動(dòng)各地因地制宜利用太陽能等可再生能源進(jìn)行供暖。
3、“太陽能+”供暖技術(shù)研發(fā)
3.1 太陽能暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)
由江蘇蓄能谷公司開發(fā)的太陽能暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由一組雙通管型太陽能集熱器、蓄換水箱、雙射流風(fēng)口、低噪聲離心風(fēng)機(jī)構(gòu)成。
經(jīng)山東省質(zhì)檢院對其生產(chǎn)的太陽能暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到太陽能集熱效率為58.24%。
圖9 太陽能暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能測試注：測試標(biāo)準(zhǔn)參考如下標(biāo)準(zhǔn)
《太陽能暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)》江蘇蓄能谷實(shí)業(yè)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》GB/T19141-2011
《戶用太陽能采暖系統(tǒng)技術(shù)條件》NB/T32018-2013
《北方農(nóng)村戶用太陽能采暖系統(tǒng)技術(shù)條件》NB/T10150—2019等
3.2 釩鈦全瓷太陽能熱利用系統(tǒng)
釩鈦全瓷太陽能熱利用系統(tǒng)由山東立德新能源公司研發(fā)，應(yīng)用高鈦材料，采用環(huán)保、低耗、瓷化等新工藝的太陽能新材料技術(shù)。
圖10a 釩鈦全瓷太陽能集熱板（數(shù)據(jù)來源:山東立德新能源公司)圖10b 釩鈦全瓷太陽能集熱板棚間一體化方案技術(shù)
方案：
◆ 儲(chǔ)熱保溫水箱埋在棚內(nèi)地下
◆ 棚內(nèi)埋設(shè)地暖管，提高地溫
◆ 棚內(nèi)北墻安裝風(fēng)機(jī)盤管散熱器，提高內(nèi)溫
◆ 有效利用棚間空地，溫度更高
◆ 便于維護(hù)，風(fēng)載小
特點(diǎn)：
◆ 維護(hù)簡單方便，空間有效利用
◆ 水溫更高，儲(chǔ)熱效果更好
◆ 成本略高
圖11 自調(diào)溫大棚清潔供熱方案圖片描述4、“太陽能+”供暖系統(tǒng)實(shí)踐
4.1 “太陽能+”供暖系統(tǒng)
“太陽能+”供暖系統(tǒng)是多種能源聯(lián)合的采暖技術(shù),“太陽能+”供暖系統(tǒng)依靠其互補(bǔ)性，成為有明顯優(yōu)勢的清潔供暖方案，可利用輔助能源包括生物質(zhì)能、空氣源熱泵、地?zé)崮堋㈦婂仩t等。
圖12 山東多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目4.2 太陽能+生物質(zhì)能
農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物一半在籽實(shí)，一半在秸稈。我國每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈超過9億噸，在東北等生物質(zhì)資源豐富地區(qū)，采用太陽能+生物質(zhì)能的清潔采暖體系，可幫助減少目前每年近2億噸直接燃燒的農(nóng)作物帶來的污染，形成布局合理的生物質(zhì)綜合利用產(chǎn)業(yè)化格局。
13 農(nóng)村利用生物質(zhì)能取熱圖片描述4.3 太陽能+生物質(zhì)能戶用采暖系統(tǒng)
通過對秦皇島5個(gè)月采暖季的跟蹤，60㎡用戶，消耗生物質(zhì)1.5噸左右，采暖費(fèi)用約為1200元左右，40㎡用戶采暖費(fèi)用為800元左右，折合20元/㎡。對比電輔助采暖用戶費(fèi)用，有一定的優(yōu)勢。如果對比用戶費(fèi)用及政府補(bǔ)貼費(fèi)用，電采暖費(fèi)用一般則在3000元/戶左右。
在滿足采暖的同時(shí)，提供了炊事、生活熱水功能，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)三用。
圖14“太陽能+生物質(zhì)”供暖系統(tǒng)4.4 包頭太陽能及其他可再生能源資源
包頭作為內(nèi)蒙古最大的工業(yè)城市，是以冶金、稀土、機(jī)械工業(yè)為主的綜合性工業(yè)城市，中國重要的基礎(chǔ)工業(yè)基地和全球輕稀土產(chǎn)業(yè)中心，被譽(yù)稱“草原鋼城”、“稀土之都”。
太陽能：包頭市年日照時(shí)數(shù)達(dá)到3084-3452，年總輻射量為6200MJ/㎡，太陽能資源豐富且穩(wěn)定。
生物質(zhì)能：包頭現(xiàn)有農(nóng)作物播種面積為34.2萬公頃，年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈92.7萬噸，禽畜糞便產(chǎn)量429萬噸，適宜發(fā)展沼氣、生物質(zhì)型煤。
風(fēng)能：包頭北部地區(qū)擁有豐富的風(fēng)資源：風(fēng)能儲(chǔ)量達(dá)4250萬千瓦，年均利用小時(shí)數(shù)在6000小時(shí)以上，是國內(nèi)風(fēng)資源最富集的地區(qū)之一。
據(jù)此，包頭是一個(gè)適合推廣“太陽能+”的示范性城市。
5、新時(shí)代清潔供暖思考與展望
5.1 制約清潔能源在農(nóng)村地區(qū)推廣的因素
?。?）經(jīng)濟(jì)因素：
1）經(jīng)濟(jì)性不高。川、湘等地陰雨連綿，晴天少；受限于運(yùn)輸成本，用于生物質(zhì)熱電聯(lián)供的秸稈僅適合半徑30km以內(nèi)的平原地區(qū)縣城收集；
2）初期投資成本較高。即使加上政府補(bǔ)貼，貧困地區(qū)人民依然無 法承受；
?。?）關(guān)鍵技術(shù)：
1）可靠性（適應(yīng)當(dāng)?shù)氐貐^(qū)）；
2）設(shè)備運(yùn)維技術(shù)（偏遠(yuǎn)、高原地區(qū)維修困難）；
?。?）觀念因素：
受長期以來保守觀念的影響，相當(dāng)數(shù)量村民仍依賴傳統(tǒng)供暖方式，對新型清潔供暖方式接受度低。
5.2 新時(shí)代清潔供暖的幾點(diǎn)思考
?。?）因“天”地制宜。在科學(xué)評(píng)估當(dāng)?shù)刭Y源稟賦、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、基礎(chǔ)設(shè)施及政策條件，了解當(dāng)?shù)毓┡闹饕芎螅贸鲎顑?yōu)解；
（2）揚(yáng)長補(bǔ)（避）短。揚(yáng)當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢之長，補(bǔ)技術(shù)適應(yīng)性之短板；
?。?）按“鍵”模式。開展跨行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，改善系統(tǒng)性能，降低設(shè)備操作難度；
（4）行業(yè)自律（競爭）。企業(yè)間應(yīng)遵守行業(yè)紀(jì)律，加強(qiáng)合作，在陽光下競爭才是實(shí)現(xiàn)多方共贏的根本途徑。
5.3 清潔供暖展望
（1）達(dá)成2060年碳中和目標(biāo)的需要；
（2）消除霧霾、藍(lán)天保衛(wèi)是大勢所趨、民心所向的事業(yè)。
我國擁有豐富的太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕Y源，且我國農(nóng)村幅員遼闊，人口眾多，在太陽能資源充足的寒冷地區(qū)采取“太陽能＋”供熱系統(tǒng)對合理分配、保護(hù)自然資源，緩解能源供需矛盾，踐行我國高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展政策至關(guān)重要。
趙斌教授簡介
長沙理工大學(xué)教授，昆明理工大學(xué)博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院兼職教授，清華大學(xué)熱能工程系普通訪問學(xué)者、中國科學(xué)院工程熱物理所高級(jí)訪問學(xué)者。
自1990年7月-2002年12月，在開灤發(fā)電廠歷任值長、車間主任、副總工程師、廠長、經(jīng)理等，高級(jí)工程師，專攻熱電聯(lián)產(chǎn)方向。
2003年1月-2016年11月，在華北理工大學(xué)從事教學(xué)和科研工作。
2016年12月-2020年8月，作為中組部團(tuán)中央第17、18批援藏博士團(tuán)成員，在西藏自治區(qū)能源研究示范中心掛職主任至今。援藏期間一直致力于推廣太陽能應(yīng)用技術(shù)，以改善西藏地區(qū)民生，在可再生能源領(lǐng)域從事技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)踐。
2020年9月正式調(diào)入長沙理工大學(xué)從事教學(xué)和科研工作。（轉(zhuǎn)自太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟）
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