寒冷地區(qū)農村“太陽能+”供熱系統(tǒng)研發(fā)與實踐
文章來源:未知時間:2022-01-16
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消除霧霾、保衛(wèi)藍天是大勢所趨，民心所向；APEC藍應成為不以降低人民生活質量為代價的新常態(tài)?！岸趸寂欧帕幱?030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”是中國最強音。
“我國擁有豐富的太陽能、生物質能、地熱能等可再生資源，且我國農村幅員遼闊，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、保護自然資源，緩解能源供需矛盾及踐行我國高質量、可持續(xù)發(fā)展政策至關重要?！?020年12月8日-9日，在2020國際可再生能源供熱技術大會”上，長沙理工大學趙斌教授根據其在可再生能源領域從事技術研發(fā)和工程實踐的經驗如此表示。對于全面推廣清潔能源，他認為：猶如一場長跑！而“最先一公里”是技術選擇的關鍵時期，要開好局、起好步，既要做好線路規(guī)劃，又要做好試點探索；“最后一公里”是設備或系統(tǒng)的驗收、運維，是否能維持長周期運行，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)農村“太陽能+”供熱系統(tǒng)研發(fā)與實踐》為題，從建筑熱工分區(qū)及農村采暖，清潔取暖與清潔取暖規(guī)劃，“太陽能+”供暖技術研發(fā)與實踐等方面進行了闡述，進而提出新時代清潔供暖的思考與展望。
1、建筑熱工分區(qū)及農村采暖
1.1 建筑熱工分區(qū)
根據《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB 50176-2016，以空氣溫度為主要參考，將我國分為五個區(qū)，目的是使民用建筑的熱工設計與地區(qū)氣候相適應，滿足室內基本的熱環(huán)境要求，符合國家節(jié)約能源的方針，提高投資效益。
嚴寒地區(qū)：最冷月平均溫度≤-10℃，日平均溫度≤5℃，天數≥145d；
寒冷地區(qū)：最冷月平均溫度為-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃，天數為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領域，2018年該領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）。
國際能源署數據顯示，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：
?。?）生物質能：生物質能供熱消費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，太陽能供熱累計裝機增長250%，2018年太陽能供熱技術滿足了全球2.1%的空間采暖和熱水供應需求；
?。?）地熱能：地熱能目前占比不到1%但在持續(xù)增長。
1.3 我國寒冷地區(qū)及農村采暖舊貌
截至2016年底，我國嚴寒和寒冷地區(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%。
我國農村人口數量超過5.6億，北方農村建筑取暖面積達65億平方米。當前我國農村地區(qū)供暖現狀為：以利用率低、污染嚴重的散煤供暖為主?；诖爽F狀，需要大力積極支持并推動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 農村太陽能供暖項目1.4 我國太陽能資源現狀
我國蘊藏著豐富的太陽能資源，全國2/3的國土面積年日照時數在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，根據當地資源稟賦，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 秦皇島農村太陽能供暖項目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、地熱、生物質、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)實現低排放、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的取暖全過程，涉及清潔熱源、高效輸配管網（熱網）、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%采用地熱供暖，地熱能源的產值就可以達到1萬億甚至更多，因而“十四五”期間地熱的市場潛力非常大。
地熱作為清潔能源應用于實際，將有助于碳中和遠景目標的實現。
地熱能的能源利用效率非常高。汪集暘講到，地熱能發(fā)電的能源利用效率平均可以達到73%，有的國家和地區(qū)甚至可以達到90%。截至2019年，全球地熱發(fā)電規(guī)模達到15951MW，我國地熱發(fā)電規(guī)模為43MW，我國地熱發(fā)電仍有較大發(fā)展空間。在地熱直接利用方面，中國地熱直接利用量則居全球首位，占總量的43%。我國的地熱供暖產業(yè)增長速度非?？?，淺層和中深層地熱能有著很好的發(fā)展前景。
汪集暘認為，我國的地熱能開發(fā)利用應該熱電并舉，以熱為主，深淺結合，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）》提出農村地區(qū)優(yōu)先利用生物質、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）》積極推進太陽能與常規(guī)能源融合，采取集中式與分布式結合的方式進行建筑供暖。鼓勵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）》《關于推進北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供暖的指導意見》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)劃的重要內容，大力發(fā)展可再生能源供熱市場，推進完善可再生能源供熱市場化機制。
◎ 河北：將推動條件適宜地區(qū)規(guī)?；瘜嵤疤柲?”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議，研究“太陽能+”取暖等工作。會議指出，推廣“太陽能+”取暖，是提升環(huán)境質量、保障和改善民生的重要舉措。各地各有關部門因地制宜，大力支持綠色技術創(chuàng)新，推動條件適宜地區(qū)規(guī)?；瘜嵤疤柲?”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村地區(qū)，鼓勵建設被動式太陽房，進行清潔能源采暖改造；中央財政安排20億元用于農村清潔取暖運行補貼，包括太陽能、生物質能等，重點向農村特困人群傾斜。
◎ 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域，技術成熟，經濟性較好，可應用于生活及工業(yè)熱水供應，為推進北方地區(qū)清潔供暖、改善京津冀大氣環(huán)境質量發(fā)揮了積極作用。國家積極鼓勵推動各地因地制宜利用太陽能等可再生能源進行供暖。
3、“太陽能+”供暖技術研發(fā)
3.1 太陽能暖風機系統(tǒng)
由江蘇蓄能谷公司開發(fā)的太陽能暖風機系統(tǒng)由一組雙通管型太陽能集熱器、蓄換水箱、雙射流風口、低噪聲離心風機構成。
經山東省質檢院對其生產的太陽能暖風機系統(tǒng)進行測試，得到太陽能集熱效率為58.24%。
圖9 太陽能暖風機系統(tǒng)性能測試注：測試標準參考如下標準
《太陽能暖風機系統(tǒng)》江蘇蓄能谷實業(yè)有限公司企業(yè)標準
《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術條件》GB/T19141-2011
《戶用太陽能采暖系統(tǒng)技術條件》NB/T32018-2013
《北方農村戶用太陽能采暖系統(tǒng)技術條件》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。
圖10a 釩鈦全瓷太陽能集熱板（數據來源: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
方案：
◆ 儲熱保溫水箱埋在棚內地下
◆ 棚內埋設地暖管，提高地溫
◆ 棚內北墻安裝風機盤管散熱器，提高內溫
◆ 有效利用棚間空地，溫度更高
◆ 便于維護，風載小
特點：
◆ 維護簡單方便，空間有效利用
◆ 水溫更高，儲熱效果更好
◆ 成本略高
圖11 自調溫大棚清潔供熱方案圖片描述4、“太陽能+”供暖系統(tǒng)實踐
4.1 “太陽能+”供暖系統(tǒng)
“太陽能+”供暖系統(tǒng)是多種能源聯合的采暖技術,“太陽能+”供暖系統(tǒng)依靠其互補性，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能、空氣源熱泵、地熱能、電鍋爐等。
圖12 山東多能互補示范項目4.2 太陽能+生物質能
農作物光合作用的產物一半在籽實，一半在秸稈。我國每年產生的農作物秸稈超過9億噸，在東北等生物質資源豐富地區(qū)，采用太陽能+生物質能的清潔采暖體系，可幫助減少目前每年近2億噸直接燃燒的農作物帶來的污染，形成布局合理的生物質綜合利用產業(yè)化格局。
13 農村利用生物質能取熱圖片描述4.3 太陽能+生物質能戶用采暖系統(tǒng)
通過對秦皇島5個月采暖季的跟蹤，60㎡用戶，消耗生物質1.5噸左右，采暖費用約為1200元左右，40㎡用戶采暖費用為800元左右，折合20元/㎡。對比電輔助采暖用戶費用，有一定的優(yōu)勢。如果對比用戶費用及政府補貼費用，電采暖費用一般則在3000元/戶左右。
在滿足采暖的同時，提供了炊事、生活熱水功能，實現了一機三用。
圖14“太陽能+生物質”供暖系統(tǒng)4.4 包頭太陽能及其他可再生能源資源
包頭作為內蒙古最大的工業(yè)城市，是以冶金、稀土、機械工業(yè)為主的綜合性工業(yè)城市，中國重要的基礎工業(yè)基地和全球輕稀土產業(yè)中心，被譽稱“草原鋼城”、“稀土之都”。
太陽能：包頭市年日照時數達到3084-3452，年總輻射量為6200MJ/㎡，太陽能資源豐富且穩(wěn)定。
生物質能：包頭現有農作物播種面積為34.2萬公頃，年產生農作物秸稈92.7萬噸，禽畜糞便產量429萬噸，適宜發(fā)展沼氣、生物質型煤。
風能：包頭北部地區(qū)擁有豐富的風資源：風能儲量達4250萬千瓦，年均利用小時數在6000小時以上，是國內風資源最富集的地區(qū)之一。
據此，包頭是一個適合推廣“太陽能+”的示范性城市。
5、新時代清潔供暖思考與展望
5.1 制約清潔能源在農村地區(qū)推廣的因素
?。?）經濟因素：
1）經濟性不高。川、湘等地陰雨連綿，晴天少；受限于運輸成本，用于生物質熱電聯供的秸稈僅適合半徑30km以內的平原地區(qū)縣城收集；
2）初期投資成本較高。即使加上政府補貼，貧困地區(qū)人民依然無 法承受；
?。?）關鍵技術：
1）可靠性（適應當地地區(qū)）；
2）設備運維技術（偏遠、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，相當數量村民仍依賴傳統(tǒng)供暖方式，對新型清潔供暖方式接受度低。
5.2 新時代清潔供暖的幾點思考
?。?）因“天”地制宜。在科學評估當地資源稟賦、經濟實力、基礎設施及政策條件，了解當地供暖的主要矛盾后，得出最優(yōu)解；
?。?）揚長補（避）短。揚當地資源優(yōu)勢之長，補技術適應性之短板；
?。?）按“鍵”模式。開展跨行業(yè)技術創(chuàng)新，改善系統(tǒng)性能，降低設備操作難度；
?。?）行業(yè)自律（競爭）。企業(yè)間應遵守行業(yè)紀律，加強合作，在陽光下競爭才是實現多方共贏的根本途徑。
5.3 清潔供暖展望
?。?）達成2060年碳中和目標的需要；
?。?）消除霧霾、藍天保衛(wèi)是大勢所趨、民心所向的事業(yè)。
我國擁有豐富的太陽能、生物質能、地熱能等可再生資源，且我國農村幅員遼闊，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、保護自然資源，緩解能源供需矛盾，踐行我國高質量、可持續(xù)發(fā)展政策至關重要。
趙斌教授簡介
長沙理工大學教授，昆明理工大學博士生導師，哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院兼職教授，清華大學熱能工程系普通訪問學者、中國科學院工程熱物理所高級訪問學者。
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、經理等，高級工程師，專攻熱電聯產方向。
2003年1月-2016年11月，在華北理工大學從事教學和科研工作。
2016年12月-2020年8月，作為中組部團中央第17、18批援藏博士團成員，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用技術，以改善西藏地區(qū)民生，在可再生能源領域從事技術研發(fā)和工程實踐。
2020年9月正式調入長沙理工大學從事教學和科研工作。（轉自太陽能光熱產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟）
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