郭懷云，劉艷峰，李 洋，李 濤

（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 西安 710055）

西北農(nóng)村太陽能集中采暖集熱器安裝場地分析

郭懷云，劉艷峰，李 洋，李 濤

（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 西安 710055）

對西北農(nóng)村住宅采暖面積、村莊規(guī)模及村內(nèi)住宅建筑密度等問卷調(diào)查，分析了農(nóng)村發(fā)展太陽能集中采暖主要限制因素，研究了太陽能集中采暖模式在西北農(nóng)村的適應(yīng)性。結(jié)果表明，西北農(nóng)村采用太陽能集中采暖需滿足下列條件：集熱器安裝場地條件，西安農(nóng)村平均每戶需提供集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農(nóng)村為40～50 m2，烏魯木齊農(nóng)村為45～60 m2，西寧、格爾木農(nóng)村為20～30 m2；農(nóng)村住宅容積率條件，西安、西寧、格爾木地區(qū)農(nóng)村最低需滿足0.38～0.41，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)為0.27～0.31。對比西北農(nóng)村太陽能集中采暖條件現(xiàn)狀及上述限制性條件分析結(jié)果得出，西安、蘭州地區(qū)超過80%的村莊不能提供足夠的集中集熱場地；西寧、格爾木地區(qū)滿足住宅建筑容積率條件的村莊不足30%。

農(nóng)村地區(qū)；太陽能集中采暖；問卷調(diào)查；集熱場地；建筑密度

隨著西北農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)戶對住宅冬季采暖需求不斷提高，西北地區(qū)太陽能資源豐富，發(fā)展農(nóng)村太陽能采暖可有效滿足冬季采暖要求［1－6］。如今太陽能采暖已在諸多農(nóng)村得到實施，北京市平谷區(qū)的將軍關(guān)村、掛甲嶼村及河北省遷安市馬蘭莊的新農(nóng)村住宅等都使用了太陽能采暖技術(shù)［7－8］；英、美等國也先后建成了伯明翰郊區(qū)的太陽能村及托馬森太陽房、洛夫太陽房等太陽能采暖示范工程［9－13］。農(nóng)村太陽能采暖工程按采暖規(guī)模劃分主要分為分戶采暖模式和集中采暖模式［14］。太陽能分戶采暖模式在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用較為普遍，該模式操作簡單運行方便，但供暖穩(wěn)定性差，且對多層住宅無法有效供暖［15］。隨著農(nóng)村新建住宅層數(shù)的增加、住宅建筑密度的聚集，發(fā)展農(nóng)村太陽能集中采暖，不僅提高了農(nóng)村太陽能采暖的經(jīng)濟(jì)性，也解決了農(nóng)村多層住宅太陽能采暖的難題［16－18］。

目前，關(guān)于農(nóng)村太陽能分戶采暖模式的相關(guān)技術(shù)研究日趨成熟，而農(nóng)村太陽能集中采暖模式的研究卻相對較少。筆者以西北農(nóng)村為研究對象，通過對西北農(nóng)村地區(qū)太陽能集中采暖條件進(jìn)行問卷調(diào)查，掌握西北農(nóng)村太陽能集中采暖條件現(xiàn)狀，在分析農(nóng)村太陽能集中采暖模式可行性條件的基礎(chǔ)上，研究太陽能集中采暖模式在西北農(nóng)村的適應(yīng)性。

1 西北農(nóng)村太陽能集中采暖條件調(diào)查

1.1 調(diào)查概況

為掌握西北農(nóng)村住宅采暖面積、村莊規(guī)模及村內(nèi)住宅建筑密度等基本情況，對西安、蘭州、銀川、西寧、格爾木、烏魯木齊6個地區(qū)的農(nóng)村進(jìn)行問卷調(diào)查。調(diào)查以隨機抽樣的方式向各地區(qū)隨機選取數(shù)10個村莊，每村發(fā)放問卷調(diào)查表1～2份，其中西安周邊隨機選取村莊75個，蘭州周邊選取村莊78個，銀川周邊選取村莊32個，西寧周邊選取村莊32個，格爾木周邊選取村莊20個，烏魯木齊周邊選取村莊45個。共發(fā)放問卷調(diào)查表450份，收回有效問卷396份，有效回收率88%。

1.2 調(diào)查結(jié)果與分析

西北農(nóng)村住宅，一般對臥室、廳堂等居民經(jīng)常使用的區(qū)域進(jìn)行供暖，由于各戶家庭住宅條件不同，住宅采暖面積具有一定的差異性。如圖1可知，西北農(nóng)村每戶住宅建筑采暖面積為80～100 m2的比例為70%，而超過120 m2及少于60 m2的采暖住宅低于10%。

圖1 西北農(nóng)村住宅采暖面積調(diào)查結(jié)果Fig.1 The survey results of the residential heating area in northwest rural

圖2 西北典型地區(qū)村莊規(guī)模調(diào)查Fig.2 Scale survey of typical village in northwest

西北農(nóng)村村莊周邊大都存在許多或大或小的閑置荒廢土地，同時，隨著新建建筑的增加、舊有宅基地的累積及荒廢，這樣的閑置土地越來越多。這些土地一般荒廢、集中且周圍無遮陽，比較適合作為集熱器的集中集熱場地。由圖3調(diào)查結(jié)果可知，由于各地農(nóng)村環(huán)境條件不同，不同地區(qū)農(nóng)村的閑置土地面積相差較大，其中西寧、格爾木、烏魯木齊地區(qū)農(nóng)村村內(nèi)閑置土地面積明顯高于西安、蘭州周邊農(nóng)村。

圖3 西北典型地區(qū)農(nóng)村閑置土地面積調(diào)查Fig.3 Idle land area investigation of typical rural in northwest

對比圖2、圖3可知，有些地區(qū)農(nóng)村住宅戶數(shù)較少，但村內(nèi)閑置土地面積較大；而有些地區(qū)農(nóng)村住宅戶數(shù)較大，可村內(nèi)閑置土地面積也較多?？紤]到集中集熱場地面積主要與村莊規(guī)模有關(guān)，而調(diào)查得出的不同地區(qū)閑置土地面積大小不能反映該地是否提供所需的集熱器安裝場地面積，因此，對當(dāng)?shù)氐拇迩f規(guī)模及村內(nèi)的閑置土地進(jìn)行了綜合統(tǒng)計，得出了各地區(qū)農(nóng)村平均每戶擁有的集中集熱安裝場地面積調(diào)查結(jié)果。

由圖4可知，西安、蘭州大部分村莊可提供的每戶集熱場地面積不足40 m2，而烏魯木齊、西寧、格爾木大部分村莊可提供的每戶集熱場地面積超過50 m2的比例超過65%。

圖4 地村內(nèi)單戶擁有集熱場地面積比例Fig.4 Proportion of single-family with set hot area in village

農(nóng)村住宅建筑密度是指單位宅基地面積下所具有的居民戶數(shù)。表1為西北各典型地區(qū)農(nóng)村住宅建筑密度調(diào)查，調(diào)查以每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數(shù)為對象，其中10 000 m2宅基地面積的選取以村內(nèi)住宅分布較為密集的地帶為中心，選擇住宅分布較為均勻的區(qū)域。

表1 各典型地區(qū)農(nóng)村住宅建筑密度調(diào)查結(jié)果Table 1 the survey results of rural residential building density in each typical area %

由表1調(diào)查結(jié)果得出，西安、蘭州周邊農(nóng)村居民住宅建筑密度顯著高于西寧、格爾木地區(qū)，其中西安地區(qū)接近60%的村莊住宅建筑密度在30戶／（萬m2）以上，格爾木地區(qū)超過55%的村莊住宅建筑密度在20戶／（萬m2）以下。

2 西北農(nóng)村太陽能集中采暖可行性條件分析

影響農(nóng)村太陽能集中采暖可行性的主要因素包括農(nóng)村住宅采暖負(fù)荷條件、集熱器集中安裝場地、采暖建筑容積率要求等。

2.1 西北農(nóng)村住宅太陽能集中采暖負(fù)荷條件分析

農(nóng)村住宅采暖熱負(fù)荷是設(shè)計太陽能集中采暖系統(tǒng)及設(shè)備選型的重要依據(jù)，同時，農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的熱工性能是確保太陽能集中采暖可在農(nóng)村使用的必要前提。如果住宅建筑本身保溫性能不高，住宅單位面積采暖負(fù)荷較大，將會使采暖系統(tǒng)設(shè)計容量增加，這不僅造成了資源的浪費，也大幅降低太陽能采暖系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

推薦理由:這是一部描寫中國人救助猶太人真實歷史的兒童文學(xué)作品，入選2018年重點主題出版物選題。在日軍鐵蹄踐踏下，猶太女孩薩拉的生活被徹底打破。隨著猶太難民大量涌入，中國人民無私接納了他們，共同堅守著，抗?fàn)幹?，直至黎明到來。這個飽含大愛的故事，詮釋了愛與和平的永恒主題，印證著中國人民崇高的國際人道主義精神。

由于農(nóng)村住宅建筑有著與城市建筑不同的結(jié)構(gòu)形式，因而現(xiàn)存的一些節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對農(nóng)村住宅而言并不適用。農(nóng)村住宅建筑熱工參數(shù)主要受到當(dāng)?shù)厥彝鈿夂驐l件的影響，西北氣候分區(qū)主要包括嚴(yán)寒地區(qū)與寒冷地區(qū)，不同氣候分區(qū)的住宅建筑熱工參數(shù)具有明顯差異，筆者參考文獻(xiàn)［19］提供的農(nóng)村節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)限值；由于農(nóng)村居民工作生活相對自由，在家所穿衣物較多，因此，農(nóng)村室內(nèi)計算溫度應(yīng)以14～16℃考慮，選取15℃；住宅采暖熱負(fù)荷的計算參照文獻(xiàn)［20］中3.3.2的規(guī)定。西北各地農(nóng)村在良好的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，單位面積住宅建筑耗熱量指標(biāo)計算結(jié)果見表2。

表2 西北農(nóng)村節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值及單位建筑面積耗熱量指標(biāo)Table 2 Limit of heat transfer coefficient of palisade structure for the northwest rural energy conservation building and heat consumption index of unit building area

由表2可知，西北農(nóng)村住宅建筑在良好的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，單位面積建筑耗熱量指標(biāo)可降至50～70 W／m2，這一指標(biāo)與城市節(jié)能住宅相比仍然較高，但與傳統(tǒng)農(nóng)村住宅相比，采暖負(fù)荷顯著降低很多，已滿足農(nóng)村太陽能采暖應(yīng)用要求。

2.2 西北農(nóng)村太陽能集中采暖集熱場地條件

太陽能集中采暖采用集中集熱，能否提供足夠的集熱器安裝場地是判定集中采暖模式能否在該地應(yīng)用的主要因素之一。太陽能集中采暖集熱器安裝場地面積的大小主要由住宅建筑耗熱量指標(biāo)及太陽能采暖系統(tǒng)保證率決定，西北各地農(nóng)村住宅建筑耗熱量指標(biāo)采用表2的計算結(jié)果，而太陽能保證率的最低限值主要與當(dāng)?shù)靥柲苜Y源有關(guān)；由于西北地區(qū)太陽能資源分布不均，因此，各地太陽能采暖保證率最低限值具有一定的差異性，筆者主要參照文獻(xiàn)［21］確定不同地區(qū)太陽能保證率最低限值。

太陽能采暖系統(tǒng)集熱器面積的計算參考文獻(xiàn)［20］中3.4.3的規(guī)定。西北農(nóng)村住宅單戶采暖面積假定為60、80、100、120 m2的條件下，各地集中采暖中平均每戶所需的集熱器安裝場地面積指標(biāo)如表 3；其中表中JT為當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面12月份的月平均日輻照量，MJ／（m2·d）；QH為單位面積建筑物耗熱量，W／m2；f為太陽能保證率；θ為換熱因子；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率；ηl為管路及蓄熱裝置熱損失率；AIN為單戶采暖面積所需的集熱器面積，m2。

表3 西北農(nóng)村太陽能集中采暖平均每戶所需集熱器安裝場地面積指標(biāo)Table 3 the average collector installation site index required for the northwest rural solar central heating

由圖1西北農(nóng)村住宅采暖面積調(diào)查結(jié)果可以看出，西北農(nóng)村超過70%的住宅建筑所需采暖面積在80～100 m2，由表3可知，西安農(nóng)村采用集中采暖模式平均每戶需滿足集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農(nóng)村為40～50 m2，烏魯木齊農(nóng)村為45～60 m2，西寧、格爾木農(nóng)村為20～30 m2。

2.3 西北農(nóng)村太陽能集中采暖建筑容積率條件

農(nóng)村住宅采暖建筑容積率是指農(nóng)村總采暖面積與總宅基地面積的比值。采暖建筑容積率是影響農(nóng)村太陽能集中采暖室外管網(wǎng)熱輸送的主要因素，農(nóng)村采暖住宅分布過于分散會導(dǎo)致供暖管道過長，不但加大了管道的熱損失，也存在很多的“無效冷水”，使遠(yuǎn)處住宅采暖時，不能達(dá)到設(shè)計的采暖溫度。因此，發(fā)展農(nóng)村太陽能集中采暖，住宅采暖建筑容積率需有一個限制性指標(biāo)。

圖5為農(nóng)村太陽能集中采暖室外管網(wǎng)簡易圖，以住宅1～4為分析對象。為使4個住宅采暖外網(wǎng)總長度最大，則要求相鄰住宅之間距離相等，即圖5中住宅1與住宅2，住宅1與住宅3距離相等，此時管道熱損失最大，采暖住宅容積率也最低。因此，根據(jù)住宅總采暖量、管網(wǎng)熱損失率及采暖住宅容積率之間的關(guān)系，可得出室外管網(wǎng)熱損失率與采暖建筑容積率之間的變化規(guī)律，具體結(jié)果如圖5。

圖5 農(nóng)村太陽能集中采暖外網(wǎng)簡易圖Fig 5 Simple outer net diagram of rural solar central heating

由圖6、圖7可知，集中采暖系統(tǒng)室外管網(wǎng)熱損失隨住宅采暖建筑容積率的增加而減少。根據(jù)文獻(xiàn)［22］的規(guī)定，室外供熱管網(wǎng)熱輸送效率不應(yīng)低于90%，即室外管網(wǎng)熱損失率不能高于10%。當(dāng)室外管網(wǎng)熱損失率為10%時，西安、西寧、格爾木地區(qū)農(nóng)村住宅采暖建筑容積率約為0.33～0.38，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)為0.20～0.25。

3 西北農(nóng)村太陽能集中采暖適應(yīng)性分析

圖6 西安、蘭州等地農(nóng)村采暖建筑容積率分析Fig.6 The rural heating building volume rate analysisin places such as Xi’an，Lanzhou et al

圖7 西寧、格爾木等地農(nóng)村采暖建筑容積率分析Fig.7 The rural heating building volume rate analysis in places such as Xining，Golmud et al

太陽能集中采暖模式在農(nóng)村地區(qū)使用的主要限制性條件為集熱器集中安裝場地及住宅采暖建筑容積率?；?.2、2.3節(jié)中這些限制性條件的計算分析結(jié)果，并結(jié)合西北農(nóng)村太陽能集中采暖條件調(diào)查結(jié)果對比分析，可得出西北各典型地區(qū)農(nóng)村太陽能集中采暖模式的適應(yīng)性。

由于住宅采暖建筑容積率是農(nóng)村單戶采暖面積與總宅基地面積的比值，無法直接調(diào)查得出，以單戶住宅采暖面積為100 m2，結(jié)合典型地區(qū)住宅采暖建筑容積率指標(biāo)，可計算得出每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數(shù)，該指標(biāo)稱為居民戶數(shù)指標(biāo)。西安、西寧、格爾木地區(qū)農(nóng)村住宅采暖建筑容積率為0.33～0.38，蘭州、銀川、烏魯木齊地區(qū)農(nóng)村住宅采暖建筑容積率為0.20～0.25。將其轉(zhuǎn)化為居民戶數(shù)指標(biāo)，西安、西寧、格爾木地區(qū)每10 000 m2宅基地面積所具有的居民戶數(shù)為33～38戶，蘭州、銀川、烏魯木齊為20～25戶。

上述計算得出的居民戶數(shù)指標(biāo)與表1各典型地區(qū)農(nóng)村住宅建筑密度調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較，可得出典型地區(qū)滿足居民戶數(shù)指標(biāo)要求的村莊比例。表3為西北各典型地區(qū)農(nóng)村集中采暖集熱器面積分析結(jié)果，與圖3各地村內(nèi)單戶擁有集熱場地面積統(tǒng)計結(jié)果相比較，得出西北典型地區(qū)農(nóng)村能夠提供太陽能集中采暖集熱安裝場地要求的村莊比例。相關(guān)數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表4。

表4 西北地區(qū)農(nóng)村太陽能集中采暖模式適應(yīng)性Table 4 The adaptability of rural solar central heating model in northwest

由表4可得，以集熱器安裝場地條件分析，西安、蘭州地區(qū)農(nóng)村可提供足夠集中集熱安裝場地面積的村莊比例不足20%，銀川、烏魯木齊地區(qū)農(nóng)村滿足要求的村莊比例在50%～75%，而西寧、格爾木地區(qū)有超過80%的農(nóng)村可提供足夠的集中集熱場地。以農(nóng)村采暖建筑容積率條件分析，蘭州、銀川、烏魯木齊農(nóng)村居民住宅建筑密度滿足要求的農(nóng)村比例超過50%，而西寧、格爾木周邊農(nóng)村住宅建筑分布較為分散，滿足要求的農(nóng)村比例不足30%。

4 結(jié) 論

1）農(nóng)村住宅采用太陽能采暖，住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)需具有良好的保溫性能。西北農(nóng)村住宅在保溫性能良好的條件下，單位面積建筑耗熱量指標(biāo)可降至50～70 W／m2，相比傳統(tǒng)農(nóng)村住宅，采暖負(fù)荷顯著降低，滿足太陽能采暖應(yīng)用要求。

2）西北農(nóng)村太陽能集中采暖可行性的關(guān)鍵影響因素為集熱器安裝場地條件及采暖建筑容積率條件。其中，西安農(nóng)村平均每戶需提供集熱場地面積為30～40 m2，蘭州、銀川農(nóng)村為40～50 m2，烏魯木齊農(nóng)村為45～60 m2，西寧、格爾木農(nóng)村為20～30 m2；西安、西寧、格爾木農(nóng)村采暖建筑容積率最低限值需滿足0.38～0.41，蘭州、銀川、烏魯木齊農(nóng)村為0.27～0.31。

3）對比各典型地區(qū)太陽能集中采暖可行條件及當(dāng)?shù)靥柲懿膳瘲l件問卷調(diào)查結(jié)果得出：西安、蘭州地區(qū)超過80%的村莊不能提供足夠的集中集熱場地，西寧、格爾木地區(qū)滿足住宅建筑容積率條件的村莊不足30%。

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GB／T 50627—2010 Evaluation standard for district heating system ［S］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2010.（in Chinese）

（編輯 胡英奎）

2015-04-04

National Natural Science Foundation of China（No.51378411，51408462）

Author brief：Guo Huaiyun（1989-），main research interest：solar energy heating technology in countryside，（E-mail）guohuaiyun＠163.com.

Liu Yanfeng（corresponding author），professor，doctorial supervisor，（E-mail）liuyanfeng＠xauat.edu.cn.

Analysis of the northwest rural central solar heating adaptability

Guo Huaiyun，Liu Yanfeng，Li Yang，Li Tao

（Environmental and Municipal Engineering，Xi＇an University of Architecture and Technology，Xi＇an 710055，P.R.China）

A questionnaire investigation was carried out on the residential heating area of northwest rural，village scales and building density.The main limiting factors of the development and the adaptabilities of concentrated solar heating in rural were analyzed.The results showed that the following factors requirements should be satisfied before concentrated solar heating was applied.Firstly，the average area required for collector installation per household was was30～40 m2in Xi’an，40～50 m2in Lanzhou，Yinchuan，45～60 m2in Urumqi，and 20～30 m2in Xining and Golmud，respectively.Secondly，the minimum building volume rate required was 0.38～0.41 in Xi’an，Xining and Golmud rural village，0.27～0.31 in Lanzhou，Yinchuan，and Urumqi，respectively.However，the questionnaire investigation of current situation in northwest rural showed that more than 80%of the villages in Xi’an and Lanzhou failed to provide enough space for concentrated heating.Less than 30%of the village had building volume rate that met the requirement.of conditions.

rural areas；concentrated solar heating；questionnaire survey；collector area；building density

TU832.1

A

1674-4764（2015）04-0142-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2015.04.019

2015-04-04

國家自然科學(xué)基金（51378411、51408462）

郭懷云（1989-），男，主要從事農(nóng)村太陽能采暖技術(shù)研究，（E-mail）guohuaiyun＠163.com。

劉艷峰（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，（E-mail）liuyanfeng＠xauat.edu.cn。