河北工业大学能源与环境工程学院  马秀琴  王慧  陈月  贺鑫  郑辉

    【摘  要】针对中国北方农村采暖现状，对河北部分农村地区进行了采暖情况调研，其中98.71%的农户选用煤炭作为其冬季取暖的主要能源。粗放的采暖方式是造成京津冀地区雾霾频发的主要原因之一。面对以上情况，我们设计了一种新型太阳能蓄能炕。主要研究了该系统在中国北方农村应用的可行性。研究表明：水蓄能和石蜡蓄能的炕面温度和睡眠环境温度白天供暖效果相差不大，但晚上石蜡蓄能炕经过一段时间放热，睡眠环境温度基本维持在一稳定温度，更舒适。且两者在炕面不同部位的温差在一天中大部分时间维持在2℃以下，相比传统火炕更加舒适。

    【关键字】雾霾，农村采暖，太阳能蓄热炕，相变储热，舒适性

Abstract: according to the present situation of rural heating in northern China, a survey was conducted on some rural areas in hebei province, among which 98.71% of farmers chose coal as their main energy source for winter heating. Extensive heating is one of the main causes of frequent smog in the Jing-Jin-Ji region. Faced with the above situation, we designed a new type of solar energy storage bed. The feasibility of application of the system in rural areas of north China was studied. Research showed that water storage and paraffin bed surface temperature of the storage environment temperature during the day and sleep heating effects were similar, but the evening paraffin energy storage bed exothermic over a period of time, sleep environment temperature maintained at a stable temperature, more comfortable. And both in different parts of the bed surface temperature difference in most of the time of the day to within 2 ℃ below, compared with the traditional fire resistance more comfortable.
Keywords: Haze, Heating of the rural, Solar energy storage bed, Latent heat of phase change, Amenity

1 引言

    2013年初以来，京津冀地区持续出现的雾霾天气，使这一地区成为污染重灾区。研究显示：石家庄、北京、天津本地污染中，燃煤贡献率分别为28.5%、22.4%、27%^[1] 。而农村粗放的采暖方式也是造成环境污染的主要原因之一。为此笔者对河北省农村采暖现状进行了调研。

    2017年3月，北京在全国率先实现全部清洁能源发电，“无煤化”将会是未来能源利用的主要趋势。京津冀太阳能资源丰富，全地区太阳能年总辐射在1450千瓦时每平方米～1700千瓦时每平方米，可开发利用价值大^[2] 。针对以上情况，本文提出了一种节能、安全、“无煤化”的冬季供暖新方式—太阳能蓄能炕。

2 河北省农村采暖现状调研

    本文以河北省农村为调研对象，对其采暖现状进行了调查分析。地点选取了河北省8个市的农村地区，分别是河北省北部的张家口和唐山，中部的保定，沧州，石家庄，衡水，南部的邢台，邯郸。调研采用了调查问卷和询问记录相结合方式，收回有效问卷309份。通过分析了解了河北省农村的采暖信息如常见的采暖方式、末端采暖装置和能源使用情况等。

    2.1 采暖方式

    由于农户采暖设备结构的限制，调研农户中，存在部分比例的农户的采暖与炊事是一体的。汇总发现，采暖与炊事一体、分离的比例分别占了39.2%和60.8%。从能源利用方式来分，将调研农户的采暖方式分为燃烧型采暖、电采暖和联合采暖三大类。其中联合采暖是指热源部分的联合即燃料和电相联合。其中98%的农户选择燃烧供暖，其原因是农村主要依靠燃烧植物秸秆、煤炭和动物粪便等，有些可就地取材，方便经济。而采用电采暖在冬季供暖，耗电量巨大，对于广大农村来说是不经济的，所以采用电采暖和联合采暖的人只占总问卷人数的2%。   

    2.2 末端采暖装置

    火炕作为我国北方农村传统的采暖方式，因其发热面积大，原理简单，建造成本低，能很好的解决了寒冷的冬季人们的采暖问题，因此大多数北方农户仍采用此种方式采暖。土暖气采暖也是农村较为普遍的一种采暖方式。随着农村人们生活水平的提高，也有使用空调和电加热器供暖的采暖方式。由于后两种使用人数太少全部归结为其他采暖方式。此次调研中末端采暖装置分为只采用传统火炕、只采用土暖气、传统火炕和土暖气联合使用，以及其他采暖装置。具体使用情况如图1。

    2.3 能源使用情况

    目前，农村采暖常用的能源物质有煤炭、电、生物质、液化气、天然气等。本次调查中，农村采暖使用能源有煤炭、电、生物质。一个农户可能使用多种能源，也可能使用单一能源，使用多种能源的农户占多数。图2反映了使用各类能源的农户数量，及其占调研农户总数的百分比。

    如图2所示，调研用户中98.71%的用户使用煤炭作为生活能源，其次是电、生物质能。而燃烧煤炭、生物质产生的大量烟尘，CO₂，SO₂等也是造成环境问题的主要原因。所以农村供暖节能改造刻不容缓，采用可再生能源是未来发展的主要方向。

3 太阳能蓄能炕实验研究

    针对北方的环境和能源问题，本文探讨了一种新型太阳能蓄能炕实现冬季供暖的可行性。我国北方地区太阳能资源丰富，东北主要属于太阳能资源分布的Ⅲ区，年均辐射在1050kWh/m²，而华北和西北属于是太阳能资源分布的Ⅱ区，年均辐射在1400kWh/m²以上。假设室内计算温度为18℃，室外计算温度为-9℃，计算得蓄能炕供给房间热量为3.3MJ，蓄能炕所需热量为6.7MJ，需要总热量为10 MJ，计划选用功率为545W集热面积为0.77m²的槽式太阳能集热器，集热效率为55%，所需太阳日辐射量为11.78 MJ，单个收集辐射量为11.44 MJ，选用2个。以天津地区为例，图3为2016年冬季月太阳月均辐射量。由图3可见除12月份的辐射水平不满足要求外，其余月份完全可以满足用热需求，不足月份可辅以电加热。

    图4为太阳能蓄能炕的系统图，图5为蓄能炕的实际内部构造图。实验炕体尺寸为长2米，宽1米。最外层为一个壁厚为20mm，长宽高尺寸分别为2m×1m×0.15m的木质炕盒，炕盒底部和四周粘接40mm厚的挤塑聚苯板绝热材料，在绝热材料层表面粘贴地暖辐射反射膜，蓄能炕箱体采用耐腐蚀、密闭性好、成本较低的不锈钢，盘管采用直径为12mm的不锈钢钢管，管间距为100mm。盘管间有不锈钢翅片，主要起支撑作用及加快蓄热材料的导热性。

    如图4所示，热源采用槽式集热器收集太阳能热量，储存在太阳能储热水箱。热水通过盘管系统流经炕体，把热量传给炕体蓄热材料。本次实验将炕体水储热和相变材料储热进行实验效果对比。为了更好的研究炕体性能，用电加热代替太阳能供热。选用容积为100L的保温水箱，用温控器控制加热水的温度。通过人们对传统火炕的使用和实践，总结出了火炕炕面舒适、易被人体接受的炕面平均温度，多为25℃一32℃。因此炕体相变蓄热材料采用30#石蜡。

    测点布置采用均分模式，蓄能材料层内部温度、炕面温度和睡眠环境温度（铺设被褥后表面温度），实验将测点分三层布置，每层布6个测点，分别测量炕头、炕中、炕尾温度。实验用电加热水箱代替太阳能供暖水箱研究蓄热炕体性能。本文将从温度舒适性和炕面不均匀度两方面论证水蓄能炕和石蜡蓄能炕应用效果。

    3.1 温度舒适性

    据资料显示，皮肤能适应的温度范围为29-37℃，感觉基本舒适的温度范围为30-35℃^[3] 。水箱采用温控器控制水箱供水温度，加热器间接工作。早上8:30开启加热器，晚上17:30关闭。在供水温度35℃，40℃，45℃条件下分别做实验，测量炕面温度和睡眠环境温度。水储热炕的炕面温度和睡眠环境温度的测量结果如图6、图7所示。从图中明显看出，随供水温度的升高，炕面、睡眠环境温度温度也随之升高。睡眠环境温度比炕面温度低5℃左右。白天炕面温度在在1—2℃范围内波动，是由于加热器启停引起的。晚上停止供热后，炕面温度随时间呈线性下降，并且随供水温度升高，下降温差越大。45℃供水温度下，炕面温度下降11.4℃。35℃供水温度下，炕面温度下降6.6℃。当供水温度是35℃、40℃、45℃时，水储热炕一天的睡眠环境平均温度分别为28.2℃、31.3℃、33.87℃。

    相变储热炕的炕面和睡眠环境的温度变化如图8、图9所示。实验结果表明，白天炕面温度变化与水储热规律相似。但晚上停止供热后，炕面温度随时间变化先线性下降后趋于稳定，稳定在28℃左右。这是因为相变材料有相变潜热，白天吸收热量石蜡熔化，晚上放热，温度降到石蜡凝固温度，石蜡释放相变潜热，石蜡温度不变。随供热温度的提高，晚上炕面温度降到稳定温度所需时间变长。睡眠环境温度比炕面温度低4℃左右，两者变化规律相似。夜间炕面放热阶段，石蜡储热炕温度变化比水储热炕小，更舒适。当供水温度是35℃、40℃、45℃时，相变储热炕一天的睡眠环境平均温度分别为27.3℃、29.3℃、30.86℃。综合考虑，供水温度40℃时石蜡蓄能炕能更好的满足人体舒适性要求。石蜡储热炕与水储热炕相比，白天两者均能满足人体舒适性要求。但是，在晚上石蜡储热炕炕面温度和睡眠环境温度能维持在一个稳定温度，符合人体舒适性要求。

    3.2 炕面不均匀度

    用热电偶分别测量炕面炕头、炕中、炕尾温度。水储热炕炕面温差和睡眠环境温差如图10、图11所示。由图可知，初始加热阶段各个炕面温差较大，稳定后炕面温差在小幅度内波动，停止加热后，炕面温差趋于稳定。在稳定阶段，炕面温度炕头炕尾温差最大，但都在在0.8℃以下。睡眠环境温度最大温差出现在初始加热阶段炕头炕尾温差，最大温差达到3℃，晚上温差基本稳定在1℃。

    石蜡储热炕不同部位炕面温差和睡眠环境温差如图12、图13所示。石蜡储热炕炕面和睡眠环境不同部位温差没有特殊规律，但都在一定范围波动。石蜡储热炕炕面最大温差为1.14℃，比水储热最大炕面温差小1.5℃。睡眠环境最大温差出现在刚开始加热阶段，为2.4℃，比水储热炕低。原因为石蜡是相变材料，从盘管处吸收的热量用于石蜡熔化，储存为相变潜热，石蜡温度不变。后阶段睡眠环境炕中炕尾温差比炕头炕尾温差大，原因可能是受室内环境温度的影响，如靠近炕体的室内热源、靠窗冷风渗透等。

4 结束语

    在河北广大农村地区，煤炭燃烧取暖仍然是其冬季主要采暖方式。且能源利用效率低，不卫生的火炕和土暖气是该地区主要的采暖末端装置。节能改造刻不容缓。太阳能蓄能炕采用可再生能源为热源，采用水和石蜡为蓄能介质，有效改善了传统火炕炕面温度不均的弊端。且太阳能蓄能炕炕面温度和睡眠环境温度均能达到人体舒适水平。由于水属于可再生能源且无需成本，水蓄能炕初期投资更低，但相变蓄能炕炕面温差控制在2℃以内，在夜间存在恒温放热阶段，在睡眠阶段比水蓄能炕舒适性好。新型太阳能蓄能炕的设计为中国北方农村供暖提供了新思路。蓄能炕体的设计有待进一步优化以解决实际应用中存在的问题。

参考文献

    [1] 李新慧，基于低碳消费视角的京津冀雾霾治理，石家庄铁道大学学报，2015年12月，6-9页
    [2] 廖茂林,京津冀雾霾协同治理的三个维度,京津冀协同发展2017，2,32-36
    [3] 赵亚力,马学斌,韩为东.分子生物学基本实验技术［M.］北京: 清华大学出版社,2006.
    [4] 赵洋,舒适节能火墙式火炕结构及特点的研究与分析，中国住宅设施，2009，11，60-64

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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