河北工業大學能源與環境工程學院  馬秀琴  王慧  陳月  賀鑫  鄭輝

    【摘  要】針對中國北方農村采暖現狀，對河北部分農村地區進行了采暖情況調研，其中98.71%的農戶選用煤炭作為其冬季取暖的主要能源。粗放的采暖方式是造成京津冀地區霧霾頻發的主要原因之一。面對以上情況，我們設計了一種新型太陽能蓄能炕。主要研究了該系統在中國北方農村應用的可行性。研究表明：水蓄能和石蠟蓄能的炕面溫度和睡眠環境溫度白天供暖效果相差不大，但晚上石蠟蓄能炕經過一段時間放熱，睡眠環境溫度基本維持在一穩定溫度，更舒適。且兩者在炕面不同部位的溫差在一天中大部分時間維持在2℃以下，相比傳統火炕更加舒適。

    【關鍵字】霧霾，農村采暖，太陽能蓄熱炕，相變儲熱，舒適性

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年初以來，京津冀地區持續出現的霧霾天氣，使這一地區成為污染重災區。研究顯示：石家莊、北京、天津本地污染中，燃煤貢獻率分別為28.5%、22.4%、27%^[1] 。而農村粗放的采暖方式也是造成環境污染的主要原因之一。為此筆者對河北省農村采暖現狀進行了調研。

    2017年3月，北京在全國率先實現全部清潔能源發電，“無煤化”將會是未來能源利用的主要趨勢。京津冀太陽能資源豐富，全地區太陽能年總輻射在1450千瓦時每平方米～1700千瓦時每平方米，可開發利用價值大^[2] 。針對以上情況，本文提出了一種節能、安全、“無煤化”的冬季供暖新方式—太陽能蓄能炕。

2 河北省農村采暖現狀調研

    本文以河北省農村為調研對象，對其采暖現狀進行了調查分析。地點選取了河北省8個市的農村地區，分別是河北省北部的張家口和唐山，中部的保定，滄州，石家莊，衡水，南部的邢臺，邯鄲。調研采用了調查問卷和詢問記錄相結合方式，收回有效問卷309份。通過分析了解了河北省農村的采暖信息如常見的采暖方式、末端采暖裝置和能源使用情況等。

    2.1 采暖方式

    由于農戶采暖設備結構的限制，調研農戶中，存在部分比例的農戶的采暖與炊事是一體的。匯總發現，采暖與炊事一體、分離的比例分別占了39.2%和60.8%。從能源利用方式來分，將調研農戶的采暖方式分為燃燒型采暖、電采暖和聯合采暖三大類。其中聯合采暖是指熱源部分的聯合即燃料和電相聯合。其中98%的農戶選擇燃燒供暖，其原因是農村主要依靠燃燒植物秸稈、煤炭和動物糞便等，有些可就地取材，方便經濟。而采用電采暖在冬季供暖，耗電量巨大，對于廣大農村來說是不經濟的，所以采用電采暖和聯合采暖的人只占總問卷人數的2%。   

    2.2 末端采暖裝置

    火炕作為我國北方農村傳統的采暖方式，因其發熱面積大，原理簡單，建造成本低，能很好的解決了寒冷的冬季人們的采暖問題，因此大多數北方農戶仍采用此種方式采暖。土暖氣采暖也是農村較為普遍的一種采暖方式。隨著農村人們生活水平的提高，也有使用空調和電加熱器供暖的采暖方式。由于后兩種使用人數太少全部歸結為其他采暖方式。此次調研中末端采暖裝置分為只采用傳統火炕、只采用土暖氣、傳統火炕和土暖氣聯合使用，以及其他采暖裝置。具體使用情況如圖1。

    2.3 能源使用情況

    目前，農村采暖常用的能源物質有煤炭、電、生物質、液化氣、天然氣等。本次調查中，農村采暖使用能源有煤炭、電、生物質。一個農戶可能使用多種能源，也可能使用單一能源，使用多種能源的農戶占多數。圖2反映了使用各類能源的農戶數量，及其占調研農戶總數的百分比。

    如圖2所示，調研用戶中98.71%的用戶使用煤炭作為生活能源，其次是電、生物質能。而燃燒煤炭、生物質產生的大量煙塵，CO₂，SO₂等也是造成環境問題的主要原因。所以農村供暖節能改造刻不容緩，采用可再生能源是未來發展的主要方向。

3 太陽能蓄能炕實驗研究

    針對北方的環境和能源問題，本文探討了一種新型太陽能蓄能炕實現冬季供暖的可行性。我國北方地區太陽能資源豐富，東北主要屬于太陽能資源分布的Ⅲ區，年均輻射在1050kWh/m²，而華北和西北屬于是太陽能資源分布的Ⅱ區，年均輻射在1400kWh/m²以上。假設室內計算溫度為18℃，室外計算溫度為-9℃，計算得蓄能炕供給房間熱量為3.3MJ，蓄能炕所需熱量為6.7MJ，需要總熱量為10 MJ，計劃選用功率為545W集熱面積為0.77m²的槽式太陽能集熱器，集熱效率為55%，所需太陽日輻射量為11.78 MJ，單個收集輻射量為11.44 MJ，選用2個。以天津地區為例，圖3為2016年冬季月太陽月均輻射量。由圖3可見除12月份的輻射水平不滿足要求外，其余月份完全可以滿足用熱需求，不足月份可輔以電加熱。

    圖4為太陽能蓄能炕的系統圖，圖5為蓄能炕的實際內部構造圖。實驗炕體尺寸為長2米，寬1米。最外層為一個壁厚為20mm，長寬高尺寸分別為2m×1m×0.15m的木質炕盒，炕盒底部和四周粘接40mm厚的擠塑聚苯板絕熱材料，在絕熱材料層表面粘貼地暖輻射反射膜，蓄能炕箱體采用耐腐蝕、密閉性好、成本較低的不銹鋼，盤管采用直徑為12mm的不銹鋼鋼管，管間距為100mm。盤管間有不銹鋼翅片，主要起支撐作用及加快蓄熱材料的導熱性。

    如圖4所示，熱源采用槽式集熱器收集太陽能熱量，儲存在太陽能儲熱水箱。熱水通過盤管系統流經炕體，把熱量傳給炕體蓄熱材料。本次實驗將炕體水儲熱和相變材料儲熱進行實驗效果對比。為了更好的研究炕體性能，用電加熱代替太陽能供熱。選用容積為100L的保溫水箱，用溫控器控制加熱水的溫度。通過人們對傳統火炕的使用和實踐，總結出了火炕炕面舒適、易被人體接受的炕面平均溫度，多為25℃一32℃。因此炕體相變蓄熱材料采用30#石蠟。

    測點布置采用均分模式，蓄能材料層內部溫度、炕面溫度和睡眠環境溫度（鋪設被褥后表面溫度），實驗將測點分三層布置，每層布6個測點，分別測量炕頭、炕中、炕尾溫度。實驗用電加熱水箱代替太陽能供暖水箱研究蓄熱炕體性能。本文將從溫度舒適性和炕面不均勻度兩方面論證水蓄能炕和石蠟蓄能炕應用效果。

    3.1 溫度舒適性

    據資料顯示，皮膚能適應的溫度范圍為29-37℃，感覺基本舒適的溫度范圍為30-35℃^[3] 。水箱采用溫控器控制水箱供水溫度，加熱器間接工作。早上8:30開啟加熱器，晚上17:30關閉。在供水溫度35℃，40℃，45℃條件下分別做實驗，測量炕面溫度和睡眠環境溫度。水儲熱炕的炕面溫度和睡眠環境溫度的測量結果如圖6、圖7所示。從圖中明顯看出，隨供水溫度的升高，炕面、睡眠環境溫度溫度也隨之升高。睡眠環境溫度比炕面溫度低5℃左右。白天炕面溫度在在1—2℃范圍內波動，是由于加熱器啟停引起的。晚上停止供熱后，炕面溫度隨時間呈線性下降，并且隨供水溫度升高，下降溫差越大。45℃供水溫度下，炕面溫度下降11.4℃。35℃供水溫度下，炕面溫度下降6.6℃。當供水溫度是35℃、40℃、45℃時，水儲熱炕一天的睡眠環境平均溫度分別為28.2℃、31.3℃、33.87℃。

    相變儲熱炕的炕面和睡眠環境的溫度變化如圖8、圖9所示。實驗結果表明，白天炕面溫度變化與水儲熱規律相似。但晚上停止供熱后，炕面溫度隨時間變化先線性下降后趨于穩定，穩定在28℃左右。這是因為相變材料有相變潛熱，白天吸收熱量石蠟熔化，晚上放熱，溫度降到石蠟凝固溫度，石蠟釋放相變潛熱，石蠟溫度不變。隨供熱溫度的提高，晚上炕面溫度降到穩定溫度所需時間變長。睡眠環境溫度比炕面溫度低4℃左右，兩者變化規律相似。夜間炕面放熱階段，石蠟儲熱炕溫度變化比水儲熱炕小，更舒適。當供水溫度是35℃、40℃、45℃時，相變儲熱炕一天的睡眠環境平均溫度分別為27.3℃、29.3℃、30.86℃。綜合考慮，供水溫度40℃時石蠟蓄能炕能更好的滿足人體舒適性要求。石蠟儲熱炕與水儲熱炕相比，白天兩者均能滿足人體舒適性要求。但是，在晚上石蠟儲熱炕炕面溫度和睡眠環境溫度能維持在一個穩定溫度，符合人體舒適性要求。

    3.2 炕面不均勻度

    用熱電偶分別測量炕面炕頭、炕中、炕尾溫度。水儲熱炕炕面溫差和睡眠環境溫差如圖10、圖11所示。由圖可知，初始加熱階段各個炕面溫差較大，穩定后炕面溫差在小幅度內波動，停止加熱后，炕面溫差趨于穩定。在穩定階段，炕面溫度炕頭炕尾溫差最大，但都在在0.8℃以下。睡眠環境溫度最大溫差出現在初始加熱階段炕頭炕尾溫差，最大溫差達到3℃，晚上溫差基本穩定在1℃。

    石蠟儲熱炕不同部位炕面溫差和睡眠環境溫差如圖12、圖13所示。石蠟儲熱炕炕面和睡眠環境不同部位溫差沒有特殊規律，但都在一定范圍波動。石蠟儲熱炕炕面最大溫差為1.14℃，比水儲熱最大炕面溫差小1.5℃。睡眠環境最大溫差出現在剛開始加熱階段，為2.4℃，比水儲熱炕低。原因為石蠟是相變材料，從盤管處吸收的熱量用于石蠟熔化，儲存為相變潛熱，石蠟溫度不變。后階段睡眠環境炕中炕尾溫差比炕頭炕尾溫差大，原因可能是受室內環境溫度的影響，如靠近炕體的室內熱源、靠窗冷風滲透等。

4 結束語

    在河北廣大農村地區，煤炭燃燒取暖仍然是其冬季主要采暖方式。且能源利用效率低，不衛生的火炕和土暖氣是該地區主要的采暖末端裝置。節能改造刻不容緩。太陽能蓄能炕采用可再生能源為熱源，采用水和石蠟為蓄能介質，有效改善了傳統火炕炕面溫度不均的弊端。且太陽能蓄能炕炕面溫度和睡眠環境溫度均能達到人體舒適水平。由于水屬于可再生能源且無需成本，水蓄能炕初期投資更低，但相變蓄能炕炕面溫差控制在2℃以內，在夜間存在恒溫放熱階段，在睡眠階段比水蓄能炕舒適性好。新型太陽能蓄能炕的設計為中國北方農村供暖提供了新思路。蓄能炕體的設計有待進一步優化以解決實際應用中存在的問題。

參考文獻

    [1] 李新慧，基于低碳消費視角的京津冀霧霾治理，石家莊鐵道大學學報，2015年12月，6-9頁
    [2] 廖茂林,京津冀霧霾協同治理的三個維度,京津冀協同發展2017，2,32-36
    [3] 趙亞力,馬學斌,韓為東.分子生物學基本實驗技術［M.］北京: 清華大學出版社,2006.
    [4] 趙洋,舒適節能火墻式火炕結構及特點的研究與分析，中國住宅設施，2009，11，60-64

    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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