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【摘要】随着社会主义新农村政策的实施，为了提高农村的人居环境，有必要加强和推广可再生能源的利用。本文对农村住宅的太阳能和地源热泵结合使用用于采暖和制冷的技术进行了分析探讨。
【关键词】新农村建设可再生能源太阳能 地源热泵
1引言
党的十六届五中全会提出了建设社会主义新农村的目标,合理进行农村的能源规划，对农业发展和污染治理有着极其重要的意义。在我国北方地区，农村住宅冬季一般采用小煤炉直接取暖或以煤炉为热源的土暖气取暖，使用不便，供暖质量不能保证，并且存在环境污染和安全隐患。在夏季，有条件的农户会安装太阳能淋浴器及分体式空调使用。随着社会主义新农村建设政策的实施，为了提高农村的人居环境，缩短城乡差距，有必要在有条件的地区为农村住宅增设供暖空调和生活热水供应系统。
农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，除了电力外没有其他能源集中供应，非常适宜于太阳能和地源熱泵等新能源系统的应用。太阳能和地源热泵系统结合使用应用于新农村住宅，不仅可以实现住宅供暖空调和生活热水供应的功能，在经济性和节能性方面也具有显著优势。
2 太阳能与地源热泵新能源系统的特点
太阳能是永不枯竭的清洁可再生能源，是21世纪人类可期待的、最有希望的能源之一。以北京为例，北京地处北纬39°56′左右，当地纬度倾角斜面上年平均日辐照量：17000KJ/m2.d，属于太阳能资源比较丰富的区域。太阳能技术在北京地区有很好的发展前景，并且太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用中最具有发展潜力的领域，资源丰富，绿色环保。
太阳能也具有一些缺点：（1）太阳能的能流密度低，具有分散性。(2)太阳能受天气影响较大，具有不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的。（3）太阳能具有及时性，不易储存。太阳能是一种辐射能，必须即时转换成其它形式的能量才能加以利用和易于储存。
地源热泵技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。但地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或向地下过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。特别是在我国北方地区，土壤温度比较低，而且冬季热负荷大，热泵机组长时间连续运行，导致土壤温度降低，机组效率下降。
在新农村住宅建设项目中，太阳能和地源热泵结合使用可以克服这两种新能源技术自身存在的这些局限性，能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。
3 太阳能与地源热泵系统结合使用在新农村住宅中的应用方式
本文以目前常用的垂直双U地埋管换热器为例进行分析。热泵机组的制热量是由制冷剂的蒸发温度决定的，蒸发温度主要与地埋管换热器的出口水温有关。影响地埋管换热器出口水温的因素主要有地埋管换热器长度、土壤温度、岩土热物性、机组连续运行的时间等。以北京地区住宅建筑为例，冬夏季负荷相当，通过对近几年该地区地源热泵系统的实际运行测试表明，垂直双U地埋管换热器冬季单位长度的取热率为30~45w/m，夏季放热率为60~70w/m。热泵开始运行时，冬季热泵启动5小时后、夏季热泵启动10小时后，地埋管换热器出口水温趋于稳定。这是因为夏季地埋管换热器传热温差较大，使得冬夏单位埋管长度的传热量相差较大。对于单体面积较小的农村住宅，如果冬季单独使用地源热泵系统来供暖，为保证热泵机组正常运行，则须按照冬季工况来设计地埋管换热器，会造成换热器初投资过大，影响地源热泵技术在新农村建设项目中的推广使用。为了提高系统的经济性，可按夏季工况设计地埋管换热器，在冬季利用太阳能辅助热源与地源热泵共同来制热。
4太阳能与地源热泵结合使用的经济性分析
以北京地区建筑面积为120m2的农村住宅为例进行分析，对单独使用地源热泵系统采暖和使用太阳能与地源热泵系统结合方式采暖两种方案进行比较。
方案一:单独采用地源热泵系统供暖
假定该住宅的冬季热负荷为7.2kw，地源热泵机组制热性能系数为3.3，则地埋管换热器换热量为5.02kw。假定冬季地埋管换热器取热量为35w/m,则所需换热器长度为144m，每米换热器造价按100元计，则地埋管换热器投资为14400元。
方案二：采用太阳能和地源热泵结合使用的方式采暖
冬季白天热负荷较小时，使用热泵供暖，夜间热负荷增大，当地埋管换热器出口温度低于热泵机组设定值时，使地源热泵机组和太阳能集热器串联运行，这样可以减少地热换热器的设计长度。假定白天热负荷为设计负荷的60%，则需要地埋管换热器长度为86m，投资为8600元，节省投资5800元。夜间运行时由太阳能集热器承担40%的负荷，夜间二者结合使用运行10小时，则需要太阳能集热器提供的集热量为20080KJ。储水箱内水初始温度按15℃，终止温度按55℃考虑，需要的水箱容积约为120L，考虑用户的淋浴需求，设置容量为300L的水箱。
因热管式真空管太阳能集热器具有耐冰冻、启动快、保温性能好、承压能力强、耐冲击性好、易于安装维修等优点，本文以采用热管式真空管太阳能集热器为例进行分析，所需太阳能集热器的面积：
— 直接系统集热器采光面积，m2；
— 日均用水量，L；
— 水的定压比热容，kJ/（kg•℃），一般选用4.187kJ/（kg•℃）；
— 储水箱内水的设计温度，55℃；
— 水的初始温度，15℃；
— 太阳能保证率，无量纲。最新的国家标准建议取0.5；
— 当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，北京地区为17000KJ/m2•d；
— 集热器的年平均集热效率，取0.6;
— 储水箱和管道的热损失率，根据经验取值宜为0.15。
据上述数据计算如下：
代入数据，计算得结果详见下式：
热管真空管太阳能集热器单位面积造价按1500元计，则增加太阳能集热器的成本为4500元，地埋管换热器和太阳能集热器投资合计为13100元。
通过以上分析，采用太阳能和地源热泵结合使用方式采暖的方案投资稍低于单独使用地源热泵采暖采暖的方案投资，但方案二还具有以下优点：太阳能集热器在辅助地源热泵运行的同时还能提供生活热水，减少了用户的投资；太阳能辅助热泵机组供暖时，机组的蒸发温度提高，使得制热性能系数提高，节省运行费用。
5结论
经济、能源与环境的协调发展，是实现新农村建设的目标，也是实现中国农村现代化的重要前提。在新农村的建设过程中，应将循环经济的发展理念落实到新农村基础设施建设上，尽量多利用可再生资源，减少不可再生资源的消耗，合理进行农村的能源规划，节约资源，保护环境，保证这项利国利民的工程在全国农村蓬勃发展。通过以上分析，太阳能、地热能作为可再生能源，在社会主义新农村建设的能源利用中必将发挥越来越重要的作用，是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
【关键词】新农村建设可再生能源太阳能 地源热泵
1引言
党的十六届五中全会提出了建设社会主义新农村的目标,合理进行农村的能源规划，对农业发展和污染治理有着极其重要的意义。在我国北方地区，农村住宅冬季一般采用小煤炉直接取暖或以煤炉为热源的土暖气取暖，使用不便，供暖质量不能保证，并且存在环境污染和安全隐患。在夏季，有条件的农户会安装太阳能淋浴器及分体式空调使用。随着社会主义新农村建设政策的实施，为了提高农村的人居环境，缩短城乡差距，有必要在有条件的地区为农村住宅增设供暖空调和生活热水供应系统。
农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，除了电力外没有其他能源集中供应，非常适宜于太阳能和地源熱泵等新能源系统的应用。太阳能和地源热泵系统结合使用应用于新农村住宅，不仅可以实现住宅供暖空调和生活热水供应的功能，在经济性和节能性方面也具有显著优势。
2 太阳能与地源热泵新能源系统的特点
太阳能是永不枯竭的清洁可再生能源，是21世纪人类可期待的、最有希望的能源之一。以北京为例，北京地处北纬39°56′左右，当地纬度倾角斜面上年平均日辐照量：17000KJ/m2.d，属于太阳能资源比较丰富的区域。太阳能技术在北京地区有很好的发展前景，并且太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用中最具有发展潜力的领域，资源丰富，绿色环保。
太阳能也具有一些缺点：（1）太阳能的能流密度低，具有分散性。(2)太阳能受天气影响较大，具有不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的。（3）太阳能具有及时性，不易储存。太阳能是一种辐射能，必须即时转换成其它形式的能量才能加以利用和易于储存。
地源热泵技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。但地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或向地下过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。特别是在我国北方地区，土壤温度比较低，而且冬季热负荷大，热泵机组长时间连续运行，导致土壤温度降低，机组效率下降。
在新农村住宅建设项目中，太阳能和地源热泵结合使用可以克服这两种新能源技术自身存在的这些局限性，能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。
3 太阳能与地源热泵系统结合使用在新农村住宅中的应用方式
本文以目前常用的垂直双U地埋管换热器为例进行分析。热泵机组的制热量是由制冷剂的蒸发温度决定的，蒸发温度主要与地埋管换热器的出口水温有关。影响地埋管换热器出口水温的因素主要有地埋管换热器长度、土壤温度、岩土热物性、机组连续运行的时间等。以北京地区住宅建筑为例，冬夏季负荷相当，通过对近几年该地区地源热泵系统的实际运行测试表明，垂直双U地埋管换热器冬季单位长度的取热率为30~45w/m，夏季放热率为60~70w/m。热泵开始运行时，冬季热泵启动5小时后、夏季热泵启动10小时后，地埋管换热器出口水温趋于稳定。这是因为夏季地埋管换热器传热温差较大，使得冬夏单位埋管长度的传热量相差较大。对于单体面积较小的农村住宅，如果冬季单独使用地源热泵系统来供暖，为保证热泵机组正常运行，则须按照冬季工况来设计地埋管换热器，会造成换热器初投资过大，影响地源热泵技术在新农村建设项目中的推广使用。为了提高系统的经济性，可按夏季工况设计地埋管换热器，在冬季利用太阳能辅助热源与地源热泵共同来制热。
4太阳能与地源热泵结合使用的经济性分析
以北京地区建筑面积为120m2的农村住宅为例进行分析，对单独使用地源热泵系统采暖和使用太阳能与地源热泵系统结合方式采暖两种方案进行比较。
方案一:单独采用地源热泵系统供暖
假定该住宅的冬季热负荷为7.2kw，地源热泵机组制热性能系数为3.3，则地埋管换热器换热量为5.02kw。假定冬季地埋管换热器取热量为35w/m,则所需换热器长度为144m，每米换热器造价按100元计，则地埋管换热器投资为14400元。
方案二：采用太阳能和地源热泵结合使用的方式采暖
冬季白天热负荷较小时，使用热泵供暖，夜间热负荷增大，当地埋管换热器出口温度低于热泵机组设定值时，使地源热泵机组和太阳能集热器串联运行，这样可以减少地热换热器的设计长度。假定白天热负荷为设计负荷的60%，则需要地埋管换热器长度为86m，投资为8600元，节省投资5800元。夜间运行时由太阳能集热器承担40%的负荷，夜间二者结合使用运行10小时，则需要太阳能集热器提供的集热量为20080KJ。储水箱内水初始温度按15℃，终止温度按55℃考虑，需要的水箱容积约为120L，考虑用户的淋浴需求，设置容量为300L的水箱。
因热管式真空管太阳能集热器具有耐冰冻、启动快、保温性能好、承压能力强、耐冲击性好、易于安装维修等优点，本文以采用热管式真空管太阳能集热器为例进行分析，所需太阳能集热器的面积：
— 直接系统集热器采光面积，m2；
— 日均用水量，L；
— 水的定压比热容，kJ/（kg•℃），一般选用4.187kJ/（kg•℃）；
— 储水箱内水的设计温度，55℃；
— 水的初始温度，15℃；
— 太阳能保证率，无量纲。最新的国家标准建议取0.5；
— 当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，北京地区为17000KJ/m2•d；
— 集热器的年平均集热效率，取0.6;
— 储水箱和管道的热损失率，根据经验取值宜为0.15。
据上述数据计算如下：
代入数据，计算得结果详见下式：
热管真空管太阳能集热器单位面积造价按1500元计，则增加太阳能集热器的成本为4500元，地埋管换热器和太阳能集热器投资合计为13100元。
通过以上分析，采用太阳能和地源热泵结合使用方式采暖的方案投资稍低于单独使用地源热泵采暖采暖的方案投资，但方案二还具有以下优点：太阳能集热器在辅助地源热泵运行的同时还能提供生活热水，减少了用户的投资；太阳能辅助热泵机组供暖时，机组的蒸发温度提高，使得制热性能系数提高，节省运行费用。
5结论
经济、能源与环境的协调发展，是实现新农村建设的目标，也是实现中国农村现代化的重要前提。在新农村的建设过程中，应将循环经济的发展理念落实到新农村基础设施建设上，尽量多利用可再生资源，减少不可再生资源的消耗，合理进行农村的能源规划，节约资源，保护环境，保证这项利国利民的工程在全国农村蓬勃发展。通过以上分析，太阳能、地热能作为可再生能源，在社会主义新农村建设的能源利用中必将发挥越来越重要的作用，是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看