长沙理工赵斌：寒冷地区农村“太阳能+”供热系统研发与实践

消除雾霾、保卫蓝天是大势所趋，民心所向；APEC蓝应成为不以降低人民生活质量为代价的新常态。“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”是中国最强音。

“我国拥有丰富的太阳能、生物质能、地热能等可再生资源，且我国农村幅员辽阔，人口众多，在太阳能资源充足的寒冷地区采取‘太阳能＋’供热系统对合理分配、保护自然资源，缓解能源供需矛盾及践行我国高质量、可持续发展政策至关重要。”2020年12月8日-9日，在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国科学院电工研究所主办、内蒙古旭宸能源有限公司联合承办的“2020国际可再生能源供热技术大会”上，长沙理工大学赵斌教授根据其在可再生能源领域从事技术研发和工程实践的经验如此表示。对于全面推广清洁能源，他认为：犹如一场长跑！而“最先一公里”是技术选择的关键时期，要开好局、起好步，既要做好线路规划，又要做好试点探索；“最后一公里”是设备或系统的验收、运维，是否能维持长周期运行，依赖于政府、企业、人民是否有足够的定力、执行力，是否能做到善作善成！

赵斌教授以《寒冷地区农村“太阳能+”供热系统研发与实践》为题，从建筑热工分区及农村采暖，清洁取暖与清洁取暖规划，“太阳能+”供暖技术研发与实践等方面进行了阐述，进而提出新时代清洁供暖的思考与展望。

1、建筑热工分区及农村采暖

1.1 建筑热工分区

根据《民用建筑热工设计规范》GB 50176-2016，以空气温度为主要参考，将我国分为五个区，目的是使民用建筑的热工设计与地区气候相适应，满足室内基本的热环境要求，符合国家节约能源的方针，提高投资效益。

严寒地区：最冷月平均温度≤-10℃，日平均温度≤5℃，天数≥145d；

寒冷地区：最冷月平均温度为-10℃～0℃，日平均温度≤5℃，天数为90～145d。

图1 我国建筑热工分区图

1.2 全球供热趋势

供热作为全球最大的终端能源消费领域，2018年该领域占全球终端能耗的50%，建筑物房屋占其中的46%（主要用于空间采暖和热水供应）。

国际能源署数据显示，2009～2018年间，全球可再生能源供热能耗增长了2/3以上，2018年可再生能源全球区域供热能耗占比接近8%，包括：

（1）生物质能：生物质能供热消费占全球可再生能源的2/3；

（2）太阳能：太阳能是全球增长最快的清洁能源供热热源，在过去10年，太阳能供热累计装机增长250%，2018年太阳能供热技术满足了全球2.1%的空间采暖和热水供应需求；

（3）地热能：地热能目前占比不到1%但在持续增长。

1.3 我国寒冷地区及农村采暖旧貌

截至2016年底，我国严寒和寒冷地区（北方）清洁能源（天然气、电能、清洁燃煤、可再生能源）供暖占比34%。

我国农村人口数量超过5.6亿，北方农村建筑取暖面积达65亿平方米。当前我国农村地区供暖现状为：以利用率低、污染严重的散煤供暖为主。基于此现状，需要大力积极支持并推动北方各省份因地制宜地采用多种清洁供暖方式，替代散煤供暖。

图2 农村太阳能供暖项目

1.4 我国太阳能资源现状

我国蕴藏着丰富的太阳能资源，全国2/3的国土面积年日照时数在2200h以上，年太阳辐射总量大于5×106kJ/m²。

太阳能供暖主要以辅助供暖形式存在，根据当地资源禀赋，使用太阳能集热装置，配合其他稳定性好的清洁能源向用户供暖，目前国家政策支持太阳能发展，太阳能可推广潜力大。

图3 秦皇岛农村太阳能供暖项目

2、清洁取暖与清洁取暖规划

2.1清洁取暖

清洁取暖是指利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、清洁化燃煤（超低排放）、核能等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式，包含以降低污染物排放和能源消耗为目标的取暖全过程，涉及清洁热源、高效输配管网（热网）、节能建筑（热用户）等环节。“电采暖”是清洁能源供暖的一种方式。

我国新增加的建筑中，只要有5%采用地热供暖，地热能源的产值就可以达到1万亿甚至更多，因而“十四五”期间地热的市场潜力非常大。

地热作为清洁能源应用于实际，将有助于碳中和远景目标的实现。

地热能的能源利用效率非常高。汪集暘讲到，地热能发电的能源利用效率平均可以达到73%，有的国家和地区甚至可以达到90%。截至2019年，全球地热发电规模达到15951MW，我国地热发电规模为43MW，我国地热发电仍有较大发展空间。在地热直接利用方面，中国地热直接利用量则居全球首位，占总量的43%。我国的地热供暖产业增长速度非常快，浅层和中深层地热能有着很好的发展前景。

汪集暘认为，我国的地热能开发利用应该热电并举，以热为主，深浅结合，东西兼顾，干湿有度。 

2.2清洁取暖规划

◎ 《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》提出农村地区优先利用生物质、太阳能等清洁能源供暖，有条件的发展天然气或电供暖。《规划》指出，到2021年，北方地区清洁取暖率达到70%，替代散煤1.5亿吨。

◎《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》积极推进太阳能与常规能源融合，采取集中式与分布式结合的方式进行建筑供暖。鼓励在条件适宜的中小城镇、民用及公共建筑上推广太阳能供暖系统。在农业大棚、养殖场等用热需求大且与太阳能特性匹配的行业，充分利用太阳能供热。

◎《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》《关于推进北方采暖地区城镇清洁供暖的指导意见》等文件，将太阳能供暖等可再生能源供暖作为城乡能源规划的重要内容，大力发展可再生能源供热市场，推进完善可再生能源供热市场化机制。

◎ 河北：将推动条件适宜地区规模化实施“太阳能+”清洁取暖。2020年12月5日，河北省政府党组书记、省长许勤主持召开省政府党组会议，研究“太阳能+”取暖等工作。会议指出，推广“太阳能+”取暖，是提升环境质量、保障和改善民生的重要举措。各地各有关部门因地制宜，大力支持绿色技术创新，推动条件适宜地区规模化实施“太阳能+”清洁取暖。

◎ 2020年9月国家能源局表示，对于太阳能资源丰富的农村地区，鼓励建设被动式太阳房，进行清洁能源采暖改造；中央财政安排20亿元用于农村清洁取暖运行补贴，包括太阳能、生物质能等，重点向农村特困人群倾斜。

◎ 国家能源局表示，太阳能供热采暖是可再生能源利用的重要领域，技术成熟，经济性较好，可应用于生活及工业热水供应，为推进北方地区清洁供暖、改善京津冀大气环境质量发挥了积极作用。国家积极鼓励推动各地因地制宜利用太阳能等可再生能源进行供暖。

3、“太阳能+”供暖技术研发

3.1 太阳能暖风机系统

由江苏蓄能谷公司开发的太阳能暖风机系统由一组双通管型太阳能集热器、蓄换水箱、双射流风口、低噪声离心风机构成。

经山东省质检院对其生产的太阳能暖风机系统进行测试，得到太阳能集热效率为58.24%。

图9 太阳能暖风机系统性能测试

注：测试标准参考如下标准

《太阳能暖风机系统》江苏蓄能谷实业有限公司企业标准

《家用太阳能热水系统技术条件》GB/T19141-2011

《户用太阳能采暖系统技术条件》NB/T32018-2013

《北方农村户用太阳能采暖系统技术条件》NB/T10150—2019等

3.2 钒钛全瓷太阳能热利用系统

钒钛全瓷太阳能热利用系统由山东立德新能源公司研发，应用高钛材料，采用环保、低耗、瓷化等新工艺的太阳能新材料技术。

图10a 钒钛全瓷太阳能集热板（数据来源:山东立德新能源公司)

图10b 钒钛全瓷太阳能集热板

棚间一体化方案技术

方案：

储热保温水箱埋在棚内地下

◆棚内埋设地暖管，提高地温

◆棚内北墙安装风机盘管散热器，提高内温

◆ 有效利用棚间空地，温度更高

◆ 便于维护，风载小

特点：

◆维护简单方便，空间有效利用

◆水温更高，储热效果更好

◆成本略高

图11 自调温大棚清洁供热方案图

4、“太阳能+”供暖系统实践

4.1 “太阳能+”供暖系统

“太阳能+”供暖系统是多种能源联合的采暖技术,“太阳能+”供暖系统依靠其互补性，成为有明显优势的清洁供暖方案，可利用辅助能源包括生物质能、空气源热泵、地热能、电锅炉等。

图12 山东多能互补示范项目

4.2 太阳能+生物质能

农作物光合作用的产物一半在籽实，一半在秸秆。我国每年产生的农作物秸秆超过9亿吨，在东北等生物质资源丰富地区，采用太阳能+生物质能的清洁采暖体系，可帮助减少目前每年近2亿吨直接燃烧的农作物带来的污染，形成布局合理的生物质综合利用产业化格局。

图13 农村利用生物质能取热

4.3 太阳能+生物质能户用采暖系统

通过对秦皇岛5个月采暖季的跟踪，60㎡用户，消耗生物质1.5吨左右，采暖费用约为1200元左右，40㎡用户采暖费用为800元左右，折合20元/㎡。对比电辅助采暖用户费用，有一定的优势。如果对比用户费用及政府补贴费用，电采暖费用一般则在3000元/户左右。

在满足采暖的同时，提供了炊事、生活热水功能，实现了一机三用。

图14“太阳能+生物质”供暖系统

4.4 包头太阳能及其他可再生能源资源

包头作为内蒙古最大的工业城市，是以冶金、稀土、机械工业为主的综合性工业城市，中国重要的基础工业基地和全球轻稀土产业中心，被誉称“草原钢城”、“稀土之都”。

太阳能：包头市年日照时数达到3084-3452，年总辐射量为6200MJ/㎡，太阳能资源丰富且稳定。

生物质能：包头现有农作物播种面积为34.2万公顷，年产生农作物秸秆92.7万吨，禽畜粪便产量429万吨，适宜发展沼气、生物质型煤。

风能：包头北部地区拥有丰富的风资源：风能储量达4250万千瓦，年均利用小时数在6000小时以上，是国内风资源最富集的地区之一。

据此，包头是一个适合推广“太阳能+”的示范性城市。

5、新时代清洁供暖思考与展望

5.1 制约清洁能源在农村地区推广的因素

（1）经济因素：

1）经济性不高。川、湘等地阴雨连绵，晴天少；受限于运输成本，用于生物质热电联供的秸秆仅适合半径30km以内的平原地区县城收集；

2）初期投资成本较高。即使加上政府补贴，贫困地区人民依然无  法承受；

（2）关键技术：

1）可靠性（适应当地地区）；

2）设备运维技术（偏远、高原地区维修困难）；

（3）观念因素：

受长期以来保守观念的影响，相当数量村民仍依赖传统供暖方式，对新型清洁供暖方式接受度低。

5.2 新时代清洁供暖的几点思考

（1）因“天”地制宜。在科学评估当地资源禀赋、经济实力、基础设施及政策条件，了解当地供暖的主要矛盾后，得出最优解；

（2）扬长补（避）短。扬当地资源优势之长，补技术适应性之短板；

（3）按“键”模式。开展跨行业技术创新，改善系统性能，降低设备操作难度；

（4）行业自律（竞争）。企业间应遵守行业纪律，加强合作，在阳光下竞争才是实现多方共赢的根本途径。

5.3 清洁供暖展望

（1）达成2060年碳中和目标的需要；

（2）消除雾霾、蓝天保卫是大势所趋、民心所向的事业。

我国拥有丰富的太阳能、生物质能、地热能等可再生资源，且我国农村幅员辽阔，人口众多，在太阳能资源充足的寒冷地区采取“太阳能＋”供热系统对合理分配、保护自然资源，缓解能源供需矛盾，践行我国高质量、可持续发展政策至关重要。

赵斌教授简介

长沙理工大学教授，昆明理工大学博士生导师，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院兼职教授，清华大学热能工程系普通访问学者、中国科学院工程热物理所高级访问学者。自1990年7月-2002年12月，在开滦发电厂历任值长、车间主任、副总工程师、厂长、经理等，高级工程师，专攻热电联产方向。

2003年1月-2016年11月，在华北理工大学从事教学和科研工作。

2016年12月-2020年8月，作为中组部团中央第17、18批援藏博士团成员，在西藏自治区能源研究示范中心挂职主任至今。援藏期间一直致力于推广太阳能应用技术，以改善西藏地区民生，在可再生能源领域从事技术研发和工程实践。

2020年9月正式调入长沙理工大学从事教学和科研工作。

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