引言
我國幅員遼闊，人口眾多，在北方地區寒冷冬季都需要利用各種設施采暖驅寒，傳統以各種大小不同的燃煤鍋爐為主。
隨著人民生活水平的提高，在廣大小城鎮和農村燃煤量不斷增加，燃煤鍋爐燃燒過程中產生的溫室氣體及各種有害物質大量低空排放，造成了嚴重的大氣污染，成為“霧霾”天氣的主要元兇之一。
以河北省為例，根據在河北省石家莊所做實驗表明，每個農戶冬季采暖室內若達到15℃及以上，采暖需消費4~5噸原煤。河北省農村常住農戶1079 萬，如此每年消耗原煤6366.1萬噸，排放二氧化碳11913.7 萬噸，需要運輸車輛318.3萬輛次以上。不僅污染嚴重，社會能源供應能力更是難堪重負。因此，積極尋找燃煤替代模式，解決廣大城鎮及農村采暖及大氣環境污染問題勢在必行。
1.1社會對能源的潛在需要數量巨大
我國地域遼闊，氣候條件差別很大。按照氣候狀況分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫暖五大類型區域，國家所定采暖區域包括黑龍江、吉林、遼寧、內蒙、新疆、青海、甘肅、寧夏、山西、北京、天津、河北、以及陜西北部、山東北部、河南北部等城鎮，其地域面積占全國的70%。該區域農村及小城鎮居民建筑近257 億平方米，住房約占1/2，即128.5 億平方米。即使在我國東部的京津冀地區大部分村鎮房屋依然是370 毫米磚混結構，外墻基本未加任何保溫措施。這些區域的小鎮及農村住房基本上以獨立為主的院落，即院落的正房四周或三面無建筑物包裹。按照國家住建部發布的資料表明，北京地區小城鎮采暖能源強度為18~25 千克標煤/ 平方米·年，與同緯度發達國家相比采暖能源強度高出1~1.7 倍。可以說農村及小城鎮房屋的節能改造潛力巨大。
全國需采暖區域人口約7億，農村及小城鎮人口約占3.5億，近1 億個家庭；按照河北省石家莊的實測表明，在-8℃~-11℃氣候狀態下，370 毫米磚混圍護結構，20 平方米房屋內試驗，要保持室內13℃~14℃，直徑120 毫米蜂窩煤爐具需始終保持旺火狀態，且不能封火，由此推算每個農戶冬季采暖室內若達到15℃及以上，采暖需消費4~5 噸原煤。在東北三省、內蒙古、河北省北部等嚴寒區域，取暖期增加一個月，消費量將增加到6~7 噸，再加上炊事和生活熱水，煤耗將再增加0.6噸原煤。照此計算，華北南部用煤量平均達5.1 噸，東北及華北北部用煤量將達7.1噸甚至更多，取均值每個家庭需消耗原煤6.1 噸，折標煤4.36 噸/ 年，北方農村及小城鎮采暖將需要標煤4.36 億噸。
近年來隨著農村生活水平的提高，農戶用煤量呈上升趨勢，隨之煙塵低空污染也在增加。在發達國家，取暖逐步被燃油、天然氣或電加熱所取代。如果換算成天然氣采暖，按照燃煤爐的效率50%和燃氣爐60%的效率折算，則需要天然氣2961自然立方米/ 年·戶，全國采暖區域一個采暖季則需要2961億立方米/ 年。相當于全國天然氣年產量（1300 億立方米）的2.2倍，進口天然氣量（270 億立方米）的10倍。如果換算成電能采暖需14400 億千瓦時/ 年（100 瓦/ 平方米），相當于14 個三峽發電站的發電量。這么大的能源需求量社會何以滿足？目前從區域經濟的層面之所以未感受到這么大的壓力，是由于廣大農村的實際燃煤量還未達到這么高的程度。在河北省，一般農村家庭取暖用煤量在1~3 噸，但是隨著收入水平的提高，總的用煤量還在繼續增長。
1.2 展太陽能為主多能互補的分布式采暖研究與示范非常必要。
小城鎮及以下區域分布式燃煤采暖大氣污染嚴重大量燃煤會造成嚴重的大氣污染，這已經為近幾年的冬季大面積霧霾困擾所證實。預測北方村鎮按照6.1 噸的耗煤量，折標煤4.36 噸/年，北方農村及小城鎮采暖將需要標煤4.36億噸。那么僅冬季采暖10 米以下的低空，采暖排放二氧化碳11.336 億噸,排放二氧化硫1744 萬噸，排放煙塵43.6萬噸（約占燃煤量的0.1%）。由此增多的污染物對當前的大氣治理將是更大的難題。關于戶用燃煤小鍋爐低空排放大氣污染的研究，我國環保研究院所、高等院校如清華大學環境學院、天津大學建筑學院開展了大量研究工作，其污染相當明顯，在這一環境下生活的人群，呼吸道疾病患病率明顯提高。
2：京津冀小城鎮與農村的房屋圍護結構現狀
作為縣城及鄉鎮新建建筑特別是公用設施，如學校、醫院、辦公場所一般為節能房。農村新建住房也建成了節能房。大多數原有房屋無論公用房還是民房均為370 毫米厚磚混墻體結構，門窗也是單層玻璃塑鋼或鋁合金門窗結構。屋頂為水泥澆筑加200 毫米隔溫層，或者是木檁木板上加隔溫層。房屋保溫隔熱性能較差，房門直接對戶外，冬季掛棉門簾，這在冀北的張家口、承德較為突出。
主動式太陽能采暖節能效果明顯。在借鑒前人經驗的基礎上，自2010 年來，河北省太陽能利用行業協會與河北維克萊恩太陽能開發有限公司等及相關市新能源辦公室，分別在山海關區（冀北）和邢臺臨城縣（冀南）、廊坊固安縣（冀中）開展了試點研究。系統集成形式為：太陽能集熱單元（含管路、配件）、熱能補充單元（生物質爐或燃氣爐）、室內散熱單元（地埋管或風機盤管）、自動控制循環單元、房屋外墻保溫與門窗保溫單元、防雷避雷單元六部分組成。施工按照相關國標或建筑行業標準執行。
3.1太陽能系統原理
太陽能采暖集熱系統原理（如圖1 所示）。
3.2集熱系統原理說明
太陽能集熱系統主要包括太陽能集熱器、太陽能儲熱水箱、循環管道、自動控制系統等。
（1）自動上水
定水位補水：當儲熱水箱水位低于設定值時，補水電磁閥自動打開，將儲熱水箱內的水位補充至設定值時自動關閉；
溫控補水：當儲熱水箱溫度高于設定值，且水位低于設定值時，打開補水電磁閥補水至設定水位或水溫低于設定值時，停止補水。
（2）集熱溫差循環
當集熱器溫度與儲熱水箱中的水溫溫差大于設定值時，對應的集熱循環泵啟動，將集熱器中熱水打進儲熱水箱中，當二者溫差低于設定值時，循環泵自動關閉。
（3）洗浴、生活用水
在水箱內中上部安裝盤管，自來水在增壓泵的作用下通過水箱內排管，吸熱增溫滿足洗浴及生活熱水需求。
（4）防凍加熱
冬季集熱器室外管路溫度低于5℃（可調）時，自動開啟循環防凍和自動關閉。
（5）采暖循環
采暖期間，儲熱水箱溫度與采暖系統終端溫度溫差達到設定值時，采暖循環泵自動啟動，溫差低于設定值時，循環泵自動關閉。
（6）輔助加熱
遇陰雨天氣或極端天氣太陽能系統不能滿足日常用熱時，使用生物質鍋爐給儲熱水箱輔助加熱，系統采用自然循環。
（7）防干燒循環
當集熱器溫度高于95℃，且僅高于水箱溫度2℃~10℃范圍內，對應的集熱循環泵每循環10 分鐘，停20 分鐘，周而復始循環避免太陽能集熱器內溫度過高帶來危險，從根本上避免真空管爆管。
（8）集熱器維護
非采暖季時，因用熱量降低，關閉屋面預留閥門，只運行部分太陽能集熱器，并對不運行的太陽能集熱器部分進行排污處理，以此避免系統長期高溫而降低系統使用壽命。
3.3 項目投資
如果是舊房改造，每100 平米舊建筑投資改造約需資金54800 元（含外墻保溫、門窗改造、地埋散熱管路等）。
如果作為新房建造，地埋散熱管、隔熱門窗、外墻與屋頂保溫一次建造完成，并不在太陽能采暖系統投資之內。因此太陽能為主多能互補采暖系統的投資需包括太陽能集熱單元(含換熱水箱)、熱能補充單元（生物質爐或燃氣爐或電熱器）、自動控制循環單元、防雷避雷單元，總造價100 平方米約為36800元。由此兩種情形的回收期也會不同。
3.4集熱效果
全河北省目前已經啟用太陽能主動采暖500多戶，覆蓋張家口、秦皇島、保定、廊坊、滄州、石家莊、邢臺、邯鄲，另有山東萊陽。采暖規模從單體100平方米到2000平方米。對于單戶太陽能與建筑面積比例為1:3，輔助熱能單元為生物質爐具或燃氣爐，冬季可保持室內溫度在15℃以上，并保證四季生活熱水，系統太陽能保證供能率在70%以上，熱能補充單元供能率25%以下，循環等電能消耗占20%以下。在室外溫度到了10℃以下的10月中下旬開始至下一年的4 月上中旬，室內溫度保持在15℃以上，采暖期比集中供熱加長一個月，并且獲得四季生活熱水，而補充的常規能源如電能僅占系統供能的20%以下，可滿足當前及今后相當一段時間內的鄉鎮電力供應水平，得到了鄉鎮用戶的一致好評。
4：應用案例
項目地址：山東省萊陽市穴坊鎮；
項目名稱：山東省萊陽市穴坊鎮鎮政府采暖系統改造（如圖2所示）；
圖2萊陽市穴坊鎮鎮政府采暖系統改造圖
項目背景：針對鎮政府采暖系統進行改造，利用當地大量拋棄的玉米秸稈加工成生物質成型燃料，將原有燃煤鍋爐采暖改建為太陽能+生物質鍋爐采暖系統，解決鎮政府采暖季采暖及全年生活用熱水問題。該設計供暖建筑采暖面積2000m2。
4.1.1集熱器布置
根據本項目的實際用熱溫度特點和屋面尺寸大小，選用維克萊恩公司生產的全玻璃真空管集熱器QB-WF-7.00/50-2型，結合相關的管道、配件、輔助能源及控制系統，共同組成太陽能系統。屋面集熱器安裝如圖3所示。
4.1.2輔助能源
如圖4所示，輔助能源將原有燃煤鍋爐改為生物質鍋爐。
圖4生物質鍋爐外觀圖
4.1.3系統功能
功能一：不受采暖規定日期限制。采暖期運行，根據本地氣候條件，系統可在規定采暖期開始前一個月，即每年的陽歷10月中下旬開始運行，在采暖期結束后可根據氣溫情況結束系統運行，可隨意控制采暖期限。進入冬季后點燃生物質成型燃料潔凈煤兩用鍋爐作為輔助采暖系統加熱即可。
功能二：提供四季全部生活用礦化熱水。該系統的生活熱水采用獨立瞬時加熱系統提供，與供暖系統使用的循環水完全隔離，這樣就使得來自系統的生活用熱水水質不但不會發生改變，而且通過系統水處理器對生活水源進行礦化處理，增加了多種人體需要的微量元素。因此系統供給的熱水是即用即熱的活水，不但可以洗浴還可以直接用于炊事和飲用。
功能三：全自動運行。系統采用智能控制系統，全面實現系統全自動、智能化運行。
4.1.4費用對比分析
該系統在改造前要滿足鎮政府全年生活熱水及冬季采暖，每年需支付費用約83000 余元。在使用太陽能+ 生物質鍋爐系統后，太陽能系統完全可滿足全年日常生活熱水需求，全年無需再為生活熱水支付額外費用，全年運行成本僅為25000余元，每年可累計節約費用支出58000 余元，4~6年即可收回投資，并且冬季采暖溫度可達16 ℃以上。
4.2 太陽能+ 燃氣
項目地址：河北省固安縣南王起營村13 戶；
項目名稱：農村用戶冬季采暖系統改造（如圖5所示）；
項目背景：該村全部使用管道天然氣，冬季原使用天然氣采暖爐分戶采暖；現改用太陽能+ 天然氣燃氣輔助取暖，使用面積120m2（對于管理比較好的村莊也可以使用沼氣或生物質熱解氣作為燃氣源）。
4.2.1 室溫效果對比
經過2015 年冬采暖期使用，室內效果可達18℃~22℃，原室內采暖效果10℃~12℃。
4.2.2 節能效果對比
原使用燃氣價格60~80元/天，整個冬季燃氣費需7200~9600 元，改造后使用燃氣整個冬季采暖費用僅1000元。
太陽能供熱采暖的經濟核算按照有/ 無比較增量分析、靜態法計算：
對于新建高標準節能房，新建節能房相當于以前的被動式太陽能采暖房室內溫度平均可達8℃，達到15℃以上室溫及四季熱水，實際采暖用煤量需達4.5噸/年。去除外墻保溫項、門窗改造項、地盤散熱管項，剩余費用約計36800 元/100平方米，經計算：
36800 元/（1270 元/ 噸×4.5 噸/年）=6.4年回收期與燃無煙低硫煤相比為6.4年，與燃天然氣相比3年，與電熱相比為1~2年。按照太陽能集熱原件太陽能集熱管使用壽命確定裝置壽命期為15~20年。仍剩余裝置壽命期9~14年。
對于舊房改造，前文已敘述的6 項全做，總投資54800元。經計算：
54800元/（1270 元/ 噸×6.1 噸/ 年）=7.1 年回收期與燃無煙低硫煤相比為7.1 年，與燃天然氣相比3~4 年，與電熱相比為1~2年。按照太陽能集熱原件太陽能集熱管使用壽命確定裝置壽命期為15~20 年，仍剩余裝置壽命期8~13 年。
6：結論
綜上所述，使用太陽能為主、因地制宜、多能互補供熱采暖在我國北方小城鎮及農村很實用，其節能減排效益顯著，具有較好的經濟效益和社會效益。隨著我國建筑節能及環境保護的加強，太陽能+ 多能源互補采暖技術模式將是小城鎮及廣大農村未來分布式冬季采暖大趨勢。該系統主要不足是夏秋季余熱的利用和處理，其次是全玻璃太陽能真空集熱管的可靠性，二者有待進一步研究解決。
