创新能源方式，助力乡村振兴，迈向双碳目标
北方城乡地区实施纯太阳能跨季节土壤蓄热
供暖技术的案例报告
本文作者系 山西省农村新能源技术推广站 刘佑利高级农经师、山西云宏科技有限公司总经理刘效云、国网山西省综合能源服务有限公司 乔云廷高级工程师
2020年以来，山西省农村新能源技术推广站着眼于“30·60”双碳目标，立足“能源革命和乡村振兴”战略的实施，积极与市场对接，会同太原理工大学环境科学与工程学院、中北大学能源与动力学院、山西大学电力与建筑学院、国网山西省综合能源服务有限公司等科研机构的专家学者共同探讨在我省城乡地区推广纯太阳能跨季节土壤蓄热供暖技术的可行性，并由山西省太阳能协会、山西启迪清洁能源科技有限公司在在介休市委、市政府的大力支持下，在介休市绵山镇董家庄村实施具体“纯太阳能跨季节土壤蓄热供暖技术示范项目”。项目情况具体如下：
一、项目实施背景
（一）国家实现“30·60”双碳目标的需要。
习近平总书记指出：“能源低碳发展关乎人类未来。我国高度重视能源低碳发展，积极推进能源消费、供给、技术、体制革命。”国家“十四五”规划远景目标纲要提出，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力，并向全世界承诺，力争于2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。围绕近年来我省实施的北方地区大气污染治理和冬季“煤改清洁能源供暖”工程，国家能源局也明确鼓励“推动各地因地制宜利用太阳能等可再生能源进行供暖，在具备条件的地区开展太阳能等可再生能源供暖试点示范工作和重大项目建设，探索先进的项目运行和管理经验”。“纯太阳能跨季节土壤蓄热供暖技术示范项目”应用而生。
土壤蓄热主体计算机三维模拟结构图
（二）山西能源革命和乡村振兴的需要。
山西，作为我国传统能源重化工基地，煤化工为主导的经济结构在新的历史时期正面临着深刻变革。同时，作为我国第一个全省域、全方位、系统性的国家级综合配套改革试验区，能源革命正受到全省上下各级党委、政府及社会各领域的高度重视。特别在农村新能源应用领域，“十三五”脱贫攻坚战期间，国家扶贫部门就大力实施了以太阳能为主的新能源技术应用，率先在脱贫攻坚中实施了“光伏资产收益扶贫项目”，利用太阳能光伏发电为贫困户增加稳定收益，早日脱贫做出了巨大的贡献。
“十四五”开局之年，省委、省政府进一步提出，以碳达峰碳中和行动为牵引，深化能源革命综合改革试点，持续打好大气、水、土壤污染防治攻坚战，守牢生态底线，积极推进黄河流域生态保护和高质量发展，协同推动绿色生产和绿色生活，加快生态产业化和产业生态化步伐，让绿色成为山西转型发展的鲜明底色。
因此，我省在城乡地区加强生态文明建设，大力推进能源革命，加快调整优化产业结构、能源结构，因地制宜探索和推广新型太阳能为主的“零碳排放”技术，实现建设资源节约型和环境友好型社会，责任重大，意义深远。“十四五”在国家继续巩固脱贫攻坚成果，全面实施乡村振兴之际，以太阳能为主的新能源利用技术应在我省乃至整个北方地区的乡村振兴中继续大放异彩，造福民生。
太阳能跨季节土壤蓄热供暖系统实物示意图
二、项目实施情况
山西太阳能资源十分丰富，全省年日照数在2200-3000h之间，年日照百分率为51-67%，有约1/3的地区在2800h以上，属于日照充足的地区。以我省中部地区为例，整个非采暖季的太阳能辐照量占全年总量的71%，而采暖季的辐照量仅占全年总量的29%。如果将非采暖季丰富的太阳能存储到采暖季节使用，实现“纯太阳能”清洁供暖正成为可能。
为此，在介休市委、市政府的大力支持下，我站积极与市场对接，会同太原理工大学环境科学与工程学院、中北大学能源与动力学院、山西大学电力与建筑学院、国网山西省综合能源服务有限公司等机构专家学者共同研究，2020年11月由山西省太阳能协会、山西启迪清洁能源科技有限公司投资约400万元，在介休市绵山镇董家庄村投资实施了“新型太阳能跨季节土壤蓄热供暖技术示范项目”，为该村百户村民提供纯太阳能供暖民生工程。
“追能”APP显示土壤蓄热层即时（温度）数据
该项目设计使用寿命30年，系统主要组成由三大部分组成：太阳能集热系统、地下土壤蓄热系统和末端供热系统，以及辅助系统运行的控制系统和数据采集系统。系统主要利用土壤作为太阳能的良好蓄热体，通过太阳能集热场将春夏秋（三季）非采暖季节丰富的太阳能收集，再通过热介质循环系统将热能传导给土壤，通过三季存储的能量转移来实现供给农户住房采暖。非采暖季采用全天太阳能集热、土壤蓄热，太阳能采用温差控制强制循环，当集热器出口水温与缓冲水箱底部水温的温差高于7℃，循环水泵开始循环，当两者温差低于3℃时，水泵停止运行。
到采暖季节来临，优先由集热场收集的热量给用户供热，不足部分从蓄热池中提取补充（主供热源），如到供热后期直接供热温度达不到供热标准温度时，系统还可启动水源热泵，提升供热温度，整个运行过程由自动控制系统控制完成。
三、项目优势
该项目主体工程已于今年春节后全部建设完工，地下土壤层正在蓄热升温过程中，（从3月份系统调试运行开始，土壤蓄热层从3℃启动，到6月底，蓄热层温度已上升至34℃），各项监控数据符合项目设计预期。预计到本年底新一年度供暖期（10月底）到来之际，土壤蓄热温度可达到70℃的预期目标，可为董家庄村民提供充足的采暖需求，解决董家庄村100户村民（每户70㎡）的冬季采暖需求，同时还可为农户供应全年生活热水。
本项目为董家庄村农户纯太阳能供暖建筑7000㎡，按每平米供热功率30W考虑，一个采暖期150天计算，该项目每年可为农户节省用电75.6万kwh，折算标准煤约305吨（0.404kg／kwh标煤，分摊每个农户供暖季节约标煤3吨以上），同时，可减少二氧化碳排放约915吨，减少二氧化硫排放10.67吨，减少二氧化氮排放5.33吨，减少空气中的粉尘7.6吨，节能减排效果极为显著。
项目可行性前期专家论证会
对比近几年，我国北方地区大力推行的清洁供暖、煤改电、煤改气、生物质、“太阳能+各类热泵”等等，虽取得了一定的环境效应，但仍存在诸多不尽如人意的地方，运行成本过高，政府补贴压力大，降碳效果不明显成为比较普遍的问题。粗略估算，过去几年，各地政府在冬季民生供暖设备购置补贴上平均每户空气能补贴在2.1～2.8万元不等，取暖用电补贴每户每年在1200元以上，电网配套改造从平原地区13000元／户到山区18000元／户不等，加上诸如空气源设备、蓄热型电暖气等高耗能运营及维护等不可预见费，国家实际投资就达到了每户6万元左右，综合运行效果差强人意。
而本项目“纯太阳能跨季节土壤蓄热供暖技术”获得的热量全部来源于太阳能，太阳能采暖保证率可达100%。初期投资略高，但运行成本远低于目前其它方式的供暖费用，实现了太阳能高保证率（贡献率）、极低的运行成本和连续可控的稳定供暖，农户的采暖成本主要产生于循环系统的电费支出，系统真正实现碳排放零碳目标，社会、生态、经济综合效益突出。此外，该项目在用户终端住房进行加层保温节能改造和屋顶光伏配套建设，在乡村振兴中实现以“新能源”为主题的新能源村镇建设目标，对创新能源方式，建设能源村镇，助力乡村振兴，实现“双碳目标”，具有较强地示范引领作用。
四、发展建议
该项目利用太阳能跨季节土壤蓄热技术，解决我省广大农村地区居民冬季清洁供暖问题，作为我省能源革命和北方地区农村冬季“煤改清洁能源”采暖新模式加以大力推广和复制，具有良好的应用前景！特建议：
“十四五”实施乡村振兴战略中，省、市、县各级党委、政府，整合能源、电力、农业农村、乡村振兴、住建、科技、环保等部门政策、资金优势，集中围绕大气污染治理、清洁能源供暖、新能源村镇建设等工作，对“纯太阳能跨季节土壤蓄热技术”项目做进一步研究考评，加大对项目的扶持力度，予以大力复制、推广，率先在全国打造出我省的零碳型新能源村镇，为推进能源革命、助力乡村振兴和早日实现“30·60”“双碳目标”，走出一条具有山西特色的新模式、新道路！做出山西新贡献！
董家庄村村容村貌
太原、晋中能源局有关领导现场参观指导
山西航产集团、省电力公司有关领导现场参观交流
项目土建工程施工中（原址为炼焦厂矸石沟）
给土壤做保温处理
项目地表集热系统安装中
项目地表集热系统安装完成
（集热系统底部新增建设用地，可做农牧业项目发展使用）
