電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

辛衛(wèi)東張利華韓小崗魏姍姍刁乃仁

1國(guó)網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司

2山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

隨著生活水平的提高，北方村鎮(zhèn)居民要求供暖的呼聲越來越高。傳統(tǒng)的集中供暖方式用于低密度、分散式村鎮(zhèn)供暖勢(shì)必使管網(wǎng)支路增多，加大系統(tǒng)的初投資和造成管網(wǎng)難以調(diào)節(jié)水利平衡的問題[1]。因此，解決北方村鎮(zhèn)供暖問題急需一種新的思路。

太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。太陽能作為冬季供暖的熱源已有研究：西安建筑科技大學(xué)馮璐曼等人[2]針對(duì)典型村鎮(zhèn)住宅提出了太陽能供熱采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。A.Jamar等人[3]討論了影響太陽能熱水系統(tǒng)熱性能的太陽能集熱器，蓄熱罐和傳熱介質(zhì)三個(gè)因素的最新發(fā)展和進(jìn)步。劉艷峰[4-5]課題組對(duì)不同地區(qū)建筑進(jìn)行負(fù)荷分析，發(fā)現(xiàn)太陽輻照強(qiáng)度決定地區(qū)間的太陽能采暖保證率，分析采暖系統(tǒng)蓄熱量與建筑熱負(fù)荷，太陽能集熱日變化規(guī)律之間的關(guān)系，得出蓄熱水箱容積的理論算式。

另外，考慮到太陽輻射的間歇性和不穩(wěn)定性，還需要輔助熱源。電能作為二次能源，由于要保持較高的發(fā)電效率，發(fā)電廠的發(fā)電量并不時(shí)刻隨著末端負(fù)荷的變化而變化，會(huì)造成電力使用的高峰低谷現(xiàn)象。太陽能供暖系統(tǒng)可以盡量使用夜間低谷電作為輔助熱源，從而達(dá)到“填谷”的作用。蓄能方式也是必須考慮的問題，本文建立系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法，計(jì)算貯熱水箱蓄熱和相變地板材料蓄熱兩種不同蓄熱方式、在不同太陽能保證率下采暖期計(jì)算費(fèi)用，得出合適的太陽能保證率、經(jīng)濟(jì)的蓄能方式，為冬季村鎮(zhèn)的采暖提供參考。

1 電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)

1.1 蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)

如圖1所示，蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)主要有以下幾大部分組成：1全玻璃真空管太陽能集熱器，4生活熱水水箱，5太陽能蓄熱水箱，7電蓄熱水箱和11地板采暖輻射板等。另外有2集熱側(cè)循環(huán)泵，8采暖用循環(huán)泵，9分水器和10集水器等零部件形成一個(gè)完整的供暖循環(huán)。

圖1 蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)原理圖

全玻璃真空管太陽能集熱器放置在生活熱水水箱上方，通過檢測(cè)室內(nèi)溫度，太陽能集熱器出水溫度，生活熱水水箱溫度和太陽能蓄熱水箱溫度等決定太陽能集熱器側(cè)循環(huán)泵，采暖用循環(huán)泵和相關(guān)的閥門的開閉。系統(tǒng)冬季供暖可分為三種控制工況：工況1，太陽能蓄熱水箱熱水溫度高于供水需求溫度55℃時(shí)，由5太陽能蓄熱水箱向室內(nèi)地?zé)岜P管供熱水。工況2，太陽能蓄熱水箱熱水溫度低于供水需求溫度55℃，則從電蓄熱水箱向室內(nèi)地?zé)岜P管供熱水，蓄熱量為建筑物耗熱量與太陽能集熱量的差值。工況3，以上兩種工況均不滿足要求時(shí)，開啟6電輔助加熱設(shè)備，利用平谷價(jià)電或者峰值電加熱電蓄熱水箱。蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。

圖2 蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)控制流程圖

1.2 相變地板結(jié)構(gòu)電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)

如圖3所示，相變地板結(jié)構(gòu)電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)與蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)大致相同。蓄熱水箱改為相變地板結(jié)構(gòu)。其中，相變地板結(jié)構(gòu)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由下至上依次為保溫層，電熱膜，地暖PEX盤管，定形相變材料，混凝土和地板等。該系統(tǒng)與蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)的區(qū)別為：夜間低谷電時(shí)間段直接利用電能，通過電熱膜同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)供暖和蓄熱，定形相變材料作為系統(tǒng)的蓄熱體。

圖3 相變地板材料式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)原理圖

圖4 相變地板蓄熱結(jié)構(gòu)

與蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)相似，相變地板結(jié)構(gòu)電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

圖5 相變地板結(jié)構(gòu)電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)控制流程圖

2 電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷以及蓄熱量

2.1 電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷

本工程為濟(jì)南地區(qū)二層居住建筑，按照山東省節(jié)能65%進(jìn)行設(shè)計(jì)，建筑面積242 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。建筑熱負(fù)荷9632 kW，則采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為39.8 W/m2。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

由于設(shè)計(jì)采暖面積熱負(fù)荷指標(biāo)為建筑物最不利情況下的耗熱量指標(biāo)，并不能真實(shí)反映每月的負(fù)荷隨室外溫度的變化情況，造成設(shè)備選型容量過大，能源浪費(fèi)。因此，本文將設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)轉(zhuǎn)化為建筑耗熱量指標(biāo)，由式（1）表示為：

式中：qpj為月均面積熱指標(biāo)，W/m2；q為供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)，W/m2；tn為供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，取18℃；tpj為供暖室外月平均溫度，℃；tw為供暖室外計(jì)算溫度，濟(jì)南地區(qū)為-5.3℃。

太陽能集熱系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的熱水供應(yīng)負(fù)荷為建筑物的生活熱水日平均耗熱量。熱水日平均耗熱量由式（2）表示為：

式中：QW為生活熱水日平均耗熱量，W；m為用水計(jì)算單位數(shù)；qr為熱水用水定額，L/(人·d)；cw為水的比熱容，取 4187 J/(kg·℃)；ρw為熱水密度，kg/L；tr為設(shè)計(jì)熱水溫度，℃；tl為設(shè)計(jì)冷水溫度，℃。

太陽能供熱采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷應(yīng)該為采暖熱負(fù)荷和生活熱水熱負(fù)荷的最大值[8]。比較采暖熱負(fù)荷和生活熱水熱負(fù)荷，得出太陽能系統(tǒng)逐月供熱熱負(fù)荷值見表2。

表2 逐月供熱熱負(fù)荷值

2.2 電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)蓄熱量

電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)蓄熱量應(yīng)為建筑耗熱量與太陽能集熱器集熱量的差值[9]。而太陽能集熱器集熱量與太陽能保證率的選取有關(guān)，其不僅受到當(dāng)?shù)剌椛淞糠植嫉挠绊懀€受經(jīng)濟(jì)條件的限制。濟(jì)南地區(qū)屬于太陽能資源Ⅲ類區(qū)，文獻(xiàn)[8]給出短期蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率推薦值為10%～30%。在規(guī)范推薦值范圍內(nèi)，計(jì)算太陽能保證率在10%，15%，20%，25%和30%下的太陽能集熱器面積由式（3）表示為：

式中：AC為直接系統(tǒng)太陽能集熱器總面積，m2；QH為建筑物熱負(fù)荷，W；JT為當(dāng)?shù)靥柲芗療崞鞑晒饷嫔系钠骄仗栞椪樟?，?jì)南地區(qū)為 14.455×106J/(m2·d)；ηcd為太陽能集熱器月平均集熱效率，%；ηL為管路及蓄熱裝置熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取20%。

根據(jù)表3中的計(jì)算太陽能集熱器面積和每月實(shí)際平均集熱效率，代入公式（3）得出不同太陽能保證率下每月實(shí)際太陽能集熱量和電能蓄熱量見表4、表5。

表3 不同太陽能保證率下太陽能集熱器面積及蓄熱水箱容積

表4 不同太陽能保證率下實(shí)際太陽能集熱量（MJ）

表5 不同太陽能保證率下電能蓄熱量（MJ）

由表2和表5可知，電能蓄熱量的變化與建筑熱負(fù)荷的變化相似，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。是因?yàn)?1月份開始供暖到次年3月份停暖室外月平均溫度先降低后升高，建筑熱負(fù)荷先增加后減少，并且采暖期內(nèi)月平均太陽能集熱量沒有大的變動(dòng)。當(dāng)太陽能保證率為30%時(shí)，電能蓄熱量最少為19.4 GJ。

3 兩種太陽能供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

對(duì)于電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投入主要包括真空管太陽能集熱器，蓄熱設(shè)備，室內(nèi)采暖末端和管路等初投資以及采暖期運(yùn)行費(fèi)用。由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件的限制，將系統(tǒng)的一次性初投資和運(yùn)行費(fèi)用簡(jiǎn)單相加來評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性并不具有參考性。并且，資金具有時(shí)間價(jià)值，在不同的時(shí)間段體現(xiàn)出不同的作用，其計(jì)算方法有單利法和復(fù)利法兩種[10]。單利法的利息和時(shí)間呈線性關(guān)系。復(fù)利法將利息計(jì)算在下一周期內(nèi)作為本金，符合資金時(shí)間價(jià)值的本質(zhì)。因此，根據(jù)復(fù)利法的計(jì)算思想本文將初投資按照投資回收系數(shù)折算，與一個(gè)采暖期的運(yùn)行費(fèi)用相加得到“采暖期計(jì)算費(fèi)用”，以“采暖期計(jì)算費(fèi)用”最少的技術(shù)方案為最佳方案[11]。

根據(jù)“采暖期計(jì)算費(fèi)用”的基本概念，建立的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)由式（4）表示為：

注：每平米太陽能集熱器面積對(duì)應(yīng)100 L貯熱水箱容積。

式中：Z為采暖期動(dòng)態(tài)計(jì)算費(fèi)用，元；θ為資金回收系數(shù)；K為初投資，元；C為采暖期運(yùn)行費(fèi)用，元；i為利率，%，濟(jì)南地區(qū)目前為2.7%；n為生產(chǎn)期，取真空管集熱器的設(shè)計(jì)命15年。

3.1 蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

蓄熱水箱式電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)的初投資包括全玻璃真空管太陽能集熱器，電蓄熱水箱，電熱源和地暖盤管等幾部分，其各自的投資分析見表6。

表6 太陽能供熱系統(tǒng)投資分析

蓄熱水箱式電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)采暖期計(jì)算費(fèi)用如圖6所示，采暖期計(jì)算費(fèi)用變化趨勢(shì)與折算初投資（θ·K）變化趨勢(shì)相似。隨著太陽能保證率的增大，式（4）中的折算初投資增加，運(yùn)行費(fèi)用減少，采暖期計(jì)算費(fèi)用變大。對(duì)于電蓄熱水箱蓄熱的電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)，在太陽能保證率為10%時(shí)，采暖期計(jì)算費(fèi)用最少為5596元，每平米建筑面積23.1元，比濟(jì)南市集中采暖（26.7元/m2）費(fèi)用節(jié)省13.5%。

圖6 蓄熱水箱式采暖期計(jì)算費(fèi)用

3.2 相變地板結(jié)構(gòu)蓄熱電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉宏等人[12]研究指出：相變蓄能式地板輻射供暖系統(tǒng)中，應(yīng)選用相變溫度與采暖溫度接近的相變材料。文獻(xiàn)[8]給出的12水磷酸二鈉作為相變材料時(shí)，其熔點(diǎn)為36℃，熔化潛熱280 kJ/kg，密度1520 kg/m3。

相變地板結(jié)構(gòu)電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)采暖期計(jì)算費(fèi)用如圖7所示，采暖期計(jì)算費(fèi)用變化趨勢(shì)與折算初投資變化趨勢(shì)并無直接關(guān)系，是折算初投資和運(yùn)行費(fèi)用共同作用的結(jié)果。相變地板式采暖期計(jì)算費(fèi)用隨太陽能保證率的增加先減少后增加再減少。太陽能保證率為30%時(shí)，相變地板結(jié)構(gòu)蓄熱的電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)采暖期計(jì)算費(fèi)用最少為15968元，每平米建筑面積66元，比濟(jì)南市集中采暖費(fèi)用貴147%。

圖7 相變地板式采暖期計(jì)算費(fèi)用

比較圖6和圖7，蓄熱水箱式電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)，隨著太陽能保證率的增加需要集熱器面積增多，電能蓄熱量減少，采暖期計(jì)算費(fèi)用增大。相變地板材料電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)，隨著太陽能保證率的增加需要太陽能集熱器面積增多，相變材料蓄熱量減少，相變材料初投資減小，由于每月太陽能集熱效率的變化，相變材料初投資的減小程度并不相同，加上運(yùn)行費(fèi)用的影響，使采暖期計(jì)算費(fèi)用呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

對(duì)濟(jì)南地區(qū)分散式、低密度村鎮(zhèn)居住建筑提出使用電力輔助太陽能系統(tǒng)進(jìn)行供暖，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮電蓄熱水箱蓄熱和相變地板材料蓄熱兩種不同直接利用電力的低谷電蓄熱方式，在不同太陽能保證率下采暖期計(jì)算費(fèi)用，根據(jù)研究結(jié)果得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）太陽能保證率為10%時(shí)，蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)采暖期計(jì)算費(fèi)用最少為5596元，折合每平米建筑面積23.1元，比濟(jì)南市集中采暖（26.7元/m2）費(fèi)用節(jié)省13.5%。太陽能保證率為30%時(shí)，相變地板結(jié)構(gòu)蓄熱的電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)采暖期計(jì)算費(fèi)用最少為15968元，折合每平米建筑面積66元，是濟(jì)南市集中采暖費(fèi)的1.47倍。太陽能保證率為10%時(shí)，蓄熱水箱式電力輔助太陽能供熱系統(tǒng)是最適于濟(jì)南地區(qū)的電力輔助太陽能供熱方式。

2）蓄熱水箱式電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)，采暖期計(jì)算費(fèi)用隨著太陽能保證率的增加而增大。相變地板材料蓄熱系統(tǒng)電能輔助太陽能供暖系統(tǒng)，采暖期計(jì)算費(fèi)用隨著太陽能保證率的增加呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。兩種蓄熱方式對(duì)采暖期計(jì)算費(fèi)用的變化趨勢(shì)影響不同，設(shè)計(jì)使用電能輔助太陽能供熱系統(tǒng)需要考慮初投資對(duì)采暖期計(jì)算費(fèi)用的影響。