某北方農(nóng)村建筑清潔能源應(yīng)用的探討

趙佳賀， 馮菊梅

(中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100021)

1 技術(shù)應(yīng)用背景

當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)的采暖主要以家用燃煤爐為主，煤爐效率較低且不安全，同時(shí)造成了化石燃料的浪費(fèi)和冬季空氣的嚴(yán)重污染。 為了進(jìn)一步提升農(nóng)民生活質(zhì)量，解決農(nóng)村冬季采暖污染問題，落實(shí)習(xí)總書記提出的碳達(dá)峰和碳中和、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的目標(biāo)，鼓勵(lì)依托北方農(nóng)村豐富的太陽能資源，采用太陽能光熱和光電的采暖系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的燃煤采暖，解決農(nóng)村采暖的污染問題。 同時(shí)，太陽能光電系統(tǒng)還可有效促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，改善農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性。 具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究對(duì)象

本次研究環(huán)境選擇了我國(guó)北方平原地區(qū)海拔高度不高于1 500 m，氣候特點(diǎn)為冬季酷寒干燥、夏季涼爽無暑熱，太陽能資源為2 類的地區(qū)。 整個(gè)地區(qū)雨量較少，日照時(shí)間2 500 h，冬季采暖時(shí)間為170 天。

研究對(duì)象選擇了具有北方特色的農(nóng)村房，建筑面積為100 m2，磚混結(jié)構(gòu)坡屋頂形式。 整個(gè)住宅為5 個(gè)房間的單層建筑(如圖1 所示)，需要采暖的房間為南側(cè)三間:臥室1、客廳和臥室2。 三個(gè)房間總面積為65 m2。建筑外墻采用農(nóng)村常用的磚混墻體，墻體厚度370 mm，熱傳導(dǎo)系數(shù)為1 W/(m2·K)；窗戶采用單框雙玻鋁合金窗戶，傳熱系數(shù)3 W/(m2·K)。

圖1 農(nóng)村房平面圖

本項(xiàng)目室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃，經(jīng)TANSYS 軟件計(jì)算建筑熱負(fù)荷為9.75kW(熱耗能)。 日平均消耗167.54kWh(熱耗能)，日耗能分布曲線見圖2。

圖2 日耗能分布曲線圖

利用建筑的屋頂安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為5kW，安裝面積約70 m2。 研究本項(xiàng)目在運(yùn)行過程中光伏系統(tǒng)供電能否滿足冬季采暖供電需求。本次研究對(duì)象按日平均光照時(shí)間5～7 h 計(jì)算(即有效發(fā)電時(shí)間)，日均發(fā)電量為25～35kWh，光伏發(fā)電系統(tǒng)由屋頂太陽能電池方陣、配電系統(tǒng)(蓄電池組、充放電控制器、逆變器、雙向電表)等組成。 太陽能電池主體安裝在屋頂，與太陽能集熱器并列布置(太陽能電池主體安裝約占面積的70%，太陽能集熱器根據(jù)方案的不同控制在30%以下)。 配電系統(tǒng)采用集成化設(shè)備，提供220V/380V 交流電，經(jīng)過雙向電表與本建筑的配電箱連接，為采暖系統(tǒng)供電。

3 采用方案的比較

清潔取暖是指利用天然氣、電、地?zé)?、生物質(zhì)、太陽能、工業(yè)余熱等清潔化能源，通過高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式。 通過對(duì)農(nóng)村清潔采暖方案的調(diào)研，并結(jié)合通用性、便捷性和適用性的要求，本次研究提出五種清潔采暖的解決方案。

(1)方案一:電暖氣采暖

電暖氣采暖是利用電阻發(fā)熱原理直接把電能轉(zhuǎn)化為熱能。 根據(jù)房間面積在每個(gè)房間內(nèi)配置相應(yīng)規(guī)格的電散熱器。 此方案設(shè)備用量少，占用屋內(nèi)空間少，且無需室外設(shè)備與采暖管線。 但一戶需用4 臺(tái)電散熱器，分別放置于客廳、廚房和2 個(gè)臥室，用電量較大，需要改造戶內(nèi)的配電箱及配電線路，為每臺(tái)散熱器獨(dú)立回路供電，運(yùn)行成本較高。

(2)方案二:太陽能采暖系統(tǒng)

太陽能采暖方式采用太陽能和電采暖共同為室內(nèi)供暖。 圖3 展示了“太陽能采暖系統(tǒng)”的原理圖。此系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲(chǔ)水水箱(含電加熱器)、循環(huán)管路、控制系統(tǒng)、散熱器、循環(huán)水泵組成。 太陽能集熱器安裝在屋頂，與太陽能電池板并列安裝(由于太陽能板面積較大，在不影響太陽能電池板發(fā)電需求的前提下，盡量增加太陽能集熱器的安裝面積)，儲(chǔ)水水箱、水泵及控制系統(tǒng)安裝在儲(chǔ)藏室內(nèi)。

圖3 “太陽能+電輔熱”采暖系統(tǒng)原理示意圖

當(dāng)太陽能充足時(shí)，由太陽能集熱器采集熱量加熱儲(chǔ)水水箱，同時(shí)太陽能電池板發(fā)電驅(qū)動(dòng)電加熱器為儲(chǔ)熱水箱輔助加熱，再由儲(chǔ)水水箱經(jīng)過管路對(duì)室內(nèi)供暖；當(dāng)太陽能不能滿足集熱器采暖要求但滿足電池板發(fā)電要求時(shí)，儲(chǔ)水水箱內(nèi)的電加熱器可全功率運(yùn)行以滿足室內(nèi)采暖需求；當(dāng)太陽能匱乏時(shí)，由市政電為儲(chǔ)水箱內(nèi)的電加熱器供電。

太陽能采暖系統(tǒng)主要問題是系統(tǒng)效率太低(普通太陽能板集熱器日平均效率為60%，真空管集熱器日平均效率為50%)，儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)太陽能不能滿足采暖溫度要求時(shí)，在運(yùn)行過程中較大程度地依賴電加熱器。

(3)方案三:太陽能和熱泵機(jī)組系統(tǒng)

太陽能和熱泵機(jī)組系統(tǒng)與太陽能采暖系統(tǒng)相似，均為利用太陽能集熱器加熱儲(chǔ)水箱的水，為室內(nèi)供暖。 熱泵機(jī)組可以根據(jù)室內(nèi)采暖需求、室外溫度和太陽能情況調(diào)整供暖方式。 本系統(tǒng)是由太陽能集熱器、熱泵機(jī)組、儲(chǔ)水水箱(含電加熱器)、循環(huán)管路、控制系統(tǒng)、散熱器、水泵組成。 其工作原理如圖4 所示。 在日照充足的情況下，利用太陽能集熱器收集太陽能儲(chǔ)存在水箱內(nèi)，再由水箱經(jīng)過管路對(duì)室內(nèi)供暖，同時(shí)太陽能電池板發(fā)電驅(qū)動(dòng)電加熱器為儲(chǔ)熱水箱輔助加熱；當(dāng)太陽能不充足但能滿足電池發(fā)電要求時(shí)，由熱泵機(jī)組制取熱水向室內(nèi)提供熱量。 該系統(tǒng)使用太陽能和空氣能兩種可再生能能源。 但此系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)難度大、投資高、熱泵機(jī)組在低溫下使用不理想等諸多問題。

圖4 “太陽能+空氣源熱泵”采暖系統(tǒng)原理示意圖

(4)方案四:分體式空氣源熱泵供熱風(fēng)機(jī)采暖系統(tǒng)

分體式空氣源熱泵供熱風(fēng)機(jī)采暖系統(tǒng)類似于分體空調(diào)系統(tǒng)，采用小型低溫空氣源熱泵機(jī)組為室內(nèi)供暖。本系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、循環(huán)管路、室內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)機(jī)組成。 此方案只需在5 個(gè)采暖房間放置熱風(fēng)機(jī)，安裝相應(yīng)管路和室外熱泵主機(jī)即可。 此系統(tǒng)由于沒有了儲(chǔ)水水箱系統(tǒng)可在室外溫度-20 ～-30 ℃正常運(yùn)行，有效保證采暖效果。 由于采用了熱風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)備，熱量從上而下傳遞，室房間溫度更加均勻。 在太陽能滿足電池發(fā)電的情況下，除可驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為室內(nèi)采暖外，還可調(diào)整機(jī)組開啟數(shù)量，降低屋內(nèi)無人情況下的室溫，儲(chǔ)存多余電量待需要時(shí)使用。 此系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，適應(yīng)性強(qiáng)。

表1 方案特點(diǎn)對(duì)比表

(5)方案五:集中型電蓄熱采暖

集中式電蓄熱采暖是采用集中型電熱鍋爐為整個(gè)村子每戶居民供暖。 本系統(tǒng)采用電熱鍋爐、供暖管路、室內(nèi)散熱器、室內(nèi)管線等設(shè)備，電鍋爐在低谷電價(jià)的時(shí)間段將電能轉(zhuǎn)換成熱能并儲(chǔ)存在蓄熱體內(nèi)，在其他時(shí)間段將儲(chǔ)存的熱能根據(jù)用戶熱量需求逐步自控釋放的采暖方式。 該系統(tǒng)初投資小，可緩解高峰供需缺口，但整個(gè)系統(tǒng)安裝復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高。 不適合農(nóng)村分散的住宅形式。 住戶太陽能光伏系統(tǒng)僅作為發(fā)電系統(tǒng)，補(bǔ)貼采暖費(fèi)用。

4 方案綜合比較

對(duì)以上五種清潔采暖方案的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算出每種方案的日用電量。 當(dāng)前光伏方陣采用不同布置方式，計(jì)算比較復(fù)雜，故通常采用計(jì)算軟件進(jìn)行分析。 本次采用的是國(guó)際上比較流行的軟件RestScree 進(jìn)行分析。

綜上所述:在考慮運(yùn)行費(fèi)用、使用效果、初投資及日常操作難易程度等因素，建議選擇空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)即方案四作為清潔采暖方式。 該方案采用機(jī)組為一拖一形式，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、非常適合北方分散式采暖。