新能源配置在鄉(xiāng)村規(guī)劃中的應(yīng)用

國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司 張陽玉 國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司 李慧娜

中國海關(guān)科學(xué)技術(shù)研究中心 王琳譞 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 劉曉楠

社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)中鄉(xiāng)村振興為重點(diǎn)，雖在國家政策指導(dǎo)下鄉(xiāng)村地區(qū)陸續(xù)展開了一系列的創(chuàng)新發(fā)展，但鄉(xiāng)村規(guī)劃隊(duì)伍水平參差不齊，部分鄉(xiāng)村在能源領(lǐng)域的問題突出，尚未全面推廣新能源，“舊能源”的利用給鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境造成了較大的負(fù)面影響，不利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。為推進(jìn)鄉(xiāng)村高速化發(fā)展，各鄉(xiāng)村需重視能源布局，打破原有的能源結(jié)構(gòu)限制，不斷引進(jìn)新能源，通過新能源配置為鄉(xiāng)村創(chuàng)造更大的發(fā)展可能。一些鄉(xiāng)村在新能源配置中還存在諸多不足，未來這些地區(qū)需創(chuàng)新配置理念與方式，保障新能源的覆蓋面、利用率。

1 工程概況

鄉(xiāng)村規(guī)劃中可采用的新能源以及技術(shù)類型等相對(duì)較多，本文以太陽能熱泵技術(shù)作為研究對(duì)象。某鄉(xiāng)村地區(qū)位于山區(qū)，冬季最低溫為-5℃，冬季供暖問題亟待解決，但傳統(tǒng)的供暖方式不符合低碳環(huán)保要求，引進(jìn)太陽能熱泵技術(shù)建立鄉(xiāng)村排屋冷熱暖聯(lián)供系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的可行性，不僅能滿足冬季供熱要求，也能減小供暖中的能源消耗、資源浪費(fèi)[1]。

2 房屋冬季熱負(fù)荷需求計(jì)算

2.1 房屋冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計(jì)算

該鄉(xiāng)村排屋為多層結(jié)構(gòu)，1層為雜物放置區(qū)，2～4層均為居住區(qū)，周邊墻體為標(biāo)準(zhǔn)紅磚壘砌的二四墻，墻厚、樓層長、寬分別為24cm、1.54m、7.6m，2～4層高9.3m，房頂為鋼筋混凝土板與青瓦，厚0.2m。

參考行業(yè)內(nèi)的供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能型房屋建筑的采暖熱符合為45W/m2，在此前提下有關(guān)人員進(jìn)一步分析了該建筑結(jié)構(gòu)的供熱需求，利用相關(guān)公式計(jì)算得到了房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，通過分析與計(jì)算，該房屋冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷為9450W。但此房屋結(jié)構(gòu)體系龐大，再加上部分房屋未使用，以面積為210m2、130m2、65m2三種典型情況為研究對(duì)象，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)日平均耗熱情況見表1。

表1 房屋冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)日均耗熱量

2.2 生活新水加熱的熱量需求

結(jié)合長時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，此建筑中每天的生活用水量較大，達(dá)到了300L。但生活用水中的熱水需求量大，需使熱水溫度被加熱到55℃。整個(gè)加熱過程中的熱量需求Qnw存在以下公式，假定新水初溫為5℃，每天僅加熱新水就需消耗62.5MJ的熱量。

Qnw=ρ0×Cρ0×V0×（Te-Tb）

上式中，ρ0、Cρ0、V0、Te、Tb分別代表水的密度、水的定壓比熱容、新水體積、新水終溫、新水初溫。結(jié)合上述分析，水的密度、定壓比熱容、新水初溫、終溫分別為998.2kg/m3、4.18×103J/(kg·℃)、5℃、55℃。

3 太陽能熱泵系統(tǒng)和工況類型及要點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)總體框架

太陽能熱泵系統(tǒng)可選擇的模式較多，實(shí)際的工作中應(yīng)綜合建筑結(jié)構(gòu)類型和特點(diǎn)等來選擇。但并聯(lián)模式相對(duì)常見，其系統(tǒng)構(gòu)成較為簡單，包含的構(gòu)成部分相對(duì)較少，將該系統(tǒng)投入運(yùn)行后的運(yùn)行靈活，進(jìn)入工作狀態(tài)后，太陽能與熱泵既能相互配合工作，也能各自獨(dú)立開來，負(fù)責(zé)不同的部分[2]。由于并聯(lián)模式的特殊性，有關(guān)人員僅需些微調(diào)整太陽能、熱泵裝置，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，凸顯系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性方面的優(yōu)勢。鄉(xiāng)村排屋的太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求較高，出于供暖、制冷等要求，雙水箱并聯(lián)太陽能熱泵冷熱暖系統(tǒng)能取得良好的應(yīng)用效果。

太陽能熱泵系統(tǒng)內(nèi)包含的構(gòu)成要素較多，在系統(tǒng)工作中需處理好不同構(gòu)成部分、流程之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，使各個(gè)部分能相互配合，完成本建筑的供暖與制冷。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行階段后，太陽能呈閉式循環(huán)狀態(tài)，其中的集熱介質(zhì)為丙二醇流體，冬季該流體可克服低溫限制，加熱水箱1、2中的水體，使水溫達(dá)到特定要求。熱泵為系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成，為達(dá)到供熱要求，現(xiàn)場應(yīng)配備冷暖兩用型空氣源熱泵，用噴漆增焓型熱泵，保障該熱泵在冬季的制冷能力較強(qiáng)。水箱1負(fù)責(zé)向用戶供應(yīng)生活熱水，采用太陽能加熱方式，當(dāng)然并非單一的加熱方式，還有熱泵與電加熱；水箱2為供暖供冷水箱，其加熱或者制冷依賴于空氣源熱泵，當(dāng)水箱內(nèi)的水成為符合要求的冷水或熱水后，最后再將其輸送到房間地暖或風(fēng)機(jī)盤管，完成全面供暖與制冷，滿足住戶需求[3]。太陽能熱泵系統(tǒng)的功能多樣，供暖、制冷時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行，能基本滿足實(shí)際需求，凸顯系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性等優(yōu)勢，未來各建筑可參考這一系統(tǒng)來設(shè)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行工況分析

3.2.1 太陽能運(yùn)行工況

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，太陽能循環(huán)泵的啟動(dòng)時(shí)間有要求，僅太陽能集熱器進(jìn)出口溫差超過5℃的情況下才能啟動(dòng)，同樣，循環(huán)泵停止時(shí)間也有要求，在溫差不超3℃時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵。加熱期間太陽能先加熱水箱1中的水再加熱水箱2的水，當(dāng)水箱1中水溫達(dá)到55℃進(jìn)入下一階段的加熱任務(wù)；如水箱1中的水溫不超40℃，因?yàn)樗疁赜猩舷抟?，需繼續(xù)利用太陽能加熱水箱1的水；夜間或陰雨天氣太陽能運(yùn)行效果不佳，此時(shí)需改變原先的加熱方式，由熱泵負(fù)責(zé)加熱水箱1的水，保障其水溫符合實(shí)際需求。

3.2.2 熱泵制熱工況

此鄉(xiāng)村排屋的供暖中，冬季制熱由熱泵負(fù)責(zé)。冬季氣溫相對(duì)較低，為滿足供熱需求，熱泵需率先加熱水箱2中的水以滿足供暖所需，當(dāng)其水溫達(dá)到60℃的上限后關(guān)閉熱泵；如水溫為45℃，啟動(dòng)熱泵進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)。無論哪一季節(jié)，在陰天或者夜間太陽能都無法正常使用，此時(shí)為實(shí)現(xiàn)加熱目標(biāo)，需啟動(dòng)熱泵，由熱泵負(fù)責(zé)加熱水箱1中的水。

3.2.3 夏季熱泵制冷工況

夏季溫度較高，為滿足制冷標(biāo)準(zhǔn)，需由熱泵實(shí)現(xiàn)制冷，熱泵先制冷水箱1中的水，隨后將其制冷后的水供向房間，降低房間溫度。熱泵的停止啟動(dòng)狀態(tài)完全由水箱2的水溫來決定，如水箱2中的水溫為規(guī)定的下限值，需關(guān)閉熱泵，反之達(dá)到上限水溫時(shí)啟動(dòng)熱泵。

3.2.4 房間供暖工況

房間供暖由循環(huán)泵負(fù)責(zé)，具體的工作中有關(guān)人員需分析房間溫度的高低或者溫度變化趨勢，也需要通過人為的相關(guān)參數(shù)設(shè)定情況來確定循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)。冬季外部氣溫相對(duì)偏低，房間溫度應(yīng)略高，達(dá)到18～22℃，在溫度達(dá)22℃，供暖目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)無需啟動(dòng)循環(huán)泵，而溫度為18℃情況下難以與人們的供暖需求相一致，則需使循環(huán)泵進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.2.5 房間制冷工況

夏季溫度偏高，房間有制冷需求，此制冷環(huán)節(jié)由循環(huán)泵負(fù)責(zé)，但循環(huán)泵的開啟與關(guān)閉卻需要考慮房間的實(shí)際溫度情況或者其他人為參數(shù)設(shè)定情形。一般房間溫度在26～30℃，上限溫度與下限溫度時(shí)分別開啟、關(guān)閉循環(huán)泵。

4 太陽能熱泵系統(tǒng)配置選型

供熱系統(tǒng)中熱泵起著關(guān)鍵作用，考慮到房屋冬季的熱負(fù)荷，并依據(jù)太陽能熱泵結(jié)構(gòu)形式，其熱泵系統(tǒng)的配置選型中主要注意以下方面。

4.1 確定太陽能集熱器面積

根據(jù)冬季供熱的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，冬季供熱總熱量較大，但如果這些熱量全部由太陽能所提供，顯然并不現(xiàn)實(shí)，這種單一的供熱方式下不符合經(jīng)濟(jì)性要求，一旦到夏季，太陽能幾乎無用，相關(guān)設(shè)備在夏季幾乎處于閑置狀態(tài)，浪費(fèi)相對(duì)嚴(yán)重。為此，在具體的工作中有關(guān)人員在供熱設(shè)計(jì)時(shí)，須將太陽能供熱總量控制在總供熱量的20%左右，以此為前提得到集熱器面積大小。

案例所處地區(qū)的冬季日平均輻射總量為7.3MJ/m2，參考下面公式得到結(jié)果，見表2。本房屋建筑中部分房屋常年未使用，顯然不應(yīng)以建筑總面積來計(jì)算，而應(yīng)該去除這些未使用房間的面積，如供暖面積為130m2計(jì)算太陽能集熱器面積，經(jīng)由一系列分析與計(jì)算，集熱器面積為25m2，太陽能冬季日均可供給101MJ熱量，此供熱量能滿足生活熱水的熱量需求且還存在富余，說明確定的太陽能面積相對(duì)合理。

表2 太陽能集熱器面積選取計(jì)算

Ac=Qu/（Ic/ηc）

上式中，Ac、Qu、Ic、ηc分別為集熱器面積（m2）、溫室一天總耗熱量（MJ/d）、單位面積平均每天總太陽輻射量（MJ/（m2·d））、真空管式集熱器平均集熱效率，取55%。

4.2 配備熱泵

本鄉(xiāng)村排屋冬季的供熱需求大，平均熱負(fù)荷為9450W，為發(fā)揮熱泵在供熱中的作用，有關(guān)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需綜合考慮諸多因素，選擇性能合適、價(jià)格合理的熱泵。結(jié)合實(shí)際情況，通過定性與定量分析與評(píng)估，5P熱泵機(jī)組更適合本系統(tǒng)。

冬季北方溫度異常低，空氣源熱泵保持低效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，為提高設(shè)備運(yùn)行效率，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，可選擇有噴氣增焓技術(shù)的熱泵機(jī)組。因?yàn)閲姎庠鲮始夹g(shù)能增強(qiáng)熱泵性能、保障熱泵功能，即使在冬季極低的溫度條件下，空氣源熱泵也有良好的制熱性能。根據(jù)調(diào)查，帶有噴氣增焓的熱泵能在環(huán)境溫度為-25℃保持比較高的COP制熱，制熱效果突出。

4.3 供熱水箱容量選型

供熱水箱同樣是系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，在選擇供熱水箱時(shí)需關(guān)注其容積大小，因?yàn)楣崴涞娜莘e是決定蓄熱能力的重要因素，也會(huì)對(duì)熱泵運(yùn)行時(shí)開啟與關(guān)閉的時(shí)間間隔有一定影響。如選擇容積為500L的水箱，依據(jù)相應(yīng)的公式來計(jì)算，具體的計(jì)算中存在以下前提條件：以冬季1月房屋平均熱負(fù)荷9450W為參考；熱泵單獨(dú)工作，當(dāng)水箱水溫達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下關(guān)閉熱泵，但如溫度降低特定值時(shí)重新開啟熱泵，由熱泵完成加熱工作。

依據(jù)有關(guān)公式，計(jì)算結(jié)果為110min，也就是說，當(dāng)熱泵使水溫達(dá)到60℃時(shí)關(guān)閉熱泵，中斷110min后再重新啟動(dòng)，這一時(shí)間間隔也就意味著水箱水溫降15℃可持續(xù)向面積為210m2的房間供暖110min，如太陽能與熱泵能同步工作，此供熱時(shí)間將超過110min，不會(huì)引發(fā)熱泵的頻繁啟動(dòng)。因此，通過上述一系列分析，選用容積為500L的供熱水箱能滿足供熱需求，具有現(xiàn)實(shí)的可行性。

本鄉(xiāng)村排屋的供太陽能熱泵冷熱暖聯(lián)供系統(tǒng)可通過提供太陽能與空氣能，滿足房屋的供熱、生活熱水、制冷要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好且低碳環(huán)保，能打破傳統(tǒng)供熱方式的限制。對(duì)于建筑面積為210m2的三層排屋，5P增焓型熱泵、25m2太陽能集熱器面積可符合供熱標(biāo)準(zhǔn)。雙水箱并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)，既能使太陽能和熱泵保持獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，也能使二者協(xié)同工作，具體的工作中相關(guān)人員需考慮實(shí)際情況來選擇運(yùn)行模式。

5 結(jié)語

當(dāng)前，鄉(xiāng)村發(fā)展的過程中，新能源配置較為重要，但每個(gè)鄉(xiāng)村地區(qū)都有各自的特點(diǎn)，在配置新能源時(shí)必須從自身的實(shí)際情況著手，用新能源替代舊能源，形成全新的能源消費(fèi)模式。雖鄉(xiāng)村規(guī)劃中新能源配置取得了一定的工作成效，但未來還有漫長的道路要走，各鄉(xiāng)村地區(qū)必須堅(jiān)持現(xiàn)代化、可持續(xù)方向。