趙佳賀， 馮菊梅

(中國城市建設(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，同時造成了化石燃料的浪費和冬季空氣的嚴(yán)重污染。 為了進一步提升農(nóng)民生活質(zhì)量，解決農(nóng)村冬季采暖污染問題，落實習(xí)總書記提出的碳達峰和碳中和、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的目標(biāo)，鼓勵依托北方農(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，太陽能光電系統(tǒng)還可有效促進地方經(jīng)濟，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，改善農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性。 具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 研究對象

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

研究對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。 整個住宅為5 個房間的單層建筑(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

本項目室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃，經(jīng)TANSYS 軟件計算建筑熱負(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)，總裝機容量為5kW，安裝面積約70 m2。 研究本項目在運行過程中光伏系統(tǒng)供電能否滿足冬季采暖供電需求。本次研究對象按日平均光照時間5～7 h 計算(即有效發(fā)電時間)，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)實現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式。 通過對農(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 臺電散熱器，分別放置于客廳、廚房和2 個臥室，用電量較大，需要改造戶內(nèi)的配電箱及配電線路，為每臺散熱器獨立回路供電，運行成本較高。

(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)，儲水水箱、水泵及控制系統(tǒng)安裝在儲藏室內(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，由太陽能集熱器采集熱量加熱儲水水箱，同時太陽能電池板發(fā)電驅(qū)動電加熱器為儲熱水箱輔助加熱，再由儲水水箱經(jīng)過管路對室內(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，儲水水箱內(nèi)的電加熱器可全功率運行以滿足室內(nèi)采暖需求；當(dāng)太陽能匱乏時，由市政電為儲水箱內(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%)，儲熱時間長，當(dāng)太陽能不能滿足采暖溫度要求時，在運行過程中較大程度地依賴電加熱器。

(3)方案三:太陽能和熱泵機組系統(tǒng)

太陽能和熱泵機組系統(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水箱的水，為室內(nèi)供暖。 熱泵機組可以根據(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、熱泵機組、儲水水箱(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存在水箱內(nèi)，再由水箱經(jīng)過管路對室內(nèi)供暖，同時太陽能電池板發(fā)電驅(qū)動電加熱器為儲熱水箱輔助加熱；當(dāng)太陽能不充足但能滿足電池發(fā)電要求時，由熱泵機組制取熱水向室內(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)備維護難度大、投資高、熱泵機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)機采暖系統(tǒng)

分體式空氣源熱泵供熱風(fēng)機采暖系統(tǒng)類似于分體空調(diào)系統(tǒng)，采用小型低溫空氣源熱泵機組為室內(nèi)供暖。本系統(tǒng)由熱泵機組、循環(huán)管路、室內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)機組成。 此方案只需在5 個采暖房間放置熱風(fēng)機，安裝相應(yīng)管路和室外熱泵主機即可。 此系統(tǒng)由于沒有了儲水水箱系統(tǒng)可在室外溫度-20 ～-30 ℃正常運行，有效保證采暖效果。 由于采用了熱風(fēng)風(fēng)機設(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)動系統(tǒng)為室內(nèi)采暖外，還可調(diào)整機組開啟數(shù)量，降低屋內(nèi)無人情況下的室溫，儲存多余電量待需要時使用。 此系統(tǒng)安裝簡單，維護方便，適應(yīng)性強。

表1 方案特點對比表

(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，電鍋爐在低谷電價的時間段將電能轉(zhuǎn)換成熱能并儲存在蓄熱體內(nèi)，在其他時間段將儲存的熱能根據(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，但整個系統(tǒng)安裝復(fù)雜，運行費用較高。 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)，補貼采暖費用。

4 方案綜合比較

對以上五種清潔采暖方案的特點進行對比，并計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，計算比較復(fù)雜，故通常采用計算軟件進行分析。 本次采用的是國際上比較流行的軟件RestScree 進行分析。

綜上所述:在考慮運行費用、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)機即方案四作為清潔采暖方式。 該方案采用機組為一拖一形式，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、非常適合北方分散式采暖。