某北方農村建筑清潔能源應用的探討

趙佳賀， 馮菊梅

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100021)

1 技術應用背景

當前農村地區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重污染。 為了進一步提升農民生活質量，解決農村冬季采暖污染問題，落實習總書記提出的碳達峰和碳中和、實現鄉村振興的目標，鼓勵依托北方農村豐富的太陽能資源，采用太陽能光熱和光電的采暖系統替代傳統的燃煤采暖，解決農村采暖的污染問題。 同時，太陽能光電系統還可有效促進地方經濟，帶動相關產業鏈的發展，改善農村電網供電可靠性。 具有良好的社會效益和經濟效益。

2 研究對象

本次研究環境選擇了我國北方平原地區海拔高度不高于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。 整個地區雨量較少，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村房，建筑面積為100 m2，磚混結構坡屋頂形式。 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。建筑外墻采用農村常用的磚混墻體，墻體厚度370 mm，熱傳導系數為1 W/(m2·K)；窗戶采用單框雙玻鋁合金窗戶，傳熱系數3 W/(m2·K)。

圖1 農村房平面圖

本項目室內設計溫度為18 ℃，經TANSYS 軟件計算建筑熱負荷為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電系統，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(即有效發電時間)，日均發電量為25～35kWh，光伏發電系統由屋頂太陽能電池方陣、配電系統(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%，太陽能集熱器根據方案的不同控制在30%以下)。 配電系統采用集成化設備，提供220V/380V 交流電，經過雙向電表與本建筑的配電箱連接，為采暖系統供電。

3 采用方案的比較

清潔取暖是指利用天然氣、電、地熱、生物質、太陽能、工業余熱等清潔化能源，通過高效用能系統實現低排放、低能耗的取暖方式。 通過對農村清潔采暖方案的調研，并結合通用性、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熱原理直接把電能轉化為熱能。 根據房間面積在每個房間內配置相應規格的電散熱器。 此方案設備用量少，占用屋內空間少，且無需室外設備與采暖管線。 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

太陽能采暖方式采用太陽能和電采暖共同為室內供暖。 圖3 展示了“太陽能采暖系統”的原理圖。此系統由太陽能集熱器、儲水水箱(含電加熱器)、循環管路、控制系統、散熱器、循環水泵組成。 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、水泵及控制系統安裝在儲藏室內。

圖3 “太陽能+電輔熱”采暖系統原理示意圖

當太陽能充足時，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電驅動電加熱器為儲熱水箱輔助加熱，再由儲水水箱經過管路對室內供暖；當太陽能不能滿足集熱器采暖要求但滿足電池板發電要求時，儲水水箱內的電加熱器可全功率運行以滿足室內采暖需求；當太陽能匱乏時，由市政電為儲水箱內的電加熱器供電。

太陽能采暖系統主要問題是系統效率太低(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

太陽能和熱泵機組系統與太陽能采暖系統相似，均為利用太陽能集熱器加熱儲水箱的水，為室內供暖。 熱泵機組可以根據室內采暖需求、室外溫度和太陽能情況調整供暖方式。 本系統是由太陽能集熱器、熱泵機組、儲水水箱(含電加熱器)、循環管路、控制系統、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，再由水箱經過管路對室內供暖，同時太陽能電池板發電驅動電加熱器為儲熱水箱輔助加熱；當太陽能不充足但能滿足電池發電要求時，由熱泵機組制取熱水向室內提供熱量。 該系統使用太陽能和空氣能兩種可再生能能源。 但此系統存在結構復雜、設備維護難度大、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”采暖系統原理示意圖

(4)方案四:分體式空氣源熱泵供熱風機采暖系統

分體式空氣源熱泵供熱風機采暖系統類似于分體空調系統，采用小型低溫空氣源熱泵機組為室內供暖。本系統由熱泵機組、循環管路、室內熱風風機組成。 此方案只需在5 個采暖房間放置熱風機，安裝相應管路和室外熱泵主機即可。 此系統由于沒有了儲水水箱系統可在室外溫度-20 ～-30 ℃正常運行，有效保證采暖效果。 由于采用了熱風風機設備，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電的情況下，除可驅動系統為室內采暖外，還可調整機組開啟數量，降低屋內無人情況下的室溫，儲存多余電量待需要時使用。 此系統安裝簡單，維護方便，適應性強。

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。 本系統采用電熱鍋爐、供暖管路、室內散熱器、室內管線等設備，電鍋爐在低谷電價的時間段將電能轉換成熱能并儲存在蓄熱體內，在其他時間段將儲存的熱能根據用戶熱量需求逐步自控釋放的采暖方式。 該系統初投資小，可緩解高峰供需缺口，但整個系統安裝復雜，運行費用較高。 不適合農村分散的住宅形式。 住戶太陽能光伏系統僅作為發電系統，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。 當前光伏方陣采用不同布置方式，計算比較復雜，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，設備結構簡單、技術成熟、非常適合北方分散式采暖。