北京地区房屋保温评估及冬季采暖与太阳能利用

沈阳工程学院 ■ 丛景 鞠振河 雷彩娟

0 引言

能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。当前世界能源消费以化石资源为主，其中，中国等少数国家以煤炭为主，其他国家则大部分以石油与天然气为主。根据专家预测，按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。所以，不论是哪种常规能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。

新能源是21世纪世界经济发展中最具决定力的5大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新能源中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。地球每年获得的太阳能量高达6×1017kWh，是目前全球能耗的几万倍。我国北方地区大多处于太阳能资源丰富的二类地区，大气透明度好，太阳辐照量在5400～6700 MJ/(m2·a)，为利用太阳能资源提供了理论可能[1]。

北京市农村的两种传统供暖方式主要为：

1)火炕采暖。北京地区由于冬季寒冷，农村大多数以火炕为主要取暖方式。一般将灶台放在屋内，与卧室仅一墙之隔，卫生状况糟糕、产热消耗的木材和柴禾等有效资源多、供热劳动强度大、温度控制不易把握；由于通风不合理，从添柴口进入的空气不能直接通过燃料层与燃料调合均匀，所以，燃料不能充分燃烧；同时，从添柴口进入的大量冷空气在经过燃料表面时又降低了灶内温度，带走一部分热量，使一些可燃气体与碳不能充分氧化；更严重的是，一些不完全燃烧产生的气体的排放直接影响空气质量，导致本地区雾霾的产生。

2) 燃煤炉采暖。在炉子上接根烟囱伸到室外，利用烟管对流、辐射换热来提高室内温度。由于煤的质量不同，产生的热量不稳定、副产物过多、热效率低；不完全燃烧产生的有害气体污染大气；清洁程度差，流通性不好时，易产生一氧化碳中毒[2]。

1 研究体系

通过调查得出北京市农村地区房屋的一般结构布局，研究冬季房屋能耗损失，并进行系统优化。利用太阳能光伏发电来补偿能量，摒弃农村传统的供暖方式，达到环保、清洁的目的。规划出冬季北京市农村房屋太阳能用电使用方案，进行经济优选，确定最合适的方案。

1.1 北京地区地理气候条件

北京地区位于东经115.7°E～117.4°E，北纬39.4°N～41.6°N，太阳辐射量全年平均为112～136 kcal/cm2。冬季虽寒冷干燥，但每天平均日照在6 h以上，月日照一般在170～190 h，为开发利用太阳能创造了有利条件。北京地区冬季寒冷漫长，长达5个月，若平均温度0 ℃以下为严冬，则4个月(12～次年3月)为严冬。根据最近几年北京气象数据可知：北京室外最低平均温度约为-5 ℃，最高平均温度约5 ℃，可得北京地区冬季的平均温度为0 ℃。

1.2 北京农村房屋基本模型结构

据调查，北京市农村地区房屋大致为80～150 m2，取平均120 m2，坐北朝南。内部为四室一厅的标准结构，房屋墙体结构为普通粘土砖墙。其中根据采光和取暖要求，东墙和西墙没有窗户，南墙窗户一般为4个，且面积较大；北墙窗户一般为2个，但面积较小；窗户多为单层塑钢窗。南墙和北墙各有一个木制门。如图1所示。

图1 北京农村房屋基本平面图

1.3 北京农村房屋能耗损失计算

房屋的热量损失主要是通过建筑物的围护(门窗、墙体、地面、房顶)进行传递的，房屋的通风损失忽略不计。房屋内部获取的能量主要是居住者释放的能量(一个成年人静坐时平均释放能量为100 W)。本文以三口之家(夫妻和子女)的房屋为研究对象[3]，房间总面积为120 m2(12 m×10 m)，房高为3.5 m。根据人体舒适度设计室内的温度为18 ℃，北京冬天室外平均温度取0 ℃。建筑围护结构如表1所示。

表1 建筑围护结构参数

1.4 系统优化

围护结构的热损失占房间总热量的百分比如图2所示。墙体所占的比例最大，约占房间总热量损失的43%；其次是屋顶和地面，约占房间总热量损失的32%和14%，根据初步房屋损耗计算发现能耗较大，预计光伏设计的成本较高，与实际情况有一定差距。此外，针对农村房屋保温性能较差的特点发现，墙体和地面的热量损失为房屋主要能量损失。现对房屋取暖面积和墙体及窗户结构进行优化，得出相对合理经济的光伏设计方案[4]。

图2 围护结构的热损失占房间总热量损失的百分比

1.4.1 墙体的优化

表2 为市场常见外墙保温材料的传热系数。

表2 常见外墙保温材料的传热系数

通过对几种外墙保温材料的传热系数及经济成本比较，本文选择挤塑聚苯板(XPS)作为优化的外墙保温材料。挤塑聚苯板(XPS)价格低廉、隔热性能好，广泛用于墙体保温中，其导热系数不超过 0.028 W/(m2·K)。

1.4.2 窗户的优化

根据当地农村的经济状况，在不更换现有窗户材料结构的前提下，在现有玻璃窗内表面贴一层30 μm厚的聚酯膜，有资料表明，这样可使窗户的热损失减少60%。

1.4.3 屋顶的优化

木屋顶可在吊顶上铺设保温材料，如铺设掺加了石灰粉的麦秆(要保证吊顶能够承受保温材料的荷载要求)。

1.4.4 优化后的热量损失

优化后房屋总热量损失为：201.6+1439.4+253.49+1459.38+1123.2-100×3=4177.07 W。在经过实际优化后，发现房屋热量损耗减少了44.5%，效果明显且节约成本。

表3 优化后建筑围护结构参数

1.5 太阳能光伏设计

1.5.1 平均峰值日照时数

由表4可知，北京地区的最佳倾角为42°，在最佳倾角下(最佳倾角是指在这个角度下太阳电池组件各月、各季所接受到的日平均辐射量最大)，平均峰值日照时数(组件表面)Tm为5.28 h。由于北京农村房屋多为斜面，倾角一般在15°～30°，太阳电池板需根据实际房屋倾角来铺设，本文取倾角20°，由表4数据可知，平均峰值日照时数为5 h[5]。

1.5.2 蓄电池容量的确定

北京地区农村在无市电补充情况下，每户每天最多用蓄电池供电时间为6 h，北京地区连续阴天定为3天，系数为1.2，所以

式中，W为负载功率，取4177.07 W；h为蓄电池最多供电时间；U为系统电压，取48 V。代入式(1)得：

表4 北京全年辐照量数据表

查太阳蓄电池型号数据可得：选择2 V的CN-3000型号蓄电池，电路中需串联24个。1.5.3 太阳电池板型号的确定

式中，T为峰值日照时间；K为综合系数，K=K1×K2×…×K7，其中，K1为环境温度系数，为0.9325，K2为污染损失系数，为0.96，K3为最大功率损耗系数，为0.94，K4为太阳电池板串并联损耗系数，为0.95，K5为直流线损系数，为0.97，K6为系统中有整流、逆变系数，为0.85，K7为电池损失系数，为0.7。根据北京地区日照气象数据可知，北京地区的峰值日照时间为5.0，h=6，负载功率为4177.07 W，代入式(3)得式(4)[2]：

查普通电池板规格型号表，可选择150(17)P1470×680×25型号的太阳电池板，峰值功率为150 W，峰值电压为18.5 V；每排串联4个，并联21排。光伏初始设计时，按照无外加市电供应的最大负载计算，可满足其他特殊情况，保证蓄电池和太阳电池板提供足够的容量为负载供电。根据农村房屋模型屋顶尺寸，将太阳电池板铺设在朝南方向的屋顶斜面上，最多放置52块太阳电池板，每排串联4个，并联13排，屋顶总装机容量7.65 kW。剩余容量可利用其他方式补充[6]。

2 光伏利用规划

由于研究体系是针对北京市冬季农村房屋能耗损失，计算的所有能耗损失将由太阳能发电补充，优先用于解决居民冬季的供暖设备损耗，不考虑用于其他非供暖设备。本文根据北京地区太阳能发电量规划几种方案，同时利用合理控制器，采取适当的市电补充，连接负载供热设备，达到居民屋内适宜温度18 ℃。依据北京地区峰谷电价数据，将方案进行经济比较并计算回收期，得出较合理的实际可行方案。

2.1 光伏设计方案

2.1.1 方案1

当太阳电池工作时，将发出的直流电储存在蓄电池里。当居民需要供暖时，利用控制器将蓄电池的直流电通过逆变器转化为220 V交流电，连接正常家用供暖设备给屋内供暖，组成一个小型家用太阳能离网系统[7]；同时，控制器连接220 V市电作为补充电源。电暖气作为供暖的主要电气设备，环保清洁、成本较低，被广泛使用。据北京市地区居民电价情况调查可知，电价按峰谷时段划分，峰段时间为 10：00～15：00、18：00～21：00，谷段时间为 23：00～07：00，其余时间为平段时间。其中，峰段电价1.1855元/kWh，谷段电价0.2833元/ kWh，可见在谷段用电较为经济，且节约能源。为了更好地利用电力资源和追求最大经济效益，根据北京地区实际电价情况规划出如下方案，根据时间可分为3个阶段。

1)第1阶段：据调查北京地区冬季平均每天的日照时间约在07：00，日落时间约在17：00，房间可利用光照辐射有效时间为10 h。这段白天时间居民房屋通过日照辐射热量可基本保证室内达到适宜温度18 ℃以上，无须外加能量补充。此时，负载电热器不工作，太阳电池板发出的直流电通过控制器直接给蓄电池充电(控制器有过充、过放保护)，不给负载供电。系统基本原理图如图3所示。

图3 第一阶段系统原理图

2)第2阶段：根据北京市农村居民生活习惯，夜晚负载电热器使用时间为17：00到第二天07：00。其中，17：00～23：00 是用电高峰期，电价实行峰值电价，使用市电直接供给负载，电费较高且不经济。为了减少电费成本，合理利用电力资源，可利用控制器停止市电直接给负载电热器供电，同时将蓄电池的电经过逆变器转化为220 V给负载供电。设计容量合适的蓄电池在白天日照时充电，夜里放电给负载电热器，可满足足够的负载电力需求。系统基本原理图如图4所示。

图4 第二阶段系统原理图

3)第3阶段：根据北京地区峰谷时段电价可知，夜晚23：00到第二天07：00为用电低谷期，实行谷时电价，此时利用市电给负载电热器供电较为划算。首先，控制器停止蓄电池给负载供电，然后，连接市电直接给负载电热器供电；最后，电热器工作时，控制器设定固定温度范围，高于范围电热器自动断电，并且用市电给蓄电池充电，等到室内温度降到固定温度范围以下时，市电停止给蓄电池充电，直接给电热器供电，电热器重新工作。这种控制方案既可提高利用率，又可节省成本。系统基本原理图如图5所示。

图5 第三阶段系统原理图

2.1.2 方案2

根据北京农村地区调查，居民用电量很小，每天约为5 kWh，太阳能发出的电大部分存在蓄电池里。相对来说冬天取暖较为费电，而夏天会造成能源浪费。在当地供电公司允许下，实行并网发电，如图6所示。

图6 光伏并网发电系统图

并网发电的方式有两种。第一种为“自发自用，余量上网”，即自发自用的光伏电量不做交易，国家按照自用电量给与补贴，富余上网电量除了电网企业支付的脱硫燃煤火电机组上网标杆电价外，也享受国家的度电补贴。这种家庭分布式光伏发电系统配有双向计量电表，可清楚查出发电并网电量和用户正常用电量。第二种方式是“全额上网”，即太阳电池板发出所有电量全部并网售电。2014年国家能源局发布《进一步落实分布式光伏发电有关政策通知》，北京地区属于太阳能资源分区Ⅱ类资源区，享受标杆上网电价0.95元/kWh的补贴。

2.2 经济分析比较

方案1是离网与市电相结合的系统，系统部件含太阳电池板、蓄电池、控制逆变一体机等。房屋围护结构优化前，需太阳电池板的总功率约为20 kW，根据现在市场上家庭光伏离网系统计算，优化前的前期投入较大，对于农村居民现有的经济条件来说不可行。对房屋围护结构进行优化后，同时依据实际可利用面积使太阳电池板的总功率降为7.65 kW，建筑围护结构的节能改造费用为3000元，总费用约在13万。根据北京农村居民每天用电情况，蓄电池放电供负载电热器使用，每天工作时间为6 h，这段时间正处于峰段时间，按电价1.1855元/kWh计算，每年可节省电费2596元。

方案2是并网发电系统。系统部件含太阳电池板、逆变器等。已知最大可利用光伏装机容量为7.65 kW，根据现在市场上成套家庭光伏并网系统8元/W计算，建设成本约为6万。根据最新光伏上网电价政策规定，北京地区享受标杆上网电价0.95元/kWh补贴，居民每天光伏发电量约为30.6 kW，并网售电每年可得利润收入10610元。

表5 经济性分析

根据上述经济性分析，方案1适合于电力不便传输的偏远山区，独立性和灵活性较强，但由于有储能设备蓄电池，造成系统成本较大，需要在政府和当地有关部门给予财政补贴的情况下，才可能在大多数农村居民中实施运行。方案2依托当地电网，农村居民不仅可自发自用解决供暖问题，也可并网售电。此方案系统成本较低且回收期较短，居民在成本回收期过后，还可得到一部分可观收益，更有利于北京农村地区推广和实行。如果政府给予每户3万元光伏采暖补贴，每户投入仅需2.8年就可收回投资。在余下的22年寿命期内每户可取得近20万元收益。光伏不仅可解决北京地区农村住宅的采暖问题，减少雾霾，而且可让农村扶贫致富。同时通过分布式农村住宅光伏发电推广，提高了房屋的屋顶利用率，还起到农村住宅节能降耗的作用，不仅减少电力系统对农村输送电力引起的损耗，而且具有一定的社会意义和连带的经济效益。

3 结语

传统的北京农村居民冬季使用燃烧秸秆和煤炭来供暖，不但利用率不高，而且排出的气体容易造成污染。根据北京地区农村房屋的特点设计光伏系统解决冬季热量损失的问题，通过对房屋墙体、门窗等不断优化，尽可能减少经济成本，节能减排。根据实际情况和能耗损失，结合北京地区电价的特点，设计出两套方式不同的解决方案，为解决北京农村冬季供暖问题提供更新颖的设计思路。希望方案的初步设计和经济分析有利于在北京市农村地区更好地推广实施，为解决北京地区的雾霾等空气污染问题做出贡献。

[1] 周春艳， 周春涛. 严寒地区农村住宅在应用被动式太阳能技术上的优势[J]. 吉林建筑工程学院学报， 2005， 22(4)：35－38.

[2] 蔡伟， 解国珍， 闫树龙， 等. 新农村建设中太阳能采暖技术的应用 [J]. 安徽农业科学 ， 2007， 35(34)： 11177 － 11178.

[3] 宋海宏. 寒区农村人居环境生态问题分析及探索[J]. 低温建筑技术 ， 2006， (1)： 28 － 30.

[4] 赵续民. 寒冷地区农村住宅建筑节能的途径[J]. 山西建筑，2004， 30(9)： 10 － 11.

[5] DB21/T 1792/2010， 太阳能光伏与建筑一体化技术规程[S].

[6] DB21/T 1685/2008， 太阳能光伏照明技术规程[S].

[7] 邹积庆， 汪艳君. 太阳能在采暖系统中的应用分析[J]. 中国科技信息 ， 2005， (13)： 102.