电力辅助太阳能供热系统技术经济分析

辛卫东张利华韩小岗魏姗姗刁乃仁

1国网山东节能服务有限公司

2山东建筑大学热能工程学院

随着生活水平的提高，北方村镇居民要求供暖的呼声越来越高。传统的集中供暖方式用于低密度、分散式村镇供暖势必使管网支路增多，加大系统的初投资和造成管网难以调节水利平衡的问题[1]。因此，解决北方村镇供暖问题急需一种新的思路。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源。太阳能作为冬季供暖的热源已有研究：西安建筑科技大学冯璐曼等人[2]针对典型村镇住宅提出了太阳能供热采暖系统设计方法。A.Jamar等人[3]讨论了影响太阳能热水系统热性能的太阳能集热器，蓄热罐和传热介质三个因素的最新发展和进步。刘艳峰[4-5]课题组对不同地区建筑进行负荷分析，发现太阳辐照强度决定地区间的太阳能采暖保证率，分析采暖系统蓄热量与建筑热负荷，太阳能集热日变化规律之间的关系，得出蓄热水箱容积的理论算式。

另外，考虑到太阳辐射的间歇性和不稳定性，还需要辅助热源。电能作为二次能源，由于要保持较高的发电效率，发电厂的发电量并不时刻随着末端负荷的变化而变化，会造成电力使用的高峰低谷现象。太阳能供暖系统可以尽量使用夜间低谷电作为辅助热源，从而达到“填谷”的作用。蓄能方式也是必须考虑的问题，本文建立系统经济性评价方法，计算贮热水箱蓄热和相变地板材料蓄热两种不同蓄热方式、在不同太阳能保证率下采暖期计算费用，得出合适的太阳能保证率、经济的蓄能方式，为冬季村镇的采暖提供参考。

1 电力辅助太阳能供热系统

1.1 蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统

如图1所示，蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统主要有以下几大部分组成：1全玻璃真空管太阳能集热器，4生活热水水箱，5太阳能蓄热水箱，7电蓄热水箱和11地板采暖辐射板等。另外有2集热侧循环泵，8采暖用循环泵，9分水器和10集水器等零部件形成一个完整的供暖循环。

图1 蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统原理图

全玻璃真空管太阳能集热器放置在生活热水水箱上方，通过检测室内温度，太阳能集热器出水温度，生活热水水箱温度和太阳能蓄热水箱温度等决定太阳能集热器侧循环泵，采暖用循环泵和相关的阀门的开闭。系统冬季供暖可分为三种控制工况：工况1，太阳能蓄热水箱热水温度高于供水需求温度55℃时，由5太阳能蓄热水箱向室内地热盘管供热水。工况2，太阳能蓄热水箱热水温度低于供水需求温度55℃，则从电蓄热水箱向室内地热盘管供热水，蓄热量为建筑物耗热量与太阳能集热量的差值。工况3，以上两种工况均不满足要求时，开启6电辅助加热设备，利用平谷价电或者峰值电加热电蓄热水箱。蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统的控制流程图如图2所示。

图2 蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统控制流程图

1.2 相变地板结构电力辅助太阳能供热系统

如图3所示，相变地板结构电力辅助太阳能供热系统与蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统大致相同。蓄热水箱改为相变地板结构。其中，相变地板结构的室内结构如图4所示，由下至上依次为保温层，电热膜，地暖PEX盘管，定形相变材料，混凝土和地板等。该系统与蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统的区别为：夜间低谷电时间段直接利用电能，通过电热膜同时进行室内供暖和蓄热，定形相变材料作为系统的蓄热体。

图3 相变地板材料式电力辅助太阳能供热系统原理图

图4 相变地板蓄热结构

与蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统相似，相变地板结构电力辅助太阳能供热系统的控制流程图如图5所示。

图5 相变地板结构电力辅助太阳能供热系统控制流程图

2 电力辅助太阳能供热系统热负荷以及蓄热量

2.1 电力辅助太阳能供热系统热负荷

本工程为济南地区二层居住建筑，按照山东省节能65%进行设计，建筑面积242 m2，围护结构参数见表1。建筑热负荷9632 kW，则采暖设计热负荷指标为39.8 W/m2。

表1 围护结构参数表

由于设计采暖面积热负荷指标为建筑物最不利情况下的耗热量指标，并不能真实反映每月的负荷随室外温度的变化情况，造成设备选型容量过大，能源浪费。因此，本文将设计热负荷指标转化为建筑耗热量指标，由式（1）表示为：

式中：qpj为月均面积热指标，W/m2；q为供暖设计热负荷指标，W/m2；tn为供暖室内计算温度，取18℃；tpj为供暖室外月平均温度，℃；tw为供暖室外计算温度，济南地区为-5.3℃。

太阳能集热系统负担的热水供应负荷为建筑物的生活热水日平均耗热量。热水日平均耗热量由式（2）表示为：

式中：QW为生活热水日平均耗热量，W；m为用水计算单位数；qr为热水用水定额，L/(人·d)；cw为水的比热容，取 4187 J/(kg·℃)；ρw为热水密度，kg/L；tr为设计热水温度，℃；tl为设计冷水温度，℃。

太阳能供热采暖系统的设计负荷应该为采暖热负荷和生活热水热负荷的最大值[8]。比较采暖热负荷和生活热水热负荷，得出太阳能系统逐月供热热负荷值见表2。

表2 逐月供热热负荷值

2.2 电力辅助太阳能供热系统蓄热量

电力辅助太阳能供热系统蓄热量应为建筑耗热量与太阳能集热器集热量的差值[9]。而太阳能集热器集热量与太阳能保证率的选取有关，其不仅受到当地辐射量分布的影响，还受经济条件的限制。济南地区属于太阳能资源Ⅲ类区，文献[8]给出短期蓄热系统太阳能保证率推荐值为10%～30%。在规范推荐值范围内，计算太阳能保证率在10%，15%，20%，25%和30%下的太阳能集热器面积由式（3）表示为：

式中：AC为直接系统太阳能集热器总面积，m2；QH为建筑物热负荷，W；JT为当地太阳能集热器采光面上的平均日太阳辐照量，济南地区为 14.455×106J/(m2·d)；ηcd为太阳能集热器月平均集热效率，%；ηL为管路及蓄热装置热损失率，根据经验取20%。

根据表3中的计算太阳能集热器面积和每月实际平均集热效率，代入公式（3）得出不同太阳能保证率下每月实际太阳能集热量和电能蓄热量见表4、表5。

表3 不同太阳能保证率下太阳能集热器面积及蓄热水箱容积

表4 不同太阳能保证率下实际太阳能集热量（MJ）

表5 不同太阳能保证率下电能蓄热量（MJ）

由表2和表5可知，电能蓄热量的变化与建筑热负荷的变化相似，呈现先增加后减少的趋势。是因为11月份开始供暖到次年3月份停暖室外月平均温度先降低后升高，建筑热负荷先增加后减少，并且采暖期内月平均太阳能集热量没有大的变动。当太阳能保证率为30%时，电能蓄热量最少为19.4 GJ。

3 两种太阳能供热系统技术经济分析

对于电力辅助太阳能供热系统，系统经济投入主要包括真空管太阳能集热器，蓄热设备，室内采暖末端和管路等初投资以及采暖期运行费用。由于经济、技术条件的限制，将系统的一次性初投资和运行费用简单相加来评价该系统的经济性并不具有参考性。并且，资金具有时间价值，在不同的时间段体现出不同的作用，其计算方法有单利法和复利法两种[10]。单利法的利息和时间呈线性关系。复利法将利息计算在下一周期内作为本金，符合资金时间价值的本质。因此，根据复利法的计算思想本文将初投资按照投资回收系数折算，与一个采暖期的运行费用相加得到“采暖期计算费用”，以“采暖期计算费用”最少的技术方案为最佳方案[11]。

根据“采暖期计算费用”的基本概念，建立的经济性评价由式（4）表示为：

注：每平米太阳能集热器面积对应100 L贮热水箱容积。

式中：Z为采暖期动态计算费用，元；θ为资金回收系数；K为初投资，元；C为采暖期运行费用，元；i为利率，%，济南地区目前为2.7%；n为生产期，取真空管集热器的设计命15年。

3.1 蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统技术经济分析

蓄热水箱式电能辅助太阳能供暖系统的初投资包括全玻璃真空管太阳能集热器，电蓄热水箱，电热源和地暖盘管等几部分，其各自的投资分析见表6。

表6 太阳能供热系统投资分析

蓄热水箱式电能辅助太阳能供暖系统采暖期计算费用如图6所示，采暖期计算费用变化趋势与折算初投资（θ·K）变化趋势相似。随着太阳能保证率的增大，式（4）中的折算初投资增加，运行费用减少，采暖期计算费用变大。对于电蓄热水箱蓄热的电能辅助太阳能供暖系统，在太阳能保证率为10%时，采暖期计算费用最少为5596元，每平米建筑面积23.1元，比济南市集中采暖（26.7元/m2）费用节省13.5%。

图6 蓄热水箱式采暖期计算费用

3.2 相变地板结构蓄热电力辅助太阳能供热系统技术经济分析

中国科学技术大学叶宏等人[12]研究指出：相变蓄能式地板辐射供暖系统中，应选用相变温度与采暖温度接近的相变材料。文献[8]给出的12水磷酸二钠作为相变材料时，其熔点为36℃，熔化潜热280 kJ/kg，密度1520 kg/m3。

相变地板结构电能辅助太阳能供暖系统采暖期计算费用如图7所示，采暖期计算费用变化趋势与折算初投资变化趋势并无直接关系，是折算初投资和运行费用共同作用的结果。相变地板式采暖期计算费用随太阳能保证率的增加先减少后增加再减少。太阳能保证率为30%时，相变地板结构蓄热的电能辅助太阳能供暖系统采暖期计算费用最少为15968元，每平米建筑面积66元，比济南市集中采暖费用贵147%。

图7 相变地板式采暖期计算费用

比较图6和图7，蓄热水箱式电能辅助太阳能供暖系统，随着太阳能保证率的增加需要集热器面积增多，电能蓄热量减少，采暖期计算费用增大。相变地板材料电能辅助太阳能供暖系统，随着太阳能保证率的增加需要太阳能集热器面积增多，相变材料蓄热量减少，相变材料初投资减小，由于每月太阳能集热效率的变化，相变材料初投资的减小程度并不相同，加上运行费用的影响，使采暖期计算费用呈先减少后增加再减少的趋势。

4 结论

对济南地区分散式、低密度村镇居住建筑提出使用电力辅助太阳能系统进行供暖，在系统设计中考虑电蓄热水箱蓄热和相变地板材料蓄热两种不同直接利用电力的低谷电蓄热方式，在不同太阳能保证率下采暖期计算费用，根据研究结果得出以下两点结论：

1）太阳能保证率为10%时，蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统采暖期计算费用最少为5596元，折合每平米建筑面积23.1元，比济南市集中采暖（26.7元/m2）费用节省13.5%。太阳能保证率为30%时，相变地板结构蓄热的电能辅助太阳能供暖系统采暖期计算费用最少为15968元，折合每平米建筑面积66元，是济南市集中采暖费的1.47倍。太阳能保证率为10%时，蓄热水箱式电力辅助太阳能供热系统是最适于济南地区的电力辅助太阳能供热方式。

2）蓄热水箱式电能辅助太阳能供暖系统，采暖期计算费用随着太阳能保证率的增加而增大。相变地板材料蓄热系统电能辅助太阳能供暖系统，采暖期计算费用随着太阳能保证率的增加呈先减少后增加再减少的趋势。两种蓄热方式对采暖期计算费用的变化趋势影响不同，设计使用电能辅助太阳能供热系统需要考虑初投资对采暖期计算费用的影响。