青海地区光伏供暖技术选型及效益分析

张瑞丹 李银轮 周家城

摘 要：本文就青海西宁民用住宅的清洁供暖问题，充分利用当地优质太阳能资源，提出了光伏+电采暖、光伏+空气源热泵、光伏+相变储热三种光伏清洁供暖方式，并对其进行经济效益分析和综合效益分析，对青海地区冬季供暖技术的选型提供参考。

关键词：清洁供暖;光伏供暖技术;效益

中图分类号：S214文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）34-0139-03

Technology Selection and Efficiency Analysis of Photovoltaic

Heating in Qinghai Region

ZHANG Ruidan LI Yinlun ZHOU Jiacheng

（Qinghai Normal University，Xining Qinghai 810000）

Abstract： Regarding the problem of the clean residential heating in Xining Qinghai province and taking the high quality solar energy in to consideration， this thesis came up three photovoltaic methods of clean housing heating including photovoltaic plus electric heating， photovoltaic plus air source heat pump and photovoltaic plus phase change thermal storage. And in this thesis， the economic benefits and the comprehensive benefits of these three methods were also analyzed with the purpose of providing choices for the winter housing heating technology in Qinghai.

Keywords： clean heating;photovoltaic heating technology;benefit

2016年，中国建筑碳排放总量为19.6亿万t，北方地区采暖碳排放占比25%[1]。而从城镇民用建筑能耗强度来看，受冬季采暖影响，青海省民用建筑能耗强度全国排名第二[2]。青海省冬季寒冷地区取暖期长达6个月甚至更多，且地域广阔，差异较大，清洁取暖工作任务艰巨。如何选用适合当地的清洁采暖方式，降低采暖碳排放比例，成为目前急需解决的问题。

目前，青海省农牧区冬季供暖有以下三种方式：燃煤、火炕和薪柴畜粪供暖。其中，燃烧煤炭的形式会造成环境污染，破坏青海省脆弱的生态环境;火炕和柴薪畜粪供暖的形式只能满足最低的生活需求。以上三种供暖方式不仅效率低、舒适性差，而且会破坏、污染环境。污染源虽然单个规模小，但由于数量多，覆盖面广，对当地环境质量的影响极大[3]。对此，本文认为，应充分利用青海地区太阳能资源的优势，采用清洁能源代替燃煤供暖，以减少冬季季节性雾霾的出现，提高农牧区居民冬季温暖过冬的舒适度。

1 问题的提出

清洁供暖是指利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、清洁化燃煤（超低排放）、核能等清洁能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式[4]。青海省太阳能资源丰富，年日照时数为2 328～3 575 h，日照百分率为55%～70%，年太阳辐射量在6 000 MJ/m2以上[5]，冬季适合利用太阳能进行供暖。虽然太阳能取之不尽，用之不竭，但间歇性与不稳定性的特点使其无法满足较高的能源贡献率与供暖稳定性。因此，本文提出光伏+电采暖、光伏+空气源热泵和光伏+相变储热三种清洁供暖方式，并对其效益进行分析研究。

2 光伏供暖技术研究

2.1 光伏+电采暖

光伏+電采暖系统由光伏发电系统、电采暖系统和控制系统组成。该方案采用油汀电暖器满足供暖需求，所需电能由光伏系统提供。白天有充足光照时，光伏系统在满足少量供暖需求电量的同时，将多余的电量以高价销售给电网;晚上供暖需求较大时，从电网低价购买电量，以保障全天供暖需求。本方案适用于有电网支持的城乡地区，相当于将电网视为光伏发电的储能设备。该方案的优点是投入少、运行成本低、系统可靠、维护方便，缺点是必须依托电网，无电网（电网薄弱）的偏远地区只能在白天供暖。

2.2 光伏+空气源热泵

光伏+空气源热泵系统由光伏发电系统、空气源热泵、蓄热水箱、供暖末端及控制系统组成。空气源热泵可以将空气中不能直接利用的低位热能转化为可以利用的高位热能，节约能源。光伏系统为空气源热泵提供电能，电能一部分供热泵使用，另一部分通过分布式光伏并到电网中，晚上热泵从电网中获取电能工作，热泵产生的热能加热蓄热水箱，水箱温度到达一定范围后连接地板采暖系统，通过对流和辐射的方式满足室内供暖需求，可实现全天供暖。该方案的优点是所需光伏系统规模小，较第一种方案成本更低，热转化效率高，缺点是系统相对复杂，维护成本较高。

2.3 光伏+相变储热

光伏+相变储热系统由光伏发电系统、相变储热电暖器和控制系统组成。光伏系统为电暖器提供电能，在满足供暖需求的同时，经控制系统将电炉丝产生的热量储存在相变材料无机盐中，当晚上无日照时，无机盐中存储的热量缓慢释放出来，满足夜间供暖需求。该系统不仅适用于离网系统，还适用于并网系统，这种独特的优异性，对于电网设施薄弱的地区而言，是非常理想的取暖方式。

3 综合分析

3.1 全年耗热量估算

以青海西宁某地100 m2农村居民住宅为对象，采暖期为每年10月15日至次年4月15日止，供暖期为6个月，共180 d，热负荷取50 W/m2。

民用建筑全年耗热量的计算公式为：

[Qh=qh×A×N×T]                                 （1）

式中，[Qh]表示采暖全年耗熱量，kW·h;[qh]表示采暖设计热负荷，W/m2，本文取50 W/m2;[A]表示供暖面积，[A]=100 m2;[N]表示采暖期天数，[N]=180 d;[T]表示日平均供暖时间，[T]=15 h。

将相关数据代入式（1），计算得出采暖全年耗热量[Qh]为13 500 kW·h，1 kW·h=3.6×106 J，经过换算得出[Qh]为48 600 000 kJ。

3.2 常规燃煤采暖成本估算

全年采暖燃料耗量[6]：

[B=QhQaη1η2]                          （2）

式中，[B]表示全年采暖燃料耗量，kg;[Qh]表示全年采暖耗热量，[Qh]=48 600 000 kJ;[Qa]表示平均低位发热量，[Qa]=29 307 kJ/kg;[η1]表示供热系统年平均效率，燃煤锅炉热效率为40%;[η2]表示折标准燃料系数，原煤折标准煤系数为0.714 3[7]。

将相关数据代入式（2），得出[B]为5 804 kg。可见，采用燃煤供热，一个采暖期需要5 804 kg煤炭才能满足供暖需求。2019年，青海地区优质煤炭市场交易价格为1 100元/t，则采暖期燃煤供暖需花费约6 385元。

3.3 太阳能光伏供暖成本估算

3.3.1 光伏+电采暖。光伏板采用380 W的单晶硅。电采暖系统选用油汀电暖器，因油汀电暖器内导热油加热至236 ℃不会起火星，在-18 ℃的情况下不会凝结，效率高达95%。制热功率最大为2 200 W，适用面积为30 m2，考虑到面积和功率限制，选用3个油汀电暖器。3个油汀取暖器（均选用2 200 W制热功率）12 h供暖耗电约80 kW·h，采用并网系统，在非采暖期（180 d）将发电量售给电网，采暖期（180 d）再买回来，因此系统日平均只需提供40 kW·h电即可满足供暖需求，由公式（3）计算发电量：

[Ep=H×P×K]                         （3）

式中，[Ep]表示发电量，[Ep]=40 kW·h;[H]表示当地标准日照小时数，西宁地区年平均日照小时数为7.6 h[8];[K]表示发电系统效率，取值范围为75%～85%，这里取80%。

将相关数据代入式（3）得出[P]组件安装容量为6.6 kW，实际安装容量为6.84 kW。主要配置如表1所示。

3.3.2 光伏+空气源热泵。当环境温度为-11.2 ℃时，热泵COP（Coefficient of Performance，制冷效率）在2.0左右[9]。西宁地区1月平均气温低于-11 ℃，而在整个采暖期内，西宁室外平均温度为-3 ℃[8]。当温度为-3 ℃时，热泵[COP]在3.0左右。经过多方面考虑，在整个采暖期，热泵[COP]值取2.7。满足一天供热量的同时热泵耗电量约为28 kW·h，采用并网系统，从全年分析，在采暖期，系统一天提供14 kW·h电即可满足供暖需求。组件安装容量[按式（3）计算]约为2.3 kW，实际按照容量为2.66 kW。主要配置如表2所示。

满足一天供热量的同时热泵耗电量计算公式为：

[Wd=QdCOP]                                   （4）

式中，[COP]表示热泵制冷效率，本文取值2.7;[Qd]表示采暖一天耗热量，由式（1）计算得出数值为75 kW·h（当[N]=1 d）。将相关数据代入式（4），得出[Wd]为27.8 kW·h，取整为28 kW·h。

3.3.3 光伏+相变储热。一台储热装置功率为2.2 kW，能够满足30 m2供暖需求，本方案需3台储热装置，一天工作12 h，耗电量为79.2 kW·h，对比光伏+电采暖系统可知，该系统采暖期一天需要提供40 kW·h，实际安装容量为6.84 kW。主要配置如表3所示。

3.4 经济效益分析

不同采暖方式初投资对比结果如表4所示。由表4可知，在满足热负荷的条件下，燃煤供暖初投资最低，光伏+相变储热的投资最高，从长远来看，任何一种清洁供暖系统都比燃煤供暖更节约经济成本。

3.5 环境效益分析

现阶段，我国电力生产结构仍以使用煤炭的火力发电为主，单位发电量的耗煤量约为0.32 kgce/kW·h。燃煤发电会产生大量的CO2、SO2、NOx和粉尘等污染物[10]。国家统计局及中国环境科学院资料研究表明，节约标煤1 kg，减少CO2排放2.418 kg，SO2排放0.074 kg，NOx排放0.037 kg，烟尘排放0.337 kg[11]。由此得出不同清洁供暖方式的环境效益如表5所示。

相比于燃煤供暖，任何一种清洁供暖方式都对环境更友好，有助于构建可持续发展的社会，推动社会发展。

4 结语

青海省是国家重要的生态安全屏障，是“三江之源”“中国水塔”。2018年，国家能源局批复支持青海创建国家清洁能源示范省，并将青海清洁能源示范省建设纳入国家能源发展战略。在高质量发展的同时要减少环境污染，冬季采暖中提高清洁能源采暖的比例势在必行。从空间舒适度来看，末端采用地暖形式的光伏+空气源热泵系统更具优势，成本也较低;在安装与后期维护角度，光伏+电采暖对于用户来说更为简便;光伏+相变蓄热的优势在于它可以安装在电网设施不齐全的偏远地区。

参考文献：

[1]中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告（2018年）[R/OL].（2018-12-29）[2020-10-20].https：//www.cabee.org/site/content/22960.html.

[2]中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告（2019年）[R/OL].（2020-04-10）[2020-10-20].https：//www.cabee.org/site/content/23565.html.

[3]杨铭，王志峰，王鹏苏，等.推进我国北方地区太阳能供暖途径与措施探讨[J].建设科技，2013（10）：22-26.

[4]关于印发北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）的通知（发改能源〔2017〕2100号）[EB/OL].（2017-12-20）[2020-10-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2017-12/20/content_5248855.htm.

[5]刘义花，汪青春，王振宇，等.1971年-2007年青海省日照时数的时空分布特征[J].资源科学，2011（5）：1010-1016.

[6]中華人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验和检疫总局.农村居住建筑节能设计标准：GB/T 50824—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验和检疫总局，中国国家标准化管理委员会.综合能耗计算通则：GB/T 2589—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.太阳能供热采暖工程技术标准：GB 50495—2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[9]张东，李金平，刘伟，等.喷气增焓空气源热泵热性能评价及预测[J].化工学报，2014（12）：5004-5009.

[10]唐华宇，吕胜男，赵干荣.户用分布式光伏幕墙在四川地区的经济与环境效益分析[J].太阳能，2019（11）：70-75.

[11]尹奎超，刘继磊，聂金哲.空气源热泵与燃气壁挂炉采暖在清洁取暖中的节能环保效益分[J].建设科技，2020（2）：89-93.