严寒地区光伏-相变储能电热地板系统供暖可行性研究＊

张 晗，王春青，康佳莹，柳孟光

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118；2.吉林鼎坤工程设计有限公司，吉林 吉林 132013）

0 引言

随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，低碳转型已成为各行业发展的必然趋势，高能耗、高排放的建筑供暖领域的减碳亟待提速。当前，严寒地区既有供暖形式仍主要依赖煤炭等化石能源，化石能源的大量燃烧是造成碳排放过高的主要原因。近些年，虽然国家和地方陆续出台了包括煤改电、煤改气等一系列清洁供暖政策来解决因供暖所带来的环境问题，但由于农村燃气供给困难、电网结构薄弱，且电力及燃气供暖费用较高，使得煤改电、煤改气在农村家庭中的推广应用仍面临着阻碍[1]。因此，探索适用于严寒地区农村家庭的清洁取暖方式具有十分重要的意义。

光伏供暖是一种将太阳能转换为电能，并用于和市电联合驱动电采暖系统供暖的清洁供暖技术，与单一电采暖方式相比，可有效减少采暖常规能源消耗、缓解电网压力[2]。同时，光伏供暖还能充分利用农村住宅的闲置屋顶资源，获得额外售电收益和政策补贴，具有改造施工容易、经济环保等优点。然而，太阳能光伏发电受昼夜和季候的影响，无法持续提供电能，单独的电采暖系统由于不具有蓄热功能，仍需电网提供大量电力作为补充以满足全天供暖，这也使系统的经济性与环保性大打折扣。而应用相变蓄热技术可以弥补这一缺陷，通过相变蓄热技术与电采暖技术的有机结合，利用相变材料的蓄热特性缩短电采暖的持续用电供暖时间，从而可有效地减少采暖耗电量，提高综合效益[3]。基于上述思路，本文提出了一种光伏+相变蓄热电采暖的供暖方式，并从多方面验证了该系统在严寒地区农村供暖的可行性。

1 光伏-相变储能电热地板系统的构建

光伏-相变储能电热地板系统主要由分布式并网光伏发电系统与相变储能电热地板系统组成，其运行原理是光伏组件利用光生伏特效应将太阳能转换为电能，经逆变器完成直流—交流电的转换后，为相变储能电热地板系统提供所需的电能，相变储能电热地板再通过相变材料的相变过程将供电时产生的热量储存为相变潜热，当晚上无日照时，相变材料将储存的热量缓慢释放出来，满足夜间供暖需求。由于并网光伏系统没有配备蓄电池，所以当出现连续阴雨天或白天光照不足时可直接由电网补充电量，非供暖季的光伏发电量则按照光伏电价标杆上网（见图 1）。

图1 光伏-相变储能电热地板系统供暖流程

2 光伏-相变储能电热地板系统选型设计

2.1 建筑案例概况

本文以长春地区某110m2农村住宅为研究对象。该农宅长11m，宽10m，建筑层高3.4m，屋顶形式为平屋顶。利用DeST-H住宅能耗分析软件对该建筑进行逐时热负荷模拟以获取后续设计所需的基础数据，供暖时间设置为10月20日至次年4月6日，建筑围护结构参数依据GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》进行设置，不考虑夏季冷负荷，最后计算出该住宅全年累计热负荷为9 497.8kW，平均日累计负荷为56.2kW，最大负荷出现在330时为7.24kW，模拟结果如图2所示。

图2 全年逐时采暖负荷

2.2 相变储能电热地板系统选型设计

基于热负荷模拟结果，对相变储能电热地板系统安装面积进行设计和计算。其中，系统中所选用的相变储能地板模块的尺寸为800mm×800mm×60mm，所选用的相变材料为石蜡微胶囊、铝颗粒、水泥砂浆复合相变材料，其内部结构由上至下分别为30mm相变材料层、230W碳纤维发热电缆、反射层和30mm保温层。该模块供电蓄热8h后的放热时间可达10h以上，可以使采暖在断电期间进行[4]。

根据建筑热负荷模拟结果，引用公式（1）对相变蓄热地板模块所需的实际安装面积进行计算，具体表达式如下：

式中：Qout表示采暖房间一天内的热负荷，Qout=20.2×107J；Qpcm表示单位面积蓄热模块的日散热量，其散热量等同于发热电缆的散热量，则模块蓄热8h期间的散热量为Qpcm=6.62×106J；考虑到会存在热累积效应等问题，面积系数a取1.1。

经计算，相变蓄热电采暖系统的实际安装面积为33.71m2，相变储能地板模块所需数量为52块，基于实际安装面积，一共需要22根230W碳纤维发热电缆（每根可铺设1.5m2）。

2.3 光伏系统选型设计

光伏系统组件选型应结合实际安装容量进行设计，而光伏组件安装容量则需按照无市电供应情况下最大需求负载进行计算。已知相变储能电热地板系统需要22根230W碳纤维发热电缆，若不考虑房间温度控制器的控制，假设相变蓄热电采暖系统每天工作8h，则供暖期日最大耗电量为41.4kWh。光伏组件预计安装容量计算如下[5]：

式中：Ep为日期望发电量，Ep=41.4kW；H为标准日照小时数，长春地区平均日照小时数为7h；K表示系统效率，取80%。

将相关数据代入公式可得P＝7.4kW。若将光伏组阵以长春地区最佳倾角44°角排布在朝南方向的屋顶上，则屋顶最多可放置20块光伏电池板，并联2排，每排串联10个。根据装机容量需求，只选用380W单晶硅太阳能电池板，型号为AS-M1203-H-380，逆变器选用额定输出功率为8kW的并网逆变器，型号为GCl-1P8K-5G，实际安装容量为7.6kW。

3 光伏-相变储能电热地板系统模拟运行分析

为分析该系统在运行期间的电力供需情况，本小节利用PVsyst光伏系统仿真软件模拟该项目案例的发电量，并与相变储能电热地板系统的耗电量进行对比分析。

图3为模拟中利用长春市的标准年气象数据，采用2.3中所选型的光伏组件，模拟计算出的标准年逐日发电量。其中，采光收集损失占每千瓦发电量的7.8%，为0.36kW·h/kW；系统损失为0.12kW·h/kW，占2%；有效发电量为4.15kW·h/kW，占90.2%，最后计算得到光伏系统全年有效发电量为11 812kW·h，供暖季期间的有效发电量为5 759kW·h。

通过2.3中得出的相变储能电热地板系统日最大耗电量可以计算出该系统在整个供暖季的最大耗电量为6 748.2kW·h，因此，供暖期间电网只需提供989.2kW·h电量即可满足供暖需求。从全年周期来看，光伏系统全年有效发电量足以抵消供暖期间所需全部电量，并还余有5 063.8kW·h电可以上网。可见，该系统在运行期间不仅可有效降低能耗、节省供暖费用，还可为家庭额外创收，符合现代绿色供暖的设计理念（见图3）。

图3 光伏系统发电模拟

4 光伏-相变储能电热地板系统环境效益分析

本文引用模糊综合评价方法，通过量化比较光伏-相变储能电热地板系统供暖与其他常规能源供暖方式的环境优度来评价该系统的环境效益，具体步骤如下。

1）设定评价对象的因素集 U={u1，u2，u3，u4，u5}＝{光伏-相变储能电热地板系统供暖、电暖气供暖、燃煤锅炉供暖、燃油锅炉供暖、燃气锅炉供暖}，根据不同热源排放的污染物种类，设定影响评价因素的目标集 V={v1，v2，v3，v4}={CO2排放量、NOx排放量、烟尘排放量、SO2排放量}。

2）确定评价因素目标集的权重及权向量，即：

由于本文侧重于评估系统的碳减排效果，因此将各污染物的重要程度设定为：CO2＞NOx＞烟尘＞SO2。评判要素之间的两两对比赋值为：aij=6/5，代表vi比 vj略为重要；aij=4/3，代表 vi比 vj重要；aij=3/2，代表vi比vj极为重要[6]。根据上述两两评价指标的相对重要性建立4阶对比矩阵，通过优势累计法（求行和）可得CO2、NOx、烟尘、SO2之间的权向量 W=（5.03，4.37，3.78，3.25），进行归一 化 处 理 得 W=（0.32，0.26，0.23，0.19）。

3）建立由因素集U与目标集V组成的4×5阶模糊综合评价矩阵R，并计算各目标的隶属度值。由于环境污染排放物数量越小越优，因此，目标隶属度值即因素集中各种污染物排放量的最小值与各供暖方案所对应的各种污染物排放定量目标值的比值[7]。5种供暖方案的污染物排放总量，其各能源供暖能耗计算方法及不同供暖热源所产生的污染物排放因子参考文献［7］。最后整理可得模糊综合评价数学模型为：

4）利用以上数据和影响环境因素的权向量W相乘可得到模糊评价向量 M，M=WR={m1，m2，m3，m4，m5}。经计算，M=（0.87，0.12，0.09，0.22，0.42），可得光伏-相变储能电热地板系统供暖、电供暖、燃煤供暖、燃油供暖、燃气供暖方式的环境优度分别为0.87，0.12，0.09，0.22，0.42。其中，光伏 - 相变储能电热地板系统供暖的环境优度最高，较电、燃煤、燃油、燃气供暖分别高出86.0%，89.6%，74.7%，51.7%，碳排放量可分别减少91.0%，92.1%，87.0%，78.6%，环境效益显著。

5 结语

经模拟仿真，光伏-相变储能电热地板系统在全年周期内可满足光伏发电与供暖耗电之间的供需电力平衡，且余有43%电量可以标杆上网，为家庭额外创收，可实现“能源产销一体化”的设计理念。通过引入模糊评价数学模型，对比4种常规能源供暖方式得出该系统的环境优度最佳，碳减排效果也尤为显著，可助力实现我国碳达峰、碳中和目标。因此，严寒地区农村家庭应用光伏-相变储能电热地板采暖系统供暖具有可行性。