某北方农村建筑清洁能源应用的探讨

赵佳贺， 冯菊梅

(中国城市建设研究院有限公司，北京 100021)

1 技术应用背景

当前农村地区的采暖主要以家用燃煤炉为主，煤炉效率较低且不安全，同时造成了化石燃料的浪费和冬季空气的严重污染。 为了进一步提升农民生活质量，解决农村冬季采暖污染问题，落实习总书记提出的碳达峰和碳中和、实现乡村振兴的目标，鼓励依托北方农村丰富的太阳能资源，采用太阳能光热和光电的采暖系统替代传统的燃煤采暖，解决农村采暖的污染问题。 同时，太阳能光电系统还可有效促进地方经济，带动相关产业链的发展，改善农村电网供电可靠性。 具有良好的社会效益和经济效益。

2 研究对象

本次研究环境选择了我国北方平原地区海拔高度不高于1 500 m，气候特点为冬季酷寒干燥、夏季凉爽无暑热，太阳能资源为2 类的地区。 整个地区雨量较少，日照时间2 500 h，冬季采暖时间为170 天。

研究对象选择了具有北方特色的农村房，建筑面积为100 m2，砖混结构坡屋顶形式。 整个住宅为5 个房间的单层建筑(如图1 所示)，需要采暖的房间为南侧三间:卧室1、客厅和卧室2。 三个房间总面积为65 m2。建筑外墙采用农村常用的砖混墙体，墙体厚度370 mm，热传导系数为1 W/(m2·K)；窗户采用单框双玻铝合金窗户，传热系数3 W/(m2·K)。

图1 农村房平面图

本项目室内设计温度为18 ℃，经TANSYS 软件计算建筑热负荷为9.75kW(热耗能)。 日平均消耗167.54kWh(热耗能)，日耗能分布曲线见图2。

图2 日耗能分布曲线图

利用建筑的屋顶安装太阳能光伏发电系统，总装机容量为5kW，安装面积约70 m2。 研究本项目在运行过程中光伏系统供电能否满足冬季采暖供电需求。本次研究对象按日平均光照时间5～7 h 计算(即有效发电时间)，日均发电量为25～35kWh，光伏发电系统由屋顶太阳能电池方阵、配电系统(蓄电池组、充放电控制器、逆变器、双向电表)等组成。 太阳能电池主体安装在屋顶，与太阳能集热器并列布置(太阳能电池主体安装约占面积的70%，太阳能集热器根据方案的不同控制在30%以下)。 配电系统采用集成化设备，提供220V/380V 交流电，经过双向电表与本建筑的配电箱连接，为采暖系统供电。

3 采用方案的比较

清洁取暖是指利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式。 通过对农村清洁采暖方案的调研，并结合通用性、便捷性和适用性的要求，本次研究提出五种清洁采暖的解决方案。

(1)方案一:电暖气采暖

电暖气采暖是利用电阻发热原理直接把电能转化为热能。 根据房间面积在每个房间内配置相应规格的电散热器。 此方案设备用量少，占用屋内空间少，且无需室外设备与采暖管线。 但一户需用4 台电散热器，分别放置于客厅、厨房和2 个卧室，用电量较大，需要改造户内的配电箱及配电线路，为每台散热器独立回路供电，运行成本较高。

(2)方案二:太阳能采暖系统

太阳能采暖方式采用太阳能和电采暖共同为室内供暖。 图3 展示了“太阳能采暖系统”的原理图。此系统由太阳能集热器、储水水箱(含电加热器)、循环管路、控制系统、散热器、循环水泵组成。 太阳能集热器安装在屋顶，与太阳能电池板并列安装(由于太阳能板面积较大，在不影响太阳能电池板发电需求的前提下，尽量增加太阳能集热器的安装面积)，储水水箱、水泵及控制系统安装在储藏室内。

图3 “太阳能+电辅热”采暖系统原理示意图

当太阳能充足时，由太阳能集热器采集热量加热储水水箱，同时太阳能电池板发电驱动电加热器为储热水箱辅助加热，再由储水水箱经过管路对室内供暖；当太阳能不能满足集热器采暖要求但满足电池板发电要求时，储水水箱内的电加热器可全功率运行以满足室内采暖需求；当太阳能匮乏时，由市政电为储水箱内的电加热器供电。

太阳能采暖系统主要问题是系统效率太低(普通太阳能板集热器日平均效率为60%，真空管集热器日平均效率为50%)，储热时间长，当太阳能不能满足采暖温度要求时，在运行过程中较大程度地依赖电加热器。

(3)方案三:太阳能和热泵机组系统

太阳能和热泵机组系统与太阳能采暖系统相似，均为利用太阳能集热器加热储水箱的水，为室内供暖。 热泵机组可以根据室内采暖需求、室外温度和太阳能情况调整供暖方式。 本系统是由太阳能集热器、热泵机组、储水水箱(含电加热器)、循环管路、控制系统、散热器、水泵组成。 其工作原理如图4 所示。 在日照充足的情况下，利用太阳能集热器收集太阳能储存在水箱内，再由水箱经过管路对室内供暖，同时太阳能电池板发电驱动电加热器为储热水箱辅助加热；当太阳能不充足但能满足电池发电要求时，由热泵机组制取热水向室内提供热量。 该系统使用太阳能和空气能两种可再生能能源。 但此系统存在结构复杂、设备维护难度大、投资高、热泵机组在低温下使用不理想等诸多问题。

图4 “太阳能+空气源热泵”采暖系统原理示意图

(4)方案四:分体式空气源热泵供热风机采暖系统

分体式空气源热泵供热风机采暖系统类似于分体空调系统，采用小型低温空气源热泵机组为室内供暖。本系统由热泵机组、循环管路、室内热风风机组成。 此方案只需在5 个采暖房间放置热风机，安装相应管路和室外热泵主机即可。 此系统由于没有了储水水箱系统可在室外温度-20 ～-30 ℃正常运行，有效保证采暖效果。 由于采用了热风风机设备，热量从上而下传递，室房间温度更加均匀。 在太阳能满足电池发电的情况下，除可驱动系统为室内采暖外，还可调整机组开启数量，降低屋内无人情况下的室温，储存多余电量待需要时使用。 此系统安装简单，维护方便，适应性强。

表1 方案特点对比表

(5)方案五:集中型电蓄热采暖

集中式电蓄热采暖是采用集中型电热锅炉为整个村子每户居民供暖。 本系统采用电热锅炉、供暖管路、室内散热器、室内管线等设备，电锅炉在低谷电价的时间段将电能转换成热能并储存在蓄热体内，在其他时间段将储存的热能根据用户热量需求逐步自控释放的采暖方式。 该系统初投资小，可缓解高峰供需缺口，但整个系统安装复杂，运行费用较高。 不适合农村分散的住宅形式。 住户太阳能光伏系统仅作为发电系统，补贴采暖费用。

4 方案综合比较

对以上五种清洁采暖方案的特点进行对比，并计算出每种方案的日用电量。 当前光伏方阵采用不同布置方式，计算比较复杂，故通常采用计算软件进行分析。 本次采用的是国际上比较流行的软件RestScree 进行分析。

综上所述:在考虑运行费用、使用效果、初投资及日常操作难易程度等因素，建议选择空气源热泵热风机即方案四作为清洁采暖方式。 该方案采用机组为一拖一形式，设备结构简单、技术成熟、非常适合北方分散式采暖。