新能源配置在乡村规划中的应用

2023-11-10国网综合能源服务集团有限公司张阳玉国网综合能源服务集团有限公司李慧娜

电力设备管理 2023年20期

国网综合能源服务集团有限公司张阳玉国网综合能源服务集团有限公司李慧娜

中国海关科学技术研究中心王琳譞中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司刘晓楠

社会主义建设事业中乡村振兴为重点，虽在国家政策指导下乡村地区陆续展开了一系列的创新发展，但乡村规划队伍水平参差不齐，部分乡村在能源领域的问题突出，尚未全面推广新能源，“旧能源”的利用给乡村生态环境造成了较大的负面影响，不利于实现可持续发展的目标。为推进乡村高速化发展，各乡村需重视能源布局，打破原有的能源结构限制，不断引进新能源，通过新能源配置为乡村创造更大的发展可能。一些乡村在新能源配置中还存在诸多不足，未来这些地区需创新配置理念与方式，保障新能源的覆盖面、利用率。

1 工程概况

乡村规划中可采用的新能源以及技术类型等相对较多，本文以太阳能热泵技术作为研究对象。某乡村地区位于山区，冬季最低温为-5℃，冬季供暖问题亟待解决，但传统的供暖方式不符合低碳环保要求，引进太阳能热泵技术建立乡村排屋冷热暖联供系统具有现实的可行性，不仅能满足冬季供热要求，也能减小供暖中的能源消耗、资源浪费[1]。

2 房屋冬季热负荷需求计算

2.1 房屋冬季围护结构热负荷计算

该乡村排屋为多层结构，1层为杂物放置区，2～4层均为居住区，周边墙体为标准红砖垒砌的二四墙，墙厚、楼层长、宽分别为24cm、1.54m、7.6m，2～4层高9.3m，房顶为钢筋混凝土板与青瓦，厚0.2m。

参考行业内的供暖通风设计标准，节能型房屋建筑的采暖热符合为45W/m2，在此前提下有关人员进一步分析了该建筑结构的供热需求，利用相关公式计算得到了房屋围护结构热负荷，通过分析与计算，该房屋冬季围护结构的热负荷为9450W。但此房屋结构体系庞大，再加上部分房屋未使用，以面积为210m2、130m2、65m2三种典型情况为研究对象，其围护结构日平均耗热情况见表1。

表1 房屋冬季围护结构日均耗热量

2.2 生活新水加热的热量需求

结合长时间的统计结果，此建筑中每天的生活用水量较大，达到了300L。但生活用水中的热水需求量大，需使热水温度被加热到55℃。整个加热过程中的热量需求Qnw存在以下公式，假定新水初温为5℃，每天仅加热新水就需消耗62.5MJ的热量。

Qnw=ρ0×Cρ0×V0×（Te-Tb）

上式中，ρ0、Cρ0、V0、Te、Tb分别代表水的密度、水的定压比热容、新水体积、新水终温、新水初温。结合上述分析，水的密度、定压比热容、新水初温、终温分别为998.2kg/m3、4.18×103J/(kg·℃)、5℃、55℃。

3 太阳能热泵系统和工况类型及要点

3.1 系统总体框架

太阳能热泵系统可选择的模式较多，实际的工作中应综合建筑结构类型和特点等来选择。但并联模式相对常见，其系统构成较为简单，包含的构成部分相对较少，将该系统投入运行后的运行灵活，进入工作状态后，太阳能与热泵既能相互配合工作，也能各自独立开来，负责不同的部分[2]。由于并联模式的特殊性，有关人员仅需些微调整太阳能、热泵装置，增强系统的稳定性、安全性，凸显系统在经济性、技术性方面的优势。乡村排屋的太阳能热泵系统设计要求较高，出于供暖、制冷等要求，双水箱并联太阳能热泵冷热暖系统能取得良好的应用效果。

太阳能热泵系统内包含的构成要素较多，在系统工作中需处理好不同构成部分、流程之间的协调关系，使各个部分能相互配合，完成本建筑的供暖与制冷。系统进入运行阶段后，太阳能呈闭式循环状态，其中的集热介质为丙二醇流体，冬季该流体可克服低温限制，加热水箱1、2中的水体，使水温达到特定要求。热泵为系统中的关键构成，为达到供热要求，现场应配备冷暖两用型空气源热泵，用喷漆增焓型热泵，保障该热泵在冬季的制冷能力较强。水箱1负责向用户供应生活热水，采用太阳能加热方式，当然并非单一的加热方式，还有热泵与电加热；水箱2为供暖供冷水箱，其加热或者制冷依赖于空气源热泵，当水箱内的水成为符合要求的冷水或热水后，最后再将其输送到房间地暖或风机盘管，完成全面供暖与制冷，满足住户需求[3]。太阳能热泵系统的功能多样，供暖、制冷时系统稳定、高效运行，能基本满足实际需求，凸显系统的稳定性、安全性等优势，未来各建筑可参考这一系统来设计。

3.2 系统运行工况分析

3.2.1 太阳能运行工况

整个系统的运行过程中，太阳能循环泵的启动时间有要求，仅太阳能集热器进出口温差超过5℃的情况下才能启动，同样，循环泵停止时间也有要求，在温差不超3℃时关闭循环泵。加热期间太阳能先加热水箱1中的水再加热水箱2的水，当水箱1中水温达到55℃进入下一阶段的加热任务；如水箱1中的水温不超40℃，因为水温有上限要求，需继续利用太阳能加热水箱1的水；夜间或阴雨天气太阳能运行效果不佳，此时需改变原先的加热方式，由热泵负责加热水箱1的水，保障其水温符合实际需求。

3.2.2 热泵制热工况

此乡村排屋的供暖中，冬季制热由热泵负责。冬季气温相对较低，为满足供热需求，热泵需率先加热水箱2中的水以满足供暖所需，当其水温达到60℃的上限后关闭热泵；如水温为45℃，启动热泵进入加热环节。无论哪一季节，在阴天或者夜间太阳能都无法正常使用，此时为实现加热目标，需启动热泵，由热泵负责加热水箱1中的水。

3.2.3 夏季热泵制冷工况

夏季温度较高，为满足制冷标准，需由热泵实现制冷，热泵先制冷水箱1中的水，随后将其制冷后的水供向房间，降低房间温度。热泵的停止启动状态完全由水箱2的水温来决定，如水箱2中的水温为规定的下限值，需关闭热泵，反之达到上限水温时启动热泵。

3.2.4 房间供暖工况

房间供暖由循环泵负责，具体的工作中有关人员需分析房间温度的高低或者温度变化趋势，也需要通过人为的相关参数设定情况来确定循环泵的运行状态。冬季外部气温相对偏低，房间温度应略高，达到18～22℃，在温度达22℃，供暖目标实现，此时无需启动循环泵，而温度为18℃情况下难以与人们的供暖需求相一致，则需使循环泵进入工作状态。

3.2.5 房间制冷工况

夏季温度偏高，房间有制冷需求，此制冷环节由循环泵负责，但循环泵的开启与关闭却需要考虑房间的实际温度情况或者其他人为参数设定情形。一般房间温度在26～30℃，上限温度与下限温度时分别开启、关闭循环泵。

4 太阳能热泵系统配置选型

供热系统中热泵起着关键作用，考虑到房屋冬季的热负荷，并依据太阳能热泵结构形式，其热泵系统的配置选型中主要注意以下方面。

4.1 确定太阳能集热器面积

根据冬季供热的相关经验，冬季供热总热量较大，但如果这些热量全部由太阳能所提供，显然并不现实，这种单一的供热方式下不符合经济性要求，一旦到夏季，太阳能几乎无用，相关设备在夏季几乎处于闲置状态，浪费相对严重。为此，在具体的工作中有关人员在供热设计时，须将太阳能供热总量控制在总供热量的20%左右，以此为前提得到集热器面积大小。

案例所处地区的冬季日平均辐射总量为7.3MJ/m2，参考下面公式得到结果，见表2。本房屋建筑中部分房屋常年未使用，显然不应以建筑总面积来计算，而应该去除这些未使用房间的面积，如供暖面积为130m2计算太阳能集热器面积，经由一系列分析与计算，集热器面积为25m2，太阳能冬季日均可供给101MJ热量，此供热量能满足生活热水的热量需求且还存在富余，说明确定的太阳能面积相对合理。

表2 太阳能集热器面积选取计算

Ac=Qu/（Ic/ηc）

上式中，Ac、Qu、Ic、ηc分别为集热器面积（m2）、温室一天总耗热量（MJ/d）、单位面积平均每天总太阳辐射量（MJ/（m2·d））、真空管式集热器平均集热效率，取55%。

4.2 配备热泵

本乡村排屋冬季的供热需求大，平均热负荷为9450W，为发挥热泵在供热中的作用，有关人员在设计系统时需综合考虑诸多因素，选择性能合适、价格合理的热泵。结合实际情况，通过定性与定量分析与评估，5P热泵机组更适合本系统。

冬季北方温度异常低，空气源热泵保持低效运转状态，为提高设备运行效率，提高系统的经济性、实用性，可选择有喷气增焓技术的热泵机组。因为喷气增焓技术能增强热泵性能、保障热泵功能，即使在冬季极低的温度条件下，空气源热泵也有良好的制热性能。根据调查，带有喷气增焓的热泵能在环境温度为-25℃保持比较高的COP制热，制热效果突出。

4.3 供热水箱容量选型

供热水箱同样是系统中的重要构成，在选择供热水箱时需关注其容积大小，因为供热水箱的容积是决定蓄热能力的重要因素，也会对热泵运行时开启与关闭的时间间隔有一定影响。如选择容积为500L的水箱，依据相应的公式来计算，具体的计算中存在以下前提条件：以冬季1月房屋平均热负荷9450W为参考；热泵单独工作，当水箱水温达到相关标准的情况下关闭热泵，但如温度降低特定值时重新开启热泵，由热泵完成加热工作。

依据有关公式，计算结果为110min，也就是说，当热泵使水温达到60℃时关闭热泵，中断110min后再重新启动，这一时间间隔也就意味着水箱水温降15℃可持续向面积为210m2的房间供暖110min，如太阳能与热泵能同步工作，此供热时间将超过110min，不会引发热泵的频繁启动。因此，通过上述一系列分析，选用容积为500L的供热水箱能满足供热需求，具有现实的可行性。

本乡村排屋的供太阳能热泵冷热暖联供系统可通过提供太阳能与空气能，满足房屋的供热、生活热水、制冷要求，系统的稳定性好且低碳环保，能打破传统供热方式的限制。对于建筑面积为210m2的三层排屋，5P增焓型热泵、25m2太阳能集热器面积可符合供热标准。双水箱并联式太阳能热泵系统，既能使太阳能和热泵保持独立运行的状态，也能使二者协同工作，具体的工作中相关人员需考虑实际情况来选择运行模式。