沈陽工程學院 ■ 叢景 鞠振河 雷彩娟

0 引言

能源是人類生存與經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎，然而隨著世界經(jīng)濟持續(xù)、高速地發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題逐漸加深，能源供需矛盾日益突出。當前世界能源消費以化石資源為主，其中，中國等少數(shù)國家以煤炭為主，其他國家則大部分以石油與天然氣為主。根據(jù)專家預測，按目前的消耗量，石油、天然氣最多只能維持不到半個世紀，煤炭也只能維持一二百年。所以，不論是哪種常規(guī)能源結構，人類面臨的能源危機都日趨嚴重。

新能源是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的5大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新能源中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，而光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便等優(yōu)點。地球每年獲得的太陽能量高達6×1017kWh，是目前全球能耗的幾萬倍。我國北方地區(qū)大多處于太陽能資源豐富的二類地區(qū)，大氣透明度好，太陽輻照量在5400～6700 MJ/(m2·a)，為利用太陽能資源提供了理論可能[1]。

北京市農(nóng)村的兩種傳統(tǒng)供暖方式主要為：

1)火炕采暖。北京地區(qū)由于冬季寒冷，農(nóng)村大多數(shù)以火炕為主要取暖方式。一般將灶臺放在屋內(nèi)，與臥室僅一墻之隔，衛(wèi)生狀況糟糕、產(chǎn)熱消耗的木材和柴禾等有效資源多、供熱勞動強度大、溫度控制不易把握；由于通風不合理，從添柴口進入的空氣不能直接通過燃料層與燃料調(diào)合均勻，所以，燃料不能充分燃燒；同時，從添柴口進入的大量冷空氣在經(jīng)過燃料表面時又降低了灶內(nèi)溫度，帶走一部分熱量，使一些可燃氣體與碳不能充分氧化；更嚴重的是，一些不完全燃燒產(chǎn)生的氣體的排放直接影響空氣質(zhì)量，導致本地區(qū)霧霾的產(chǎn)生。

2) 燃煤爐采暖。在爐子上接根煙囪伸到室外，利用煙管對流、輻射換熱來提高室內(nèi)溫度。由于煤的質(zhì)量不同，產(chǎn)生的熱量不穩(wěn)定、副產(chǎn)物過多、熱效率低；不完全燃燒產(chǎn)生的有害氣體污染大氣；清潔程度差，流通性不好時，易產(chǎn)生一氧化碳中毒[2]。

1 研究體系

通過調(diào)查得出北京市農(nóng)村地區(qū)房屋的一般結構布局，研究冬季房屋能耗損失，并進行系統(tǒng)優(yōu)化。利用太陽能光伏發(fā)電來補償能量，摒棄農(nóng)村傳統(tǒng)的供暖方式，達到環(huán)保、清潔的目的。規(guī)劃出冬季北京市農(nóng)村房屋太陽能用電使用方案，進行經(jīng)濟優(yōu)選，確定最合適的方案。

1.1 北京地區(qū)地理氣候條件

北京地區(qū)位于東經(jīng)115.7°E～117.4°E，北緯39.4°N～41.6°N，太陽輻射量全年平均為112～136 kcal/cm2。冬季雖寒冷干燥，但每天平均日照在6 h以上，月日照一般在170～190 h，為開發(fā)利用太陽能創(chuàng)造了有利條件。北京地區(qū)冬季寒冷漫長，長達5個月，若平均溫度0 ℃以下為嚴冬，則4個月(12～次年3月)為嚴冬。根據(jù)最近幾年北京氣象數(shù)據(jù)可知：北京室外最低平均溫度約為-5 ℃，最高平均溫度約5 ℃，可得北京地區(qū)冬季的平均溫度為0 ℃。

1.2 北京農(nóng)村房屋基本模型結構

據(jù)調(diào)查，北京市農(nóng)村地區(qū)房屋大致為80～150 m2，取平均120 m2，坐北朝南。內(nèi)部為四室一廳的標準結構，房屋墻體結構為普通粘土磚墻。其中根據(jù)采光和取暖要求，東墻和西墻沒有窗戶，南墻窗戶一般為4個，且面積較大；北墻窗戶一般為2個，但面積較小；窗戶多為單層塑鋼窗。南墻和北墻各有一個木制門。如圖1所示。

圖1 北京農(nóng)村房屋基本平面圖

1.3 北京農(nóng)村房屋能耗損失計算

房屋的熱量損失主要是通過建筑物的圍護(門窗、墻體、地面、房頂)進行傳遞的，房屋的通風損失忽略不計。房屋內(nèi)部獲取的能量主要是居住者釋放的能量(一個成年人靜坐時平均釋放能量為100 W)。本文以三口之家(夫妻和子女)的房屋為研究對象[3]，房間總面積為120 m2(12 m×10 m)，房高為3.5 m。根據(jù)人體舒適度設計室內(nèi)的溫度為18 ℃，北京冬天室外平均溫度取0 ℃。建筑圍護結構如表1所示。

表1 建筑圍護結構參數(shù)

1.4 系統(tǒng)優(yōu)化

圍護結構的熱損失占房間總熱量的百分比如圖2所示。墻體所占的比例最大，約占房間總熱量損失的43%；其次是屋頂和地面，約占房間總熱量損失的32%和14%，根據(jù)初步房屋損耗計算發(fā)現(xiàn)能耗較大，預計光伏設計的成本較高，與實際情況有一定差距。此外，針對農(nóng)村房屋保溫性能較差的特點發(fā)現(xiàn)，墻體和地面的熱量損失為房屋主要能量損失?，F(xiàn)對房屋取暖面積和墻體及窗戶結構進行優(yōu)化，得出相對合理經(jīng)濟的光伏設計方案[4]。

圖2 圍護結構的熱損失占房間總熱量損失的百分比

1.4.1 墻體的優(yōu)化

表2 為市場常見外墻保溫材料的傳熱系數(shù)。

表2 常見外墻保溫材料的傳熱系數(shù)

通過對幾種外墻保溫材料的傳熱系數(shù)及經(jīng)濟成本比較，本文選擇擠塑聚苯板(XPS)作為優(yōu)化的外墻保溫材料。擠塑聚苯板(XPS)價格低廉、隔熱性能好，廣泛用于墻體保溫中，其導熱系數(shù)不超過 0.028 W/(m2·K)。

1.4.2 窗戶的優(yōu)化

根據(jù)當?shù)剞r(nóng)村的經(jīng)濟狀況，在不更換現(xiàn)有窗戶材料結構的前提下，在現(xiàn)有玻璃窗內(nèi)表面貼一層30 μm厚的聚酯膜，有資料表明，這樣可使窗戶的熱損失減少60%。

1.4.3 屋頂?shù)膬?yōu)化

木屋頂可在吊頂上鋪設保溫材料，如鋪設摻加了石灰粉的麥稈(要保證吊頂能夠承受保溫材料的荷載要求)。

1.4.4 優(yōu)化后的熱量損失

優(yōu)化后房屋總熱量損失為：201.6+1439.4+253.49+1459.38+1123.2-100×3=4177.07 W。在經(jīng)過實際優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)房屋熱量損耗減少了44.5%，效果明顯且節(jié)約成本。

表3 優(yōu)化后建筑圍護結構參數(shù)

1.5 太陽能光伏設計

1.5.1 平均峰值日照時數(shù)

由表4可知，北京地區(qū)的最佳傾角為42°，在最佳傾角下(最佳傾角是指在這個角度下太陽電池組件各月、各季所接受到的日平均輻射量最大)，平均峰值日照時數(shù)(組件表面)Tm為5.28 h。由于北京農(nóng)村房屋多為斜面，傾角一般在15°～30°，太陽電池板需根據(jù)實際房屋傾角來鋪設，本文取傾角20°，由表4數(shù)據(jù)可知，平均峰值日照時數(shù)為5 h[5]。

1.5.2 蓄電池容量的確定

北京地區(qū)農(nóng)村在無市電補充情況下，每戶每天最多用蓄電池供電時間為6 h，北京地區(qū)連續(xù)陰天定為3天，系數(shù)為1.2，所以

式中，W為負載功率，取4177.07 W；h為蓄電池最多供電時間；U為系統(tǒng)電壓，取48 V。代入式(1)得：

表4 北京全年輻照量數(shù)據(jù)表

查太陽蓄電池型號數(shù)據(jù)可得：選擇2 V的CN-3000型號蓄電池，電路中需串聯(lián)24個。1.5.3 太陽電池板型號的確定

式中，T為峰值日照時間；K為綜合系數(shù)，K=K1×K2×…×K7，其中，K1為環(huán)境溫度系數(shù)，為0.9325，K2為污染損失系數(shù)，為0.96，K3為最大功率損耗系數(shù)，為0.94，K4為太陽電池板串并聯(lián)損耗系數(shù)，為0.95，K5為直流線損系數(shù)，為0.97，K6為系統(tǒng)中有整流、逆變系數(shù)，為0.85，K7為電池損失系數(shù)，為0.7。根據(jù)北京地區(qū)日照氣象數(shù)據(jù)可知，北京地區(qū)的峰值日照時間為5.0，h=6，負載功率為4177.07 W，代入式(3)得式(4)[2]：

查普通電池板規(guī)格型號表，可選擇150(17)P1470×680×25型號的太陽電池板，峰值功率為150 W，峰值電壓為18.5 V；每排串聯(lián)4個，并聯(lián)21排。光伏初始設計時，按照無外加市電供應的最大負載計算，可滿足其他特殊情況，保證蓄電池和太陽電池板提供足夠的容量為負載供電。根據(jù)農(nóng)村房屋模型屋頂尺寸，將太陽電池板鋪設在朝南方向的屋頂斜面上，最多放置52塊太陽電池板，每排串聯(lián)4個，并聯(lián)13排，屋頂總裝機容量7.65 kW。剩余容量可利用其他方式補充[6]。

2 光伏利用規(guī)劃

由于研究體系是針對北京市冬季農(nóng)村房屋能耗損失，計算的所有能耗損失將由太陽能發(fā)電補充，優(yōu)先用于解決居民冬季的供暖設備損耗，不考慮用于其他非供暖設備。本文根據(jù)北京地區(qū)太陽能發(fā)電量規(guī)劃幾種方案，同時利用合理控制器，采取適當?shù)氖须娧a充，連接負載供熱設備，達到居民屋內(nèi)適宜溫度18 ℃。依據(jù)北京地區(qū)峰谷電價數(shù)據(jù)，將方案進行經(jīng)濟比較并計算回收期，得出較合理的實際可行方案。

2.1 光伏設計方案

2.1.1 方案1

當太陽電池工作時，將發(fā)出的直流電儲存在蓄電池里。當居民需要供暖時，利用控制器將蓄電池的直流電通過逆變器轉化為220 V交流電，連接正常家用供暖設備給屋內(nèi)供暖，組成一個小型家用太陽能離網(wǎng)系統(tǒng)[7]；同時，控制器連接220 V市電作為補充電源。電暖氣作為供暖的主要電氣設備，環(huán)保清潔、成本較低，被廣泛使用。據(jù)北京市地區(qū)居民電價情況調(diào)查可知，電價按峰谷時段劃分，峰段時間為 10：00～15：00、18：00～21：00，谷段時間為 23：00～07：00，其余時間為平段時間。其中，峰段電價1.1855元/kWh，谷段電價0.2833元/ kWh，可見在谷段用電較為經(jīng)濟，且節(jié)約能源。為了更好地利用電力資源和追求最大經(jīng)濟效益，根據(jù)北京地區(qū)實際電價情況規(guī)劃出如下方案，根據(jù)時間可分為3個階段。

1)第1階段：據(jù)調(diào)查北京地區(qū)冬季平均每天的日照時間約在07：00，日落時間約在17：00，房間可利用光照輻射有效時間為10 h。這段白天時間居民房屋通過日照輻射熱量可基本保證室內(nèi)達到適宜溫度18 ℃以上，無須外加能量補充。此時，負載電熱器不工作，太陽電池板發(fā)出的直流電通過控制器直接給蓄電池充電(控制器有過充、過放保護)，不給負載供電。系統(tǒng)基本原理圖如圖3所示。

圖3 第一階段系統(tǒng)原理圖

2)第2階段：根據(jù)北京市農(nóng)村居民生活習慣，夜晚負載電熱器使用時間為17：00到第二天07：00。其中，17：00～23：00 是用電高峰期，電價實行峰值電價，使用市電直接供給負載，電費較高且不經(jīng)濟。為了減少電費成本，合理利用電力資源，可利用控制器停止市電直接給負載電熱器供電，同時將蓄電池的電經(jīng)過逆變器轉化為220 V給負載供電。設計容量合適的蓄電池在白天日照時充電，夜里放電給負載電熱器，可滿足足夠的負載電力需求。系統(tǒng)基本原理圖如圖4所示。

圖4 第二階段系統(tǒng)原理圖

3)第3階段：根據(jù)北京地區(qū)峰谷時段電價可知，夜晚23：00到第二天07：00為用電低谷期，實行谷時電價，此時利用市電給負載電熱器供電較為劃算。首先，控制器停止蓄電池給負載供電，然后，連接市電直接給負載電熱器供電；最后，電熱器工作時，控制器設定固定溫度范圍，高于范圍電熱器自動斷電，并且用市電給蓄電池充電，等到室內(nèi)溫度降到固定溫度范圍以下時，市電停止給蓄電池充電，直接給電熱器供電，電熱器重新工作。這種控制方案既可提高利用率，又可節(jié)省成本。系統(tǒng)基本原理圖如圖5所示。

圖5 第三階段系統(tǒng)原理圖

2.1.2 方案2

根據(jù)北京農(nóng)村地區(qū)調(diào)查，居民用電量很小，每天約為5 kWh，太陽能發(fā)出的電大部分存在蓄電池里。相對來說冬天取暖較為費電，而夏天會造成能源浪費。在當?shù)毓╇姽驹试S下，實行并網(wǎng)發(fā)電，如圖6所示。

圖6 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)圖

并網(wǎng)發(fā)電的方式有兩種。第一種為“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”，即自發(fā)自用的光伏電量不做交易，國家按照自用電量給與補貼，富余上網(wǎng)電量除了電網(wǎng)企業(yè)支付的脫硫燃煤火電機組上網(wǎng)標桿電價外，也享受國家的度電補貼。這種家庭分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)配有雙向計量電表，可清楚查出發(fā)電并網(wǎng)電量和用戶正常用電量。第二種方式是“全額上網(wǎng)”，即太陽電池板發(fā)出所有電量全部并網(wǎng)售電。2014年國家能源局發(fā)布《進一步落實分布式光伏發(fā)電有關政策通知》，北京地區(qū)屬于太陽能資源分區(qū)Ⅱ類資源區(qū)，享受標桿上網(wǎng)電價0.95元/kWh的補貼。

2.2 經(jīng)濟分析比較

方案1是離網(wǎng)與市電相結合的系統(tǒng)，系統(tǒng)部件含太陽電池板、蓄電池、控制逆變一體機等。房屋圍護結構優(yōu)化前，需太陽電池板的總功率約為20 kW，根據(jù)現(xiàn)在市場上家庭光伏離網(wǎng)系統(tǒng)計算，優(yōu)化前的前期投入較大，對于農(nóng)村居民現(xiàn)有的經(jīng)濟條件來說不可行。對房屋圍護結構進行優(yōu)化后，同時依據(jù)實際可利用面積使太陽電池板的總功率降為7.65 kW，建筑圍護結構的節(jié)能改造費用為3000元，總費用約在13萬。根據(jù)北京農(nóng)村居民每天用電情況，蓄電池放電供負載電熱器使用，每天工作時間為6 h，這段時間正處于峰段時間，按電價1.1855元/kWh計算，每年可節(jié)省電費2596元。

方案2是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)部件含太陽電池板、逆變器等。已知最大可利用光伏裝機容量為7.65 kW，根據(jù)現(xiàn)在市場上成套家庭光伏并網(wǎng)系統(tǒng)8元/W計算，建設成本約為6萬。根據(jù)最新光伏上網(wǎng)電價政策規(guī)定，北京地區(qū)享受標桿上網(wǎng)電價0.95元/kWh補貼，居民每天光伏發(fā)電量約為30.6 kW，并網(wǎng)售電每年可得利潤收入10610元。

表5 經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述經(jīng)濟性分析，方案1適合于電力不便傳輸?shù)钠h山區(qū)，獨立性和靈活性較強，但由于有儲能設備蓄電池，造成系統(tǒng)成本較大，需要在政府和當?shù)赜嘘P部門給予財政補貼的情況下，才可能在大多數(shù)農(nóng)村居民中實施運行。方案2依托當?shù)仉娋W(wǎng)，農(nóng)村居民不僅可自發(fā)自用解決供暖問題，也可并網(wǎng)售電。此方案系統(tǒng)成本較低且回收期較短，居民在成本回收期過后，還可得到一部分可觀收益，更有利于北京農(nóng)村地區(qū)推廣和實行。如果政府給予每戶3萬元光伏采暖補貼，每戶投入僅需2.8年就可收回投資。在余下的22年壽命期內(nèi)每戶可取得近20萬元收益。光伏不僅可解決北京地區(qū)農(nóng)村住宅的采暖問題，減少霧霾，而且可讓農(nóng)村扶貧致富。同時通過分布式農(nóng)村住宅光伏發(fā)電推廣，提高了房屋的屋頂利用率，還起到農(nóng)村住宅節(jié)能降耗的作用，不僅減少電力系統(tǒng)對農(nóng)村輸送電力引起的損耗，而且具有一定的社會意義和連帶的經(jīng)濟效益。

3 結語

傳統(tǒng)的北京農(nóng)村居民冬季使用燃燒秸稈和煤炭來供暖，不但利用率不高，而且排出的氣體容易造成污染。根據(jù)北京地區(qū)農(nóng)村房屋的特點設計光伏系統(tǒng)解決冬季熱量損失的問題，通過對房屋墻體、門窗等不斷優(yōu)化，盡可能減少經(jīng)濟成本，節(jié)能減排。根據(jù)實際情況和能耗損失，結合北京地區(qū)電價的特點，設計出兩套方式不同的解決方案，為解決北京農(nóng)村冬季供暖問題提供更新穎的設計思路。希望方案的初步設計和經(jīng)濟分析有利于在北京市農(nóng)村地區(qū)更好地推廣實施，為解決北京地區(qū)的霧霾等空氣污染問題做出貢獻。

[1] 周春艷， 周春濤. 嚴寒地區(qū)農(nóng)村住宅在應用被動式太陽能技術上的優(yōu)勢[J]. 吉林建筑工程學院學報， 2005， 22(4)：35－38.

[2] 蔡偉， 解國珍， 閆樹龍， 等. 新農(nóng)村建設中太陽能采暖技術的應用 [J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學 ， 2007， 35(34)： 11177 － 11178.

[3] 宋海宏. 寒區(qū)農(nóng)村人居環(huán)境生態(tài)問題分析及探索[J]. 低溫建筑技術 ， 2006， (1)： 28 － 30.

[4] 趙續(xù)民. 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能的途徑[J]. 山西建筑，2004， 30(9)： 10 － 11.

[5] DB21/T 1792/2010， 太陽能光伏與建筑一體化技術規(guī)程[S].

[6] DB21/T 1685/2008， 太陽能光伏照明技術規(guī)程[S].

[7] 鄒積慶， 汪艷君. 太陽能在采暖系統(tǒng)中的應用分析[J]. 中國科技信息 ， 2005， (13)： 102.