郭燕容張利華朱科

1中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司

2山東建筑大學熱能工程學院

目前，北方村鎮(zhèn)地區(qū)供暖方式主要以燃煤爐、土暖氣等為主，大量散煤的燃燒使室內(nèi)外空氣質(zhì)量惡化[1-2]，越來越多的燃氣供暖也帶來了安全隱患。隨著環(huán)境壓力的突出和對民生問題的重視，北方各省陸續(xù)出臺了一系列農(nóng)村供暖政策[3-5]。北方農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，生物質(zhì)能和電能次之[6]。生物質(zhì)能來源范圍廣、價格低廉，燃燒時產(chǎn)生污染氣體、熱值小，不宜直接作為供熱的能源。電能覆蓋廣、夜間低谷時電價便宜，適合作為農(nóng)村供熱的能源。由于對生活熱水的需求，太陽能熱利用在山東村鎮(zhèn)十分普遍，太陽能集熱器的普及率已達85%[7]。因此，電能復合太陽能系統(tǒng)用于北方農(nóng)村供熱，因地制宜，能夠充分利用既有資源。分析計算電能復合太陽能供熱系統(tǒng)具有理論意義和較大的應用價值。

1 供熱系統(tǒng)熱負荷分析

圖1 電能復合太陽能供熱系統(tǒng)圖

電能復合太陽能供熱系統(tǒng)如圖1所示。1-太陽能集熱器；2-太陽能集熱器側(cè)循環(huán)水泵；3、4、7、8 -三通閥；5-生活熱水水箱；6-電能復合熱源；9-供暖側(cè)循環(huán)泵；1 0-供暖末端。

1.1 太陽能承擔負荷計算

以濟南地區(qū)某農(nóng)村120m2居住建筑為研究對象。根據(jù)農(nóng)村實際情況及生活習慣，以下分析采用的室內(nèi)供暖設計溫度、生活熱水用量標準等低于現(xiàn)行標準[8]。供暖室內(nèi)設計溫度取 16℃，采暖設計熱負荷指標按45 W/m2計算，得出供暖熱負荷為5.4 kW。農(nóng)村生活熱水用水額度取110 L/(人·周)，其中每人每周洗澡1次，用水40 L。每人每周其他生活用水70 L（低于相關規(guī)定）。以 3口之家為例，按每人每周洗澡一次，則每周生活熱水用水量為330 L。熱水用熱量Qw計算方法：

式中：Qw為生活熱水用熱量，kJ；C為水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，取 4.187 kJ/(kg·K)；ρ為水的密度，1 kg/L；n為每周用水量，L；th為生活熱水供水溫度，℃，取45℃；tc為自來水溫度，℃，取15℃。

經(jīng)計算：每周家用生活熱水用熱量為 41.5 MJ，生活熱水負荷折合為0.69 kW，遠小于采暖熱負荷，約為供暖負荷的 13%，占供熱負荷的11%。因此以供暖熱負荷作為計算太陽能供熱系統(tǒng)的依據(jù)。

文獻[8]給出太陽能集熱器面積的計算式為：

式中：AC為太陽能集熱器總面積，m2；QH為采暖熱負荷，W；f為太陽能保證率；JT為太陽能集熱器采光面上的平均日太陽輻照量，J/(m2·d)，濟南地區(qū)為 14.455× 106J/(m2·d)；ηcd為基于總面積的太陽能集熱器平均集熱效率，%，取40%；ηL為管路及蓄熱裝置熱損失率，%，取 20%。

取太陽能供暖保證率為 15%，此 時太陽能與電能供熱量如圖2所示。由式（2）計算得出太陽能集熱器面積約為15m2，貯熱水箱容積按每平方米太陽能集熱器面積50 L選取，則 貯熱水箱容積為756.5 L。

圖2 太陽能與電能供熱量比例

1.2 電能供熱負荷計算

設計采暖面積熱負荷指標為建筑物設計工況下的耗熱量指標，并不能真實反映建筑耗熱量隨室外溫度的變化情況。根據(jù)文獻[9]，計算供暖期折算設計熱負荷時間t：

式中：t為供暖期折算設計熱負荷時間，h；td為日供暖時間，h，取24 h；T為供暖期供暖時間，d，濟南取120 d；β為系數(shù)；b為修正系數(shù)；tn為供暖室內(nèi)設計溫度，℃，取 15℃；tpj為供暖期室外平均溫度，℃，取2.1℃；tw為供暖室外計算溫度，℃，濟南地區(qū)為-5.3℃。

計算得出供暖期折算設計熱負荷時間為 1621 h。相當于采暖期平均耗熱量為25.3 W/m2（對應采暖期為2880 h）。以下對于各種電能復合熱源形式均按其承擔的實際熱負荷 4.59 kW, 供暖期折算設計熱負荷時間1621 h計算供暖期耗電量。

2 經(jīng)濟技術分析

2.1 電能直接利用復合太陽能供熱系統(tǒng)

如上所述：太陽能生活熱水系統(tǒng)集熱器面積15m2，初投資約7565元。實際供暖期折算設計熱負荷時間為1621 h。采用電加熱熱水時，圖1中6電能復合熱源的形式為蓄熱水箱（含電加熱器）。供熱系統(tǒng)主要由太陽能熱水系統(tǒng)，蓄熱水箱（含電加熱器）和室內(nèi)供暖末端等組成。白天根據(jù)需要開啟電加熱器，夜間低谷電時，電能加熱蓄熱水箱蓄熱同時進行室內(nèi)供熱，蓄熱量為建筑耗熱量與太陽能集熱器集熱量的差值。

蓄熱水箱容積的計算式[10]為：

式中：V為蓄熱水箱容積，m3；Qu(τ)為建筑熱負荷，kW；Qj(τ)為太陽能集熱量，kW；ρ為 水的密度，kg/m3，取1000 kg/m3；c為水的比熱容，kJ/(kg·K)，4.187 kJ/(kg·K)；Ts為水箱平均溫度，℃，取75℃；T1為采暖系統(tǒng)供水溫度，℃，取 45℃。

選取典型日的建筑熱負荷和太陽能集熱量的日變化量如圖3所示。

圖3 建筑熱負荷和太陽能集熱量的日變化曲線

根據(jù)圖3 擬合的建筑熱負荷和太陽能供熱量曲線表達式，得出電能蓄熱量及蓄熱水箱，其容積約為2m3，初投資約為2370元。電加熱熱水復合太陽能供熱系統(tǒng)的運行費用主要為電加熱器用電量。電加熱器的加熱效率取 0.95，電價取 0.3 元/kW ·h（部分低谷電），經(jīng)計算電加熱熱水復合太陽能供熱系統(tǒng)的電費為2626元/年，折合21.88元 /m2。電能直接利用另一種常見方式為電熱膜。按現(xiàn)行價格電熱膜單價約為1.5元/W。電熱膜復合太陽能供熱系統(tǒng)的運行費用為電熱膜耗電的電費。電熱膜的綜合熱效率取 0.98，電價取0.5元 /kW ·h，經(jīng)計算電熱膜復合太陽能供熱系統(tǒng)的電費為3796元/年，折合31.63元/m2。

兩種電能直接利用復合太陽能供熱系統(tǒng)的初投資及其運行費用見表1。

表1 電直接利用復合太陽能供熱系統(tǒng)初投資

2.2 空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)

空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)，主要由太陽能熱水系統(tǒng)（包括集熱器、蓄熱水箱等）、空氣源熱泵機組、循環(huán)泵等組成。太陽能集熱器出水溫度低于 45℃時，向生活熱水水箱蓄熱。大于45℃時用于室內(nèi)供暖。其他情況開啟空氣源熱泵進行室內(nèi)供暖，空氣源熱泵承擔室內(nèi) 4.59 kW熱負荷。選取制熱能力為 5 kW的某品牌空氣源熱水型熱泵。熱風型空氣源熱泵直接冷凝加熱室內(nèi)空氣（制冷劑系統(tǒng)），不設蓄熱水箱。該系統(tǒng)運行費用主要是熱泵的電費?？諝庠礋岜脽崴畽C組的制熱性能系數(shù)比空氣源熱風型熱泵的要小一些，前者多了一個水—制冷劑換熱環(huán)節(jié)，因此前者取 3，后者取3.5。計算中電價取0.5元/kW ·h。該系統(tǒng)的初投資與運行費用見表2。

表2 空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)初投資與運行費用

2.3 地源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)

地源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)，主要由太陽能熱水系統(tǒng)（包括集熱器、蓄熱水箱等），地源熱泵機組，地埋管換熱器和循環(huán)泵等組成。運行方式與空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)基本一致。除地埋管換熱器鉆孔造價外，地源熱泵機組與空氣源熱泵熱水機組造價基本相同。

地埋管換熱器與土壤間的換熱量計算式為[11]：

式中：Qex為地埋管換熱器與土壤間的換熱量，kW；Qd為地源熱泵機組額定制熱功率，kW，取 5 kW；ICOP,G為地源熱泵機組制熱性能系數(shù)，取 3.8。

表3 地源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)初投資與運行費用

將已知參數(shù)代入式（4）得出地埋管換熱器與土壤間的換熱量為3.68 kW，取豎直單U 型地埋管換熱器單位深度鉆孔換熱量為37 W/m[12]，則所需鉆孔深度約為100 m。鉆孔初投資約為7500元（每米鉆孔按75元/m計）。其它同2.2。地源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)的初投資及運行費用見表3。

2.4 電能復合太陽能供熱系統(tǒng)技術分析

電直接利用，空氣源熱泵與地源熱泵等 3種復合太陽能“煤改電”供熱方式，各有利弊。詳見表4。

表4 電能復合太陽能供熱不同系統(tǒng)技術比較

3 經(jīng)濟性評價

資金具有時間價值，在不同的時間段體現(xiàn)出不同的作用[13]。對于某項具體的工程來說，一次性投資可能是非常龐大的數(shù)字。但隨著項目的運行，在使用期內(nèi)的平均費用才具有參考價值。根據(jù)資金復利法的思想，本文將設備造價按照投資回收系數(shù)折算，與一個采暖期的運行費用相加得到“費用年值”，以“費用年值”最低的方案為最經(jīng)濟的供熱方案，“費用年值”的計算式為：

式中：Z為費用年值，元；K為初投資，元；C為供暖期運行費用，元；i為利率，%，取目前利率3.0%；n為使用年限，年 。

費用年值與使用年限的變化關系如圖4 所示，6種復合熱源供暖方案的費用年值隨著使用年限的增加而減少，空氣源熱泵的費用年值最低。目前年利率（3.0%）下，使用年限小于 7年時，熱風型空氣源熱泵比熱水型空氣源熱泵有更少的費用年值。在設備的使用壽命周期（15年）內(nèi)，熱水型空氣源熱泵經(jīng)濟性更好。電能直接利用的兩者方式由于綜合熱利用率均小于1，使采暖期內(nèi)運行費用增大，經(jīng)濟性較差。同時注意到，地源熱泵的費用年值的斜率最大，對使用年限的變化更敏感，隨著使用年限的增加地源熱泵將體現(xiàn)更好的經(jīng)濟性。

圖4 費用年值與使用年限的變化關系

4 集熱面積比的選擇

以上分析可知，空氣源熱泵作為復合電能的太陽能供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性較其他方式好，使用年限小于7年時，熱風型空氣源熱泵經(jīng)濟性更優(yōu)。設備使用壽命15年內(nèi)，熱水型空氣源熱泵是最好的選擇。費用年值由設備造價和運行費用構(gòu)成，不同面積的太陽能集熱器承擔的太陽能熱負荷不同，設備造價不同，復合電能承擔的熱負荷也不同，運行費用不同，最終影響采暖期的費用年值。為找出不同的集熱面積比（太陽能集熱器面積與建筑面積的比值）對整個空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)的影響規(guī)律，考慮農(nóng)村經(jīng)濟實際水平，在使用期限為7年和15年時，計算了集熱面積比為5%，7%，10%，13%和16%時的費用年值。

圖5 費用年值隨集熱面積比的變化規(guī)律（熱風型空氣源熱泵，7年）

圖6 費用年值隨集熱面積比的變化規(guī)律（熱水型空氣源熱泵，15年）

熱風型空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)費用年值隨集熱面積比的變化規(guī)律如圖5所示，隨著集熱面積比的增加，費用年值先減小后增大，在集熱面積比為7%時達到最小值2462.46元。使用年限為7年時，當集熱面積比大于7%，太陽能熱水系統(tǒng)的設備造價增加幅度大于運行費用可以節(jié)省的經(jīng)濟投入，費用年值開始增加。熱水型空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)費用年值隨集熱面積比的變化規(guī)律如圖6所示，隨著集熱面積比的增加，費用年值先減小后增大，在集熱面積比為10%時達到最小值1733元。使用年限為15年時，當集熱面積比大于10%，太陽能熱水系統(tǒng)的設備造價增加幅度大于運行費用可以節(jié)省的經(jīng)濟投入，費用年值開始增加。兩種空氣源熱泵在費用年值取得最小值時對應的集熱面積比不同，可能原因：一是使用年限越長，設備造價的折算系數(shù)越大，使費用年值越小。二是熱水型空氣源熱泵由于使用蓄熱水箱的原因，可以最大程度使用低谷電，采暖期的平均電價較熱風型空氣源熱泵小?；谝陨显颍沟脽崴涂諝庠礋岜觅M用年值取得最小值時的集熱面積比比熱風型空氣源熱泵大。

5 結(jié)語

在充分利用北方農(nóng)村現(xiàn)有供熱資源的條件下，本文探究了電能復合太陽能供熱系統(tǒng)中復合電能的利用形式，提出了電能直接利用（電加熱熱水和電熱膜），空氣源熱泵（熱水型和熱風型）和地源熱泵（熱水型和熱風型）6種可能的供熱方案。計算了6種形式電能復合太陽能供熱方案的設備造價，運行費用和預期使用年限下的費用年值。給出不同集熱面積比的選擇方案，得出以下結(jié)論。

1）本文計算條件下，空氣源熱泵作為復合電能利用的形式是太陽能供熱系統(tǒng)最經(jīng)濟的利用形式。隨著使用年限的增加，地源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)將體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟性。

2）預期使用年限小于7年時，熱風型空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性較好，推薦集熱面積比為7%，最少費用年值為2462.5元。預期使用年限在15年時，熱水型空氣源熱泵復合太陽能供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性較好，推薦集熱面積比為10%，最少費用年值為1733.2元。

[1]狄曉艷,李素清,武冬梅.山西煤炭資源開發(fā)生態(tài)補償?shù)默F(xiàn)狀與對策研究[J].太原師范學院學報(社會科學版),2015,14(6):46-49.

[2]別凡.“好煤+好爐”:當前治理農(nóng)村散煤的有效途徑[N].中國能源報,2016.08.01(015).

[3]李程萌,李持佳,閆一瑩,等.北京農(nóng)村住宅清潔能源供暖方案經(jīng)濟性分析[J].煤氣與熱力,2017,37(1):19-23.

[4]高立偉,劉聯(lián)勝,王冬計,等.基于秸稈壓塊的“互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)域性分戶供暖”模式研究[J].可再生能源,2017,35(6):824-832.

[5]趙建博,石穎.北方某縣城農(nóng)村地區(qū)清潔采暖研究與應用[J].建筑熱能通風空調(diào),2017,36(9):74-77.

[6]叢宏斌,趙立欣,王久臣,等.中國農(nóng)村能源生產(chǎn)消費現(xiàn)狀與發(fā)展需求分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2017,33(17):224-231.

[7]魯聞君,解萬玉,蔣賽百,等.太陽能技術在山東農(nóng)村住宅中的應用及展望[J].安裝,2014,(2):54-56.

[8]建筑給水排水設計規(guī)范GB 50015-2003(2009年版)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[9]王汝新,郭奇志.北京地區(qū)年采暖供熱負荷的快速計算[J].區(qū)域供熱,2006,(3):53-56.

[10]劉艷峰,王登甲.太陽能地面采暖系統(tǒng)蓄熱水箱容積分析[J].太陽能學報,2009,30(12):1636-1639

[11]李悅.土壤源熱泵系統(tǒng)的設計[J].煤氣與熱力,2007,27(2):51-53.

[12]馬最良,呂悅.地源熱泵系統(tǒng)設計與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[13]方利國.節(jié)能技術應用與評價[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.