龔志廣 楊建盛

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著人民生活水平的提升，對資源節(jié)約和環(huán)保問題的討論越來越關(guān)注.近些年集中供熱技術(shù)在城市里取得了快速擴大發(fā)展，但針對農(nóng)村住宅的系統(tǒng)性供暖技術(shù)仍不健全.計算機技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的相結(jié)合推動著經(jīng)濟社會的前進和發(fā)展.對于農(nóng)村住宅供暖系統(tǒng)來說，隨著技術(shù)的改進和節(jié)能減排的需求，傳統(tǒng)集中供暖日益受到排斥，新的按需供暖方式受到越來越多的追捧[1-2].隨著要倡導(dǎo)綠色低碳和節(jié)能減排的發(fā)展智慧城市，如何科學(xué)有效地使用供暖系統(tǒng)目前就成了農(nóng)村住宅在寒冷的冬季需迫切解決的難題[3-5].

目前在張家口地區(qū)，市區(qū)實現(xiàn)了集中供熱，鄉(xiāng)鎮(zhèn)一般采用供熱鍋爐作為主要采暖熱源，而農(nóng)村住宅一般采用燃煤火爐或小鍋爐及火炕等傳統(tǒng)措施進行采暖，設(shè)備落后、熱效率極低、環(huán)境污染嚴(yán)重.針對張家口壩上地區(qū)農(nóng)村住宅冬季供熱問題，將太陽能集熱器供熱結(jié)合風(fēng)力、光伏發(fā)電供熱組成聯(lián)合供熱系統(tǒng)，構(gòu)建“風(fēng)光發(fā)電+光熱”儲能聯(lián)合供熱控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，充分利用太陽能和風(fēng)能供熱，控制風(fēng)力光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能集熱器、電鍋爐、蓄電池組、蓄熱水箱和換熱給水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，解決風(fēng)能和太陽能輻射強度變化熱源不穩(wěn)定和建筑供暖需求連續(xù)穩(wěn)定之間的矛盾，滿足冬季村鎮(zhèn)住宅供熱系統(tǒng)的供暖需求.

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

1.1 聯(lián)合供熱系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合進行可再生能源發(fā)電，經(jīng)由蓄電池組儲存發(fā)來的電.由于可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，需結(jié)合市電輔助來對電鍋爐進行供電.電鍋爐供熱的同時配合著太陽能集熱器吸收太陽輻射能，來同時對各自內(nèi)部管道的水進行加熱，然后再通過蓄熱水箱和換熱給水來進行熱交換.系統(tǒng)框架如圖1所示：

圖1 風(fēng)光發(fā)電+光熱儲能聯(lián)合供熱系統(tǒng)框架

白天，太陽能集熱器和風(fēng)電+電鍋爐系統(tǒng)共同承擔(dān)供暖負荷[6].但是在晚上太陽能集熱器暫停工作，由風(fēng)電+電鍋爐和蓄熱水箱承擔(dān)供暖負荷，先由風(fēng)電+電鍋爐供熱，不足部分由蓄熱水箱補充.如遇連續(xù)陰雨天和無風(fēng)天氣，風(fēng)能和太陽能不足，由市電+電鍋爐作為輔助熱源補充供熱，為用戶提供生活熱水和采暖需求[7].夜間00：00-03：00負荷低谷時段，蓄熱水箱蓄熱不足，優(yōu)先用風(fēng)能蓄熱，不足由電鍋爐用市電為蓄熱水箱蓄熱.

1.2 風(fēng)光互補發(fā)電模型

由光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電供電部分機組配合蓄電池組發(fā)出直流電，經(jīng)由風(fēng)光互補控制器來調(diào)控輸送至逆變器轉(zhuǎn)換成所需的交流電，產(chǎn)生的交流電主體部分為居民供電，剩下的一部分送到電鍋爐去供暖，同時給蓄電池充電，多余電能并網(wǎng).風(fēng)力發(fā)電機組本身產(chǎn)生的是交流電，因此風(fēng)力發(fā)電供熱部分機組直接經(jīng)過AC-DC整流器和逆變器來對電鍋爐進行供電，風(fēng)光互補發(fā)電模型如圖2所示：

圖2 風(fēng)光互補發(fā)電模型圖

風(fēng)光互補發(fā)電優(yōu)先保證用戶供電、然后供暖，將供電、供暖后仍多余電能進行并網(wǎng).并且優(yōu)先利用風(fēng)能、太陽能供電、供暖，不足部分由市電補充.同時蓄熱水箱優(yōu)先利用風(fēng)能蓄熱，不足的部分將利用谷電補充.風(fēng)光互補發(fā)電主要滿足的是三個互補：①風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電互補；②風(fēng)能供暖與光熱供暖互補；③發(fā)電系統(tǒng)與供暖系統(tǒng)互補.

在春、夏、秋的非供暖季節(jié)，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，在為居民供電的同時給蓄電池充電，多余電能并網(wǎng).若遇到連續(xù)陰雨天、無風(fēng)，蓄電池儲能不足的情況，這時候就需要通過市電的輔助，以此來補充所需的電量.

1.3 供熱采暖工程設(shè)計

太陽能集熱器吸收太陽輻射能，以此來給集熱器內(nèi)部的水加熱，再通過換熱器進行熱交換，得到二次側(cè)水流為用戶供暖和供熱水.太陽能集熱器和風(fēng)電+電鍋爐系統(tǒng)承擔(dān)供暖負荷的同時向蓄熱水箱蓄熱，蓄熱結(jié)束后，太陽能集熱器和風(fēng)電+電鍋爐系統(tǒng)繼續(xù)承擔(dān)供暖負荷.夜間太陽能集熱器停止工作，由風(fēng)電+電鍋爐和蓄熱水箱承擔(dān)供暖負荷，先由風(fēng)電+電鍋爐供熱，不足部分由蓄熱水箱補充.

將熱交換后的熱水通過分水器送往各住戶對應(yīng)的房間管道中去進行供暖，之后熱水通過集水器送往循環(huán)泵中再經(jīng)由換熱器換熱.另外，還需要將一部分的自來水通過軟水器進行軟化，然后送入到補水箱中，以此來維持整個水循環(huán)中的水平衡.

在春、夏、秋的非供暖季節(jié)，太陽能集熱系統(tǒng)為用戶提供生活熱水，集熱不足由風(fēng)光發(fā)電/市電+電鍋爐補充，此時供暖系統(tǒng)停止工作.太陽能-電鍋爐-水蓄熱供熱采暖工程如圖3所示：

圖3 太陽能-電鍋爐-水蓄熱供熱采暖工程

在冬季供暖階段，根據(jù)時段，天氣情況，系統(tǒng)運行于不同的工作模式.區(qū)分白天和晚上有無日照的情況，以及當(dāng)日有無刮風(fēng)，或者是否連續(xù)下雨，下雨時有無刮風(fēng).具體分配如表1所示：

表1 不同天氣時段系統(tǒng)運行模式

1.4 分布式測控平臺

聯(lián)合供熱系統(tǒng)的測控點很多，小型系統(tǒng)多達十幾個，大型系統(tǒng)多達幾十個，屬于多變量、大慣性滯后復(fù)雜控制系統(tǒng).為控制協(xié)調(diào)太陽能集熱系統(tǒng)(光一熱轉(zhuǎn)換)、風(fēng)力光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)(風(fēng)力發(fā)電/光伏發(fā)電+電鍋爐)和儲能系統(tǒng)(蓄電池電儲能+水/相變儲能)三大子系統(tǒng)，適應(yīng)風(fēng)能和太陽能輻射強度動態(tài)變化，滿足冬季村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)溫度供暖需求，設(shè)計出分布式測控網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合供熱控制系統(tǒng)，如圖4所示：

圖4 分布式測控網(wǎng)絡(luò)平臺框架

該架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)方式.主要分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.由傳感檢測網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、光纖/以太網(wǎng)/WiFi/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心四部分組成，上層為光纖/以太網(wǎng)/WiFi/GPRS主干網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離無線傳輸；下層為現(xiàn)場總線/Zigbee傳感檢測二級子網(wǎng)，由傳感檢測節(jié)點和執(zhí)行機構(gòu)節(jié)點構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)采集、控制命令的執(zhí)行.網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接現(xiàn)場總線/Zigbee傳感檢測網(wǎng)絡(luò)與光纖/以太網(wǎng)/WiFi/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換.網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收傳感節(jié)點溫度、流量、壓力等信號并控制執(zhí)行機構(gòu)節(jié)點協(xié)調(diào)工作，并把系統(tǒng)各部分工作狀態(tài)信息通過光纖/以太網(wǎng)/WiFi/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機監(jiān)控終端，實現(xiàn)儲能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的全程在線監(jiān)控.

2 系統(tǒng)各部分設(shè)備計算及選型

本文選取張家口壩上地區(qū)某農(nóng)村50戶居民為例，每戶居民4間平房，15m2/間，每戶總面積為60m2，該村總供熱面積A=60m2*50戶=3000m2.一次側(cè)供回水溫度90/60℃，二次側(cè)供回水溫度50/40℃.供熱部分熱負荷計算和風(fēng)力光伏發(fā)電部分的供電負荷計算及設(shè)備選型如表2和表3所示.

其中各部分熱負荷設(shè)計如下：

(1)集熱器按熱負荷(供暖+供熱水)的75%設(shè)計，即：光熱供能=75%供熱負荷.

(2)電鍋爐按熱負荷(供暖+供熱水)的100%設(shè)計.

(3)蓄熱水箱按熱負荷(供暖+供熱水)的100%設(shè)計.

這里將供暖熱負荷指標(biāo)取120W/m2，那么總的供暖熱負荷就為(120*3000)/1000=360kW.而生活熱水負荷方面，選取每戶人家3口人，50戶共150人，那么生活熱水負荷就為4.187*6.18*150*120/24*[(55-5)]/3600=269.538125kW.最終總供熱負荷=總供暖熱負荷+總生活熱水負荷=629.538125kW.

發(fā)電系統(tǒng)供電負荷總體設(shè)計如下：

(1)①風(fēng)光互補發(fā)電：按供電負荷(農(nóng)戶用電+供熱系統(tǒng)水泵用電)100%設(shè)計；

②風(fēng)力發(fā)電供暖：按供熱負荷75%設(shè)計.

(2)蓄電池組按供電負荷100%設(shè)計.

(3)風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電容量配比綜合考慮①地區(qū)風(fēng)能資源與光能資源；②風(fēng)力發(fā)電成本與光伏發(fā)電成本.容量配比如下：風(fēng)力發(fā)電=供電負荷75%+供熱負荷75%，光伏發(fā)電=供電負荷75%(不參與供熱，只供電).

風(fēng)光互補發(fā)電供農(nóng)戶用電和供熱系統(tǒng)水泵等電器用電，這里選取農(nóng)戶用電為6kW/戶，預(yù)留25kW供熱站用電(包括兩臺循環(huán)泵和兩臺補水泵共12.5kW)，那么風(fēng)光互補發(fā)電的供電負荷為6*50+25=325kW.而風(fēng)力發(fā)電供電分的供電負荷按照風(fēng)光互補發(fā)電供電負荷的75%設(shè)計，即325kW*75%=243.75kW.

表2 供熱部分供熱負荷及設(shè)備選型

3 結(jié) 論

風(fēng)光互補農(nóng)村住宅聯(lián)合供熱系統(tǒng)，主要是為了解決張家口壩上地區(qū)農(nóng)村住宅冬季供熱的問題.在我國北方地區(qū)，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)，有廣闊的推廣應(yīng)用前景.系統(tǒng)采用“風(fēng)光發(fā)電+光熱”儲能聯(lián)合供熱，除了太陽能集熱功能，還增加了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電功能.不僅解決了農(nóng)村住宅的供熱問題，同時還解決了農(nóng)戶們供熱水和供電的問題.以此來助力綠色宜居村鎮(zhèn)建設(shè)，減少大氣污染，緩解氣候變化，改善農(nóng)村生活條件和環(huán)境，提高農(nóng)民的生活質(zhì)量[8].可以預(yù)測它的應(yīng)用范圍將更廣，尤其在我國北方農(nóng)村地區(qū)勢必得到大規(guī)模應(yīng)用.