張 晗，王春青，康佳瑩，柳孟光

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林鼎坤工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 吉林 132013）

0 引言

隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，低碳轉(zhuǎn)型已成為各行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，高能耗、高排放的建筑供暖領(lǐng)域的減碳亟待提速。當(dāng)前，嚴(yán)寒地區(qū)既有供暖形式仍主要依賴煤炭等化石能源，化石能源的大量燃燒是造成碳排放過高的主要原因。近些年，雖然國家和地方陸續(xù)出臺了包括煤改電、煤改氣等一系列清潔供暖政策來解決因供暖所帶來的環(huán)境問題，但由于農(nóng)村燃?xì)夤┙o困難、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，且電力及燃?xì)夤┡M(fèi)用較高，使得煤改電、煤改氣在農(nóng)村家庭中的推廣應(yīng)用仍面臨著阻礙[1]。因此，探索適用于嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村家庭的清潔取暖方式具有十分重要的意義。

光伏供暖是一種將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并用于和市電聯(lián)合驅(qū)動電采暖系統(tǒng)供暖的清潔供暖技術(shù)，與單一電采暖方式相比，可有效減少采暖常規(guī)能源消耗、緩解電網(wǎng)壓力[2]。同時，光伏供暖還能充分利用農(nóng)村住宅的閑置屋頂資源，獲得額外售電收益和政策補(bǔ)貼，具有改造施工容易、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然而，太陽能光伏發(fā)電受晝夜和季候的影響，無法持續(xù)提供電能，單獨(dú)的電采暖系統(tǒng)由于不具有蓄熱功能，仍需電網(wǎng)提供大量電力作為補(bǔ)充以滿足全天供暖，這也使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性大打折扣。而應(yīng)用相變蓄熱技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺陷，通過相變蓄熱技術(shù)與電采暖技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，利用相變材料的蓄熱特性縮短電采暖的持續(xù)用電供暖時間，從而可有效地減少采暖耗電量，提高綜合效益[3]?；谏鲜鏊悸罚疚奶岢隽艘环N光伏+相變蓄熱電采暖的供暖方式，并從多方面驗(yàn)證了該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村供暖的可行性。

1 光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)的構(gòu)建

光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)主要由分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與相變儲能電熱地板系統(tǒng)組成，其運(yùn)行原理是光伏組件利用光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)逆變器完成直流—交流電的轉(zhuǎn)換后，為相變儲能電熱地板系統(tǒng)提供所需的電能，相變儲能電熱地板再通過相變材料的相變過程將供電時產(chǎn)生的熱量儲存為相變潛熱，當(dāng)晚上無日照時，相變材料將儲存的熱量緩慢釋放出來，滿足夜間供暖需求。由于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)沒有配備蓄電池，所以當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)陰雨天或白天光照不足時可直接由電網(wǎng)補(bǔ)充電量，非供暖季的光伏發(fā)電量則按照光伏電價標(biāo)桿上網(wǎng)（見圖 1）。

圖1 光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)供暖流程

2 光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.1 建筑案例概況

本文以長春地區(qū)某110m2農(nóng)村住宅為研究對象。該農(nóng)宅長11m，寬10m，建筑層高3.4m，屋頂形式為平屋頂。利用DeST-H住宅能耗分析軟件對該建筑進(jìn)行逐時熱負(fù)荷模擬以獲取后續(xù)設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，供暖時間設(shè)置為10月20日至次年4月6日，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)置，不考慮夏季冷負(fù)荷，最后計(jì)算出該住宅全年累計(jì)熱負(fù)荷為9 497.8kW，平均日累計(jì)負(fù)荷為56.2kW，最大負(fù)荷出現(xiàn)在330時為7.24kW，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 全年逐時采暖負(fù)荷

2.2 相變儲能電熱地板系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

基于熱負(fù)荷模擬結(jié)果，對相變儲能電熱地板系統(tǒng)安裝面積進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。其中，系統(tǒng)中所選用的相變儲能地板模塊的尺寸為800mm×800mm×60mm，所選用的相變材料為石蠟微膠囊、鋁顆粒、水泥砂漿復(fù)合相變材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上至下分別為30mm相變材料層、230W碳纖維發(fā)熱電纜、反射層和30mm保溫層。該模塊供電蓄熱8h后的放熱時間可達(dá)10h以上，可以使采暖在斷電期間進(jìn)行[4]。

根據(jù)建筑熱負(fù)荷模擬結(jié)果，引用公式（1）對相變蓄熱地板模塊所需的實(shí)際安裝面積進(jìn)行計(jì)算，具體表達(dá)式如下：

式中：Qout表示采暖房間一天內(nèi)的熱負(fù)荷，Qout=20.2×107J；Qpcm表示單位面積蓄熱模塊的日散熱量，其散熱量等同于發(fā)熱電纜的散熱量，則模塊蓄熱8h期間的散熱量為Qpcm=6.62×106J；考慮到會存在熱累積效應(yīng)等問題，面積系數(shù)a取1.1。

經(jīng)計(jì)算，相變蓄熱電采暖系統(tǒng)的實(shí)際安裝面積為33.71m2，相變儲能地板模塊所需數(shù)量為52塊，基于實(shí)際安裝面積，一共需要22根230W碳纖維發(fā)熱電纜（每根可鋪設(shè)1.5m2）。

2.3 光伏系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)組件選型應(yīng)結(jié)合實(shí)際安裝容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，而光伏組件安裝容量則需按照無市電供應(yīng)情況下最大需求負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。已知相變儲能電熱地板系統(tǒng)需要22根230W碳纖維發(fā)熱電纜，若不考慮房間溫度控制器的控制，假設(shè)相變蓄熱電采暖系統(tǒng)每天工作8h，則供暖期日最大耗電量為41.4kWh。光伏組件預(yù)計(jì)安裝容量計(jì)算如下[5]：

式中：Ep為日期望發(fā)電量，Ep=41.4kW；H為標(biāo)準(zhǔn)日照小時數(shù)，長春地區(qū)平均日照小時數(shù)為7h；K表示系統(tǒng)效率，取80%。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式可得P＝7.4kW。若將光伏組陣以長春地區(qū)最佳傾角44°角排布在朝南方向的屋頂上，則屋頂最多可放置20塊光伏電池板，并聯(lián)2排，每排串聯(lián)10個。根據(jù)裝機(jī)容量需求，只選用380W單晶硅太陽能電池板，型號為AS-M1203-H-380，逆變器選用額定輸出功率為8kW的并網(wǎng)逆變器，型號為GCl-1P8K-5G，實(shí)際安裝容量為7.6kW。

3 光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)模擬運(yùn)行分析

為分析該系統(tǒng)在運(yùn)行期間的電力供需情況，本小節(jié)利用PVsyst光伏系統(tǒng)仿真軟件模擬該項(xiàng)目案例的發(fā)電量，并與相變儲能電熱地板系統(tǒng)的耗電量進(jìn)行對比分析。

圖3為模擬中利用長春市的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)，采用2.3中所選型的光伏組件，模擬計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)年逐日發(fā)電量。其中，采光收集損失占每千瓦發(fā)電量的7.8%，為0.36kW·h/kW；系統(tǒng)損失為0.12kW·h/kW，占2%；有效發(fā)電量為4.15kW·h/kW，占90.2%，最后計(jì)算得到光伏系統(tǒng)全年有效發(fā)電量為11 812kW·h，供暖季期間的有效發(fā)電量為5 759kW·h。

通過2.3中得出的相變儲能電熱地板系統(tǒng)日最大耗電量可以計(jì)算出該系統(tǒng)在整個供暖季的最大耗電量為6 748.2kW·h，因此，供暖期間電網(wǎng)只需提供989.2kW·h電量即可滿足供暖需求。從全年周期來看，光伏系統(tǒng)全年有效發(fā)電量足以抵消供暖期間所需全部電量，并還余有5 063.8kW·h電可以上網(wǎng)。可見，該系統(tǒng)在運(yùn)行期間不僅可有效降低能耗、節(jié)省供暖費(fèi)用，還可為家庭額外創(chuàng)收，符合現(xiàn)代綠色供暖的設(shè)計(jì)理念（見圖3）。

圖3 光伏系統(tǒng)發(fā)電模擬

4 光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)環(huán)境效益分析

本文引用模糊綜合評價方法，通過量化比較光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)供暖與其他常規(guī)能源供暖方式的環(huán)境優(yōu)度來評價該系統(tǒng)的環(huán)境效益，具體步驟如下。

1）設(shè)定評價對象的因素集 U={u1，u2，u3，u4，u5}＝{光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)供暖、電暖氣供暖、燃煤鍋爐供暖、燃油鍋爐供暖、燃?xì)忮仩t供暖}，根據(jù)不同熱源排放的污染物種類，設(shè)定影響評價因素的目標(biāo)集 V={v1，v2，v3，v4}={CO2排放量、NOx排放量、煙塵排放量、SO2排放量}。

2）確定評價因素目標(biāo)集的權(quán)重及權(quán)向量，即：

由于本文側(cè)重于評估系統(tǒng)的碳減排效果，因此將各污染物的重要程度設(shè)定為：CO2＞NOx＞煙塵＞SO2。評判要素之間的兩兩對比賦值為：aij=6/5，代表vi比 vj略為重要；aij=4/3，代表 vi比 vj重要；aij=3/2，代表vi比vj極為重要[6]。根據(jù)上述兩兩評價指標(biāo)的相對重要性建立4階對比矩陣，通過優(yōu)勢累計(jì)法（求行和）可得CO2、NOx、煙塵、SO2之間的權(quán)向量 W=（5.03，4.37，3.78，3.25），進(jìn)行歸一 化 處 理 得 W=（0.32，0.26，0.23，0.19）。

3）建立由因素集U與目標(biāo)集V組成的4×5階模糊綜合評價矩陣R，并計(jì)算各目標(biāo)的隸屬度值。由于環(huán)境污染排放物數(shù)量越小越優(yōu)，因此，目標(biāo)隸屬度值即因素集中各種污染物排放量的最小值與各供暖方案所對應(yīng)的各種污染物排放定量目標(biāo)值的比值[7]。5種供暖方案的污染物排放總量，其各能源供暖能耗計(jì)算方法及不同供暖熱源所產(chǎn)生的污染物排放因子參考文獻(xiàn)［7］。最后整理可得模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型為：

4）利用以上數(shù)據(jù)和影響環(huán)境因素的權(quán)向量W相乘可得到模糊評價向量 M，M=WR={m1，m2，m3，m4，m5}。經(jīng)計(jì)算，M=（0.87，0.12，0.09，0.22，0.42），可得光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)供暖、電供暖、燃煤供暖、燃油供暖、燃?xì)夤┡绞降沫h(huán)境優(yōu)度分別為0.87，0.12，0.09，0.22，0.42。其中，光伏 - 相變儲能電熱地板系統(tǒng)供暖的環(huán)境優(yōu)度最高，較電、燃煤、燃油、燃?xì)夤┡謩e高出86.0%，89.6%，74.7%，51.7%，碳排放量可分別減少91.0%，92.1%，87.0%，78.6%，環(huán)境效益顯著。

5 結(jié)語

經(jīng)模擬仿真，光伏-相變儲能電熱地板系統(tǒng)在全年周期內(nèi)可滿足光伏發(fā)電與供暖耗電之間的供需電力平衡，且余有43%電量可以標(biāo)桿上網(wǎng)，為家庭額外創(chuàng)收，可實(shí)現(xiàn)“能源產(chǎn)銷一體化”的設(shè)計(jì)理念。通過引入模糊評價數(shù)學(xué)模型，對比4種常規(guī)能源供暖方式得出該系統(tǒng)的環(huán)境優(yōu)度最佳，碳減排效果也尤為顯著，可助力實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。因此，嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村家庭應(yīng)用光伏-相變儲能電熱地板采暖系統(tǒng)供暖具有可行性。