青海地區(qū)光伏供暖技術(shù)選型及效益分析

張瑞丹 李銀輪 周家城

摘 要：本文就青海西寧民用住宅的清潔供暖問題，充分利用當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)太陽能資源，提出了光伏+電采暖、光伏+空氣源熱泵、光伏+相變儲熱三種光伏清潔供暖方式，并對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析和綜合效益分析，對青海地區(qū)冬季供暖技術(shù)的選型提供參考。

關(guān)鍵詞：清潔供暖;光伏供暖技術(shù);效益

中圖分類號：S214文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）34-0139-03

Technology Selection and Efficiency Analysis of Photovoltaic

Heating in Qinghai Region

ZHANG Ruidan LI Yinlun ZHOU Jiacheng

（Qinghai Normal University，Xining Qinghai 810000）

Abstract： Regarding the problem of the clean residential heating in Xining Qinghai province and taking the high quality solar energy in to consideration， this thesis came up three photovoltaic methods of clean housing heating including photovoltaic plus electric heating， photovoltaic plus air source heat pump and photovoltaic plus phase change thermal storage. And in this thesis， the economic benefits and the comprehensive benefits of these three methods were also analyzed with the purpose of providing choices for the winter housing heating technology in Qinghai.

Keywords： clean heating;photovoltaic heating technology;benefit

2016年，中國建筑碳排放總量為19.6億萬t，北方地區(qū)采暖碳排放占比25%[1]。而從城鎮(zhèn)民用建筑能耗強(qiáng)度來看，受冬季采暖影響，青海省民用建筑能耗強(qiáng)度全國排名第二[2]。青海省冬季寒冷地區(qū)取暖期長達(dá)6個(gè)月甚至更多，且地域廣闊，差異較大，清潔取暖工作任務(wù)艱巨。如何選用適合當(dāng)?shù)氐那鍧嵅膳绞剑档筒膳寂欧疟壤蔀槟壳凹毙杞鉀Q的問題。

目前，青海省農(nóng)牧區(qū)冬季供暖有以下三種方式：燃煤、火炕和薪柴畜糞供暖。其中，燃燒煤炭的形式會造成環(huán)境污染，破壞青海省脆弱的生態(tài)環(huán)境;火炕和柴薪畜糞供暖的形式只能滿足最低的生活需求。以上三種供暖方式不僅效率低、舒適性差，而且會破壞、污染環(huán)境。污染源雖然單個(gè)規(guī)模小，但由于數(shù)量多，覆蓋面廣，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量的影響極大[3]。對此，本文認(rèn)為，應(yīng)充分利用青海地區(qū)太陽能資源的優(yōu)勢，采用清潔能源代替燃煤供暖，以減少冬季季節(jié)性霧霾的出現(xiàn)，提高農(nóng)牧區(qū)居民冬季溫暖過冬的舒適度。

1 問題的提出

清潔供暖是指利用天然氣、電、地?zé)帷⑸镔|(zhì)、太陽能、工業(yè)余熱、清潔化燃煤（超低排放）、核能等清潔能源，通過高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式[4]。青海省太陽能資源豐富，年日照時(shí)數(shù)為2 328～3 575 h，日照百分率為55%～70%，年太陽輻射量在6 000 MJ/m2以上[5]，冬季適合利用太陽能進(jìn)行供暖。雖然太陽能取之不盡，用之不竭，但間歇性與不穩(wěn)定性的特點(diǎn)使其無法滿足較高的能源貢獻(xiàn)率與供暖穩(wěn)定性。因此，本文提出光伏+電采暖、光伏+空氣源熱泵和光伏+相變儲熱三種清潔供暖方式，并對其效益進(jìn)行分析研究。

2 光伏供暖技術(shù)研究

2.1 光伏+電采暖

光伏+電采暖系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、電采暖系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。該方案采用油汀電暖器滿足供暖需求，所需電能由光伏系統(tǒng)提供。白天有充足光照時(shí)，光伏系統(tǒng)在滿足少量供暖需求電量的同時(shí)，將多余的電量以高價(jià)銷售給電網(wǎng);晚上供暖需求較大時(shí)，從電網(wǎng)低價(jià)購買電量，以保障全天供暖需求。本方案適用于有電網(wǎng)支持的城鄉(xiāng)地區(qū)，相當(dāng)于將電網(wǎng)視為光伏發(fā)電的儲能設(shè)備。該方案的優(yōu)點(diǎn)是投入少、運(yùn)行成本低、系統(tǒng)可靠、維護(hù)方便，缺點(diǎn)是必須依托電網(wǎng)，無電網(wǎng)（電網(wǎng)薄弱）的偏遠(yuǎn)地區(qū)只能在白天供暖。

2.2 光伏+空氣源熱泵

光伏+空氣源熱泵系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、空氣源熱泵、蓄熱水箱、供暖末端及控制系統(tǒng)組成。空氣源熱泵可以將空氣中不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱能，節(jié)約能源。光伏系統(tǒng)為空氣源熱泵提供電能，電能一部分供熱泵使用，另一部分通過分布式光伏并到電網(wǎng)中，晚上熱泵從電網(wǎng)中獲取電能工作，熱泵產(chǎn)生的熱能加熱蓄熱水箱，水箱溫度到達(dá)一定范圍后連接地板采暖系統(tǒng)，通過對流和輻射的方式滿足室內(nèi)供暖需求，可實(shí)現(xiàn)全天供暖。該方案的優(yōu)點(diǎn)是所需光伏系統(tǒng)規(guī)模小，較第一種方案成本更低，熱轉(zhuǎn)化效率高，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對復(fù)雜，維護(hù)成本較高。

2.3 光伏+相變儲熱

光伏+相變儲熱系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、相變儲熱電暖器和控制系統(tǒng)組成。光伏系統(tǒng)為電暖器提供電能，在滿足供暖需求的同時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)將電爐絲產(chǎn)生的熱量儲存在相變材料無機(jī)鹽中，當(dāng)晚上無日照時(shí)，無機(jī)鹽中存儲的熱量緩慢釋放出來，滿足夜間供暖需求。該系統(tǒng)不僅適用于離網(wǎng)系統(tǒng)，還適用于并網(wǎng)系統(tǒng)，這種獨(dú)特的優(yōu)異性，對于電網(wǎng)設(shè)施薄弱的地區(qū)而言，是非常理想的取暖方式。

3 綜合分析

3.1 全年耗熱量估算

以青海西寧某地100 m2農(nóng)村居民住宅為對象，采暖期為每年10月15日至次年4月15日止，供暖期為6個(gè)月，共180 d，熱負(fù)荷取50 W/m2。

民用建筑全年耗熱量的計(jì)算公式為：

[Qh=qh×A×N×T]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[Qh]表示采暖全年耗熱量，kW·h;[qh]表示采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，W/m2，本文取50 W/m2;[A]表示供暖面積，[A]=100 m2;[N]表示采暖期天數(shù)，[N]=180 d;[T]表示日平均供暖時(shí)間，[T]=15 h。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），計(jì)算得出采暖全年耗熱量[Qh]為13 500 kW·h，1 kW·h=3.6×106 J，經(jīng)過換算得出[Qh]為48 600 000 kJ。

3.2 常規(guī)燃煤采暖成本估算

全年采暖燃料耗量[6]：

[B=QhQaη1η2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[B]表示全年采暖燃料耗量，kg;[Qh]表示全年采暖耗熱量，[Qh]=48 600 000 kJ;[Qa]表示平均低位發(fā)熱量，[Qa]=29 307 kJ/kg;[η1]表示供熱系統(tǒng)年平均效率，燃煤鍋爐熱效率為40%;[η2]表示折標(biāo)準(zhǔn)燃料系數(shù)，原煤折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.714 3[7]。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），得出[B]為5 804 kg。可見，采用燃煤供熱，一個(gè)采暖期需要5 804 kg煤炭才能滿足供暖需求。2019年，青海地區(qū)優(yōu)質(zhì)煤炭市場交易價(jià)格為1 100元/t，則采暖期燃煤供暖需花費(fèi)約6 385元。

3.3 太陽能光伏供暖成本估算

3.3.1 光伏+電采暖。光伏板采用380 W的單晶硅。電采暖系統(tǒng)選用油汀電暖器，因油汀電暖器內(nèi)導(dǎo)熱油加熱至236 ℃不會起火星，在-18 ℃的情況下不會凝結(jié)，效率高達(dá)95%。制熱功率最大為2 200 W，適用面積為30 m2，考慮到面積和功率限制，選用3個(gè)油汀電暖器。3個(gè)油汀取暖器（均選用2 200 W制熱功率）12 h供暖耗電約80 kW·h，采用并網(wǎng)系統(tǒng)，在非采暖期（180 d）將發(fā)電量售給電網(wǎng)，采暖期（180 d）再買回來，因此系統(tǒng)日平均只需提供40 kW·h電即可滿足供暖需求，由公式（3）計(jì)算發(fā)電量：

[Ep=H×P×K]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[Ep]表示發(fā)電量，[Ep]=40 kW·h;[H]表示當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)日照小時(shí)數(shù)，西寧地區(qū)年平均日照小時(shí)數(shù)為7.6 h[8];[K]表示發(fā)電系統(tǒng)效率，取值范圍為75%～85%，這里取80%。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）得出[P]組件安裝容量為6.6 kW，實(shí)際安裝容量為6.84 kW。主要配置如表1所示。

3.3.2 光伏+空氣源熱泵。當(dāng)環(huán)境溫度為-11.2 ℃時(shí)，熱泵COP（Coefficient of Performance，制冷效率）在2.0左右[9]。西寧地區(qū)1月平均氣溫低于-11 ℃，而在整個(gè)采暖期內(nèi)，西寧室外平均溫度為-3 ℃[8]。當(dāng)溫度為-3 ℃時(shí)，熱泵[COP]在3.0左右。經(jīng)過多方面考慮，在整個(gè)采暖期，熱泵[COP]值取2.7。滿足一天供熱量的同時(shí)熱泵耗電量約為28 kW·h，采用并網(wǎng)系統(tǒng)，從全年分析，在采暖期，系統(tǒng)一天提供14 kW·h電即可滿足供暖需求。組件安裝容量[按式（3）計(jì)算]約為2.3 kW，實(shí)際按照容量為2.66 kW。主要配置如表2所示。

滿足一天供熱量的同時(shí)熱泵耗電量計(jì)算公式為：

[Wd=QdCOP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[COP]表示熱泵制冷效率，本文取值2.7;[Qd]表示采暖一天耗熱量，由式（1）計(jì)算得出數(shù)值為75 kW·h（當(dāng)[N]=1 d）。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），得出[Wd]為27.8 kW·h，取整為28 kW·h。

3.3.3 光伏+相變儲熱。一臺儲熱裝置功率為2.2 kW，能夠滿足30 m2供暖需求，本方案需3臺儲熱裝置，一天工作12 h，耗電量為79.2 kW·h，對比光伏+電采暖系統(tǒng)可知，該系統(tǒng)采暖期一天需要提供40 kW·h，實(shí)際安裝容量為6.84 kW。主要配置如表3所示。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

不同采暖方式初投資對比結(jié)果如表4所示。由表4可知，在滿足熱負(fù)荷的條件下，燃煤供暖初投資最低，光伏+相變儲熱的投資最高，從長遠(yuǎn)來看，任何一種清潔供暖系統(tǒng)都比燃煤供暖更節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

3.5 環(huán)境效益分析

現(xiàn)階段，我國電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)仍以使用煤炭的火力發(fā)電為主，單位發(fā)電量的耗煤量約為0.32 kgce/kW·h。燃煤發(fā)電會產(chǎn)生大量的CO2、SO2、NOx和粉塵等污染物[10]。國家統(tǒng)計(jì)局及中國環(huán)境科學(xué)院資料研究表明，節(jié)約標(biāo)煤1 kg，減少CO2排放2.418 kg，SO2排放0.074 kg，NOx排放0.037 kg，煙塵排放0.337 kg[11]。由此得出不同清潔供暖方式的環(huán)境效益如表5所示。

相比于燃煤供暖，任何一種清潔供暖方式都對環(huán)境更友好，有助于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會，推動社會發(fā)展。

4 結(jié)語

青海省是國家重要的生態(tài)安全屏障，是“三江之源”“中國水塔”。2018年，國家能源局批復(fù)支持青海創(chuàng)建國家清潔能源示范省，并將青海清潔能源示范省建設(shè)納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。在高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)要減少環(huán)境污染，冬季采暖中提高清潔能源采暖的比例勢在必行。從空間舒適度來看，末端采用地暖形式的光伏+空氣源熱泵系統(tǒng)更具優(yōu)勢，成本也較低;在安裝與后期維護(hù)角度，光伏+電采暖對于用戶來說更為簡便;光伏+相變蓄熱的優(yōu)勢在于它可以安裝在電網(wǎng)設(shè)施不齊全的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

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