嚴寒地區光伏-相變儲能電熱地板系統供暖可行性研究＊

張 晗，王春青，康佳瑩，柳孟光

（1.吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118；2.吉林鼎坤工程設計有限公司，吉林 吉林 132013）

0 引言

隨著我國“碳達峰、碳中和”戰略目標的提出，低碳轉型已成為各行業發展的必然趨勢，高能耗、高排放的建筑供暖領域的減碳亟待提速。當前，嚴寒地區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境問題，但由于農村燃氣供給困難、電網結構薄弱，且電力及燃氣供暖費用較高，使得煤改電、煤改氣在農村家庭中的推廣應用仍面臨著阻礙[1]。因此，探索適用于嚴寒地區農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換為電能，并用于和市電聯合驅動電采暖系統供暖的清潔供暖技術，與單一電采暖方式相比，可有效減少采暖常規能源消耗、緩解電網壓力[2]。同時，光伏供暖還能充分利用農村住宅的閑置屋頂資源，獲得額外售電收益和政策補貼，具有改造施工容易、經濟環保等優點。然而，太陽能光伏發電受晝夜和季候的影響，無法持續提供電能，單獨的電采暖系統由于不具有蓄熱功能，仍需電網提供大量電力作為補充以滿足全天供暖，這也使系統的經濟性與環保性大打折扣。而應用相變蓄熱技術可以彌補這一缺陷，通過相變蓄熱技術與電采暖技術的有機結合，利用相變材料的蓄熱特性縮短電采暖的持續用電供暖時間，從而可有效地減少采暖耗電量，提高綜合效益[3]。基于上述思路，本文提出了一種光伏+相變蓄熱電采暖的供暖方式，并從多方面驗證了該系統在嚴寒地區農村供暖的可行性。

1 光伏-相變儲能電熱地板系統的構建

光伏-相變儲能電熱地板系統主要由分布式并網光伏發電系統與相變儲能電熱地板系統組成，其運行原理是光伏組件利用光生伏特效應將太陽能轉換為電能，經逆變器完成直流—交流電的轉換后，為相變儲能電熱地板系統提供所需的電能，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生的熱量儲存為相變潛熱，當晚上無日照時，相變材料將儲存的熱量緩慢釋放出來，滿足夜間供暖需求。由于并網光伏系統沒有配備蓄電池，所以當出現連續陰雨天或白天光照不足時可直接由電網補充電量，非供暖季的光伏發電量則按照光伏電價標桿上網（見圖 1）。

圖1 光伏-相變儲能電熱地板系統供暖流程

2 光伏-相變儲能電熱地板系統選型設計

2.1 建筑案例概況

本文以長春地區某110m2農村住宅為研究對象。該農宅長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行逐時熱負荷模擬以獲取后續設計所需的基礎數據，供暖時間設置為10月20日至次年4月6日，建筑圍護結構參數依據GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》進行設置，不考慮夏季冷負荷，最后計算出該住宅全年累計熱負荷為9 497.8kW，平均日累計負荷為56.2kW，最大負荷出現在330時為7.24kW，模擬結果如圖2所示。

圖2 全年逐時采暖負荷

2.2 相變儲能電熱地板系統選型設計

基于熱負荷模擬結果，對相變儲能電熱地板系統安裝面積進行設計和計算。其中，系統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、水泥砂漿復合相變材料，其內部結構由上至下分別為30mm相變材料層、230W碳纖維發熱電纜、反射層和30mm保溫層。該模塊供電蓄熱8h后的放熱時間可達10h以上，可以使采暖在斷電期間進行[4]。

根據建筑熱負荷模擬結果，引用公式（1）對相變蓄熱地板模塊所需的實際安裝面積進行計算，具體表達式如下：

式中：Qout表示采暖房間一天內的熱負荷，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等問題，面積系數a取1.1。

經計算，相變蓄熱電采暖系統的實際安裝面積為33.71m2，相變儲能地板模塊所需數量為52塊，基于實際安裝面積，一共需要22根230W碳纖維發熱電纜（每根可鋪設1.5m2）。

2.3 光伏系統選型設計

光伏系統組件選型應結合實際安裝容量進行設計，而光伏組件安裝容量則需按照無市電供應情況下最大需求負載進行計算。已知相變儲能電熱地板系統需要22根230W碳纖維發熱電纜，若不考慮房間溫度控制器的控制，假設相變蓄熱電采暖系統每天工作8h，則供暖期日最大耗電量為41.4kWh。光伏組件預計安裝容量計算如下[5]：

式中：Ep為日期望發電量，Ep=41.4kW；H為標準日照小時數，長春地區平均日照小時數為7h；K表示系統效率，取80%。

將相關數據代入公式可得P＝7.4kW。若將光伏組陣以長春地區最佳傾角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2排，每排串聯10個。根據裝機容量需求，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的并網逆變器，型號為GCl-1P8K-5G，實際安裝容量為7.6kW。

3 光伏-相變儲能電熱地板系統模擬運行分析

為分析該系統在運行期間的電力供需情況，本小節利用PVsyst光伏系統仿真軟件模擬該項目案例的發電量，并與相變儲能電熱地板系統的耗電量進行對比分析。

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

通過2.3中得出的相變儲能電熱地板系統日最大耗電量可以計算出該系統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，光伏系統全年有效發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。可見，該系統在運行期間不僅可有效降低能耗、節省供暖費用，還可為家庭額外創收，符合現代綠色供暖的設計理念（見圖3）。

圖3 光伏系統發電模擬

4 光伏-相變儲能電熱地板系統環境效益分析

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供暖與其他常規能源供暖方式的環境優度來評價該系統的環境效益，具體步驟如下。

1）設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供暖、電暖氣供暖、燃煤鍋爐供暖、燃油鍋爐供暖、燃氣鍋爐供暖}，根據不同熱源排放的污染物種類，設定影響評價因素的目標集 V={v1，v2，v3，v4}={CO2排放量、NOx排放量、煙塵排放量、SO2排放量}。

2）確定評價因素目標集的權重及權向量，即：

由于本文側重于評估系統的碳減排效果，因此將各污染物的重要程度設定為：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]。根據上述兩兩評價指標的相對重要性建立4階對比矩陣，通過優勢累計法（求行和）可得CO2、NOx、煙塵、SO2之間的權向量 W=（5.03，4.37，3.78，3.25），進行歸一 化 處 理 得 W=（0.32，0.26，0.23，0.19）。

3）建立由因素集U與目標集V組成的4×5階模糊綜合評價矩陣R，并計算各目標的隸屬度值。由于環境污染排放物數量越小越優，因此，目標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的各種污染物排放定量目標值的比值[7]。5種供暖方案的污染物排放總量，其各能源供暖能耗計算方法及不同供暖熱源所產生的污染物排放因子參考文獻［7］。最后整理可得模糊綜合評價數學模型為：

4）利用以上數據和影響環境因素的權向量W相乘可得到模糊評價向量 M，M=WR={m1，m2，m3，m4，m5}。經計算，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供暖、電供暖、燃煤供暖、燃油供暖、燃氣供暖方式的環境優度分別為0.87，0.12，0.09，0.22，0.42。其中，光伏 - 相變儲能電熱地板系統供暖的環境優度最高，較電、燃煤、燃油、燃氣供暖分別高出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%，環境效益顯著。

5 結語

經模擬仿真，光伏-相變儲能電熱地板系統在全年周期內可滿足光伏發電與供暖耗電之間的供需電力平衡，且余有43%電量可以標桿上網，為家庭額外創收，可實現“能源產銷一體化”的設計理念。通過引入模糊評價數學模型，對比4種常規能源供暖方式得出該系統的環境優度最佳，碳減排效果也尤為顯著，可助力實現我國碳達峰、碳中和目標。因此，嚴寒地區農村家庭應用光伏-相變儲能電熱地板采暖系統供暖具有可行性。