新能源配置在鄉村規劃中的應用

國網綜合能源服務集團有限公司 張陽玉 國網綜合能源服務集團有限公司 李慧娜

中國海關科學技術研究中心 王琳譞 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司 劉曉楠

社會主義建設事業中鄉村振興為重點，雖在國家政策指導下鄉村地區陸續展開了一系列的創新發展，但鄉村規劃隊伍水平參差不齊，部分鄉村在能源領域的問題突出，尚未全面推廣新能源，“舊能源”的利用給鄉村生態環境造成了較大的負面影響，不利于實現可持續發展的目標。為推進鄉村高速化發展，各鄉村需重視能源布局，打破原有的能源結構限制，不斷引進新能源，通過新能源配置為鄉村創造更大的發展可能。一些鄉村在新能源配置中還存在諸多不足，未來這些地區需創新配置理念與方式，保障新能源的覆蓋面、利用率。

1 工程概況

鄉村規劃中可采用的新能源以及技術類型等相對較多，本文以太陽能熱泵技術作為研究對象。某鄉村地區位于山區，冬季最低溫為-5℃，冬季供暖問題亟待解決，但傳統的供暖方式不符合低碳環保要求，引進太陽能熱泵技術建立鄉村排屋冷熱暖聯供系統具有現實的可行性，不僅能滿足冬季供熱要求，也能減小供暖中的能源消耗、資源浪費[1]。

2 房屋冬季熱負荷需求計算

2.1 房屋冬季圍護結構熱負荷計算

該鄉村排屋為多層結構，1層為雜物放置區，2～4層均為居住區，周邊墻體為標準紅磚壘砌的二四墻，墻厚、樓層長、寬分別為24cm、1.54m、7.6m，2～4層高9.3m，房頂為鋼筋混凝土板與青瓦，厚0.2m。

參考行業內的供暖通風設計標準，節能型房屋建筑的采暖熱符合為45W/m2，在此前提下有關人員進一步分析了該建筑結構的供熱需求，利用相關公式計算得到了房屋圍護結構熱負荷，通過分析與計算，該房屋冬季圍護結構的熱負荷為9450W。但此房屋結構體系龐大，再加上部分房屋未使用，以面積為210m2、130m2、65m2三種典型情況為研究對象，其圍護結構日平均耗熱情況見表1。

表1 房屋冬季圍護結構日均耗熱量

2.2 生活新水加熱的熱量需求

結合長時間的統計結果，此建筑中每天的生活用水量較大，達到了300L。但生活用水中的熱水需求量大，需使熱水溫度被加熱到55℃。整個加熱過程中的熱量需求Qnw存在以下公式，假定新水初溫為5℃，每天僅加熱新水就需消耗62.5MJ的熱量。

Qnw=ρ0×Cρ0×V0×（Te-Tb）

上式中，ρ0、Cρ0、V0、Te、Tb分別代表水的密度、水的定壓比熱容、新水體積、新水終溫、新水初溫。結合上述分析，水的密度、定壓比熱容、新水初溫、終溫分別為998.2kg/m3、4.18×103J/(kg·℃)、5℃、55℃。

3 太陽能熱泵系統和工況類型及要點

3.1 系統總體框架

太陽能熱泵系統可選擇的模式較多，實際的工作中應綜合建筑結構類型和特點等來選擇。但并聯模式相對常見，其系統構成較為簡單，包含的構成部分相對較少，將該系統投入運行后的運行靈活，進入工作狀態后，太陽能與熱泵既能相互配合工作，也能各自獨立開來，負責不同的部分[2]。由于并聯模式的特殊性，有關人員僅需些微調整太陽能、熱泵裝置，增強系統的穩定性、安全性，凸顯系統在經濟性、技術性方面的優勢。鄉村排屋的太陽能熱泵系統設計要求較高，出于供暖、制冷等要求，雙水箱并聯太陽能熱泵冷熱暖系統能取得良好的應用效果。

太陽能熱泵系統內包含的構成要素較多，在系統工作中需處理好不同構成部分、流程之間的協調關系，使各個部分能相互配合，完成本建筑的供暖與制冷。系統進入運行階段后，太陽能呈閉式循環狀態，其中的集熱介質為丙二醇流體，冬季該流體可克服低溫限制，加熱水箱1、2中的水體，使水溫達到特定要求。熱泵為系統中的關鍵構成，為達到供熱要求，現場應配備冷暖兩用型空氣源熱泵，用噴漆增焓型熱泵，保障該熱泵在冬季的制冷能力較強。水箱1負責向用戶供應生活熱水，采用太陽能加熱方式，當然并非單一的加熱方式，還有熱泵與電加熱；水箱2為供暖供冷水箱，其加熱或者制冷依賴于空氣源熱泵，當水箱內的水成為符合要求的冷水或熱水后，最后再將其輸送到房間地暖或風機盤管，完成全面供暖與制冷，滿足住戶需求[3]。太陽能熱泵系統的功能多樣，供暖、制冷時系統穩定、高效運行，能基本滿足實際需求，凸顯系統的穩定性、安全性等優勢，未來各建筑可參考這一系統來設計。

3.2 系統運行工況分析

3.2.1 太陽能運行工況

整個系統的運行過程中，太陽能循環泵的啟動時間有要求，僅太陽能集熱器進出口溫差超過5℃的情況下才能啟動，同樣，循環泵停止時間也有要求，在溫差不超3℃時關閉循環泵。加熱期間太陽能先加熱水箱1中的水再加熱水箱2的水，當水箱1中水溫達到55℃進入下一階段的加熱任務；如水箱1中的水溫不超40℃，因為水溫有上限要求，需繼續利用太陽能加熱水箱1的水；夜間或陰雨天氣太陽能運行效果不佳，此時需改變原先的加熱方式，由熱泵負責加熱水箱1的水，保障其水溫符合實際需求。

3.2.2 熱泵制熱工況

此鄉村排屋的供暖中，冬季制熱由熱泵負責。冬季氣溫相對較低，為滿足供熱需求，熱泵需率先加熱水箱2中的水以滿足供暖所需，當其水溫達到60℃的上限后關閉熱泵；如水溫為45℃，啟動熱泵進入加熱環節。無論哪一季節，在陰天或者夜間太陽能都無法正常使用，此時為實現加熱目標，需啟動熱泵，由熱泵負責加熱水箱1中的水。

3.2.3 夏季熱泵制冷工況

夏季溫度較高，為滿足制冷標準，需由熱泵實現制冷，熱泵先制冷水箱1中的水，隨后將其制冷后的水供向房間，降低房間溫度。熱泵的停止啟動狀態完全由水箱2的水溫來決定，如水箱2中的水溫為規定的下限值，需關閉熱泵，反之達到上限水溫時啟動熱泵。

3.2.4 房間供暖工況

房間供暖由循環泵負責，具體的工作中有關人員需分析房間溫度的高低或者溫度變化趨勢，也需要通過人為的相關參數設定情況來確定循環泵的運行狀態。冬季外部氣溫相對偏低，房間溫度應略高，達到18～22℃，在溫度達22℃，供暖目標實現，此時無需啟動循環泵，而溫度為18℃情況下難以與人們的供暖需求相一致，則需使循環泵進入工作狀態。

3.2.5 房間制冷工況

夏季溫度偏高，房間有制冷需求，此制冷環節由循環泵負責，但循環泵的開啟與關閉卻需要考慮房間的實際溫度情況或者其他人為參數設定情形。一般房間溫度在26～30℃，上限溫度與下限溫度時分別開啟、關閉循環泵。

4 太陽能熱泵系統配置選型

供熱系統中熱泵起著關鍵作用，考慮到房屋冬季的熱負荷，并依據太陽能熱泵結構形式，其熱泵系統的配置選型中主要注意以下方面。

4.1 確定太陽能集熱器面積

根據冬季供熱的相關經驗，冬季供熱總熱量較大，但如果這些熱量全部由太陽能所提供，顯然并不現實，這種單一的供熱方式下不符合經濟性要求，一旦到夏季，太陽能幾乎無用，相關設備在夏季幾乎處于閑置狀態，浪費相對嚴重。為此，在具體的工作中有關人員在供熱設計時，須將太陽能供熱總量控制在總供熱量的20%左右，以此為前提得到集熱器面積大小。

案例所處地區的冬季日平均輻射總量為7.3MJ/m2，參考下面公式得到結果，見表2。本房屋建筑中部分房屋常年未使用，顯然不應以建筑總面積來計算，而應該去除這些未使用房間的面積，如供暖面積為130m2計算太陽能集熱器面積，經由一系列分析與計算，集熱器面積為25m2，太陽能冬季日均可供給101MJ熱量，此供熱量能滿足生活熱水的熱量需求且還存在富余，說明確定的太陽能面積相對合理。

表2 太陽能集熱器面積選取計算

Ac=Qu/（Ic/ηc）

上式中，Ac、Qu、Ic、ηc分別為集熱器面積（m2）、溫室一天總耗熱量（MJ/d）、單位面積平均每天總太陽輻射量（MJ/（m2·d））、真空管式集熱器平均集熱效率，取55%。

4.2 配備熱泵

本鄉村排屋冬季的供熱需求大，平均熱負荷為9450W，為發揮熱泵在供熱中的作用，有關人員在設計系統時需綜合考慮諸多因素，選擇性能合適、價格合理的熱泵。結合實際情況，通過定性與定量分析與評估，5P熱泵機組更適合本系統。

冬季北方溫度異常低，空氣源熱泵保持低效運轉狀態，為提高設備運行效率，提高系統的經濟性、實用性，可選擇有噴氣增焓技術的熱泵機組。因為噴氣增焓技術能增強熱泵性能、保障熱泵功能，即使在冬季極低的溫度條件下，空氣源熱泵也有良好的制熱性能。根據調查，帶有噴氣增焓的熱泵能在環境溫度為-25℃保持比較高的COP制熱，制熱效果突出。

4.3 供熱水箱容量選型

供熱水箱同樣是系統中的重要構成，在選擇供熱水箱時需關注其容積大小，因為供熱水箱的容積是決定蓄熱能力的重要因素，也會對熱泵運行時開啟與關閉的時間間隔有一定影響。如選擇容積為500L的水箱，依據相應的公式來計算，具體的計算中存在以下前提條件：以冬季1月房屋平均熱負荷9450W為參考；熱泵單獨工作，當水箱水溫達到相關標準的情況下關閉熱泵，但如溫度降低特定值時重新開啟熱泵，由熱泵完成加熱工作。

依據有關公式，計算結果為110min，也就是說，當熱泵使水溫達到60℃時關閉熱泵，中斷110min后再重新啟動，這一時間間隔也就意味著水箱水溫降15℃可持續向面積為210m2的房間供暖110min，如太陽能與熱泵能同步工作，此供熱時間將超過110min，不會引發熱泵的頻繁啟動。因此，通過上述一系列分析，選用容積為500L的供熱水箱能滿足供熱需求，具有現實的可行性。

本鄉村排屋的供太陽能熱泵冷熱暖聯供系統可通過提供太陽能與空氣能，滿足房屋的供熱、生活熱水、制冷要求，系統的穩定性好且低碳環保，能打破傳統供熱方式的限制。對于建筑面積為210m2的三層排屋，5P增焓型熱泵、25m2太陽能集熱器面積可符合供熱標準。雙水箱并聯式太陽能熱泵系統，既能使太陽能和熱泵保持獨立運行的狀態，也能使二者協同工作，具體的工作中相關人員需考慮實際情況來選擇運行模式。

5 結語

當前，鄉村發展的過程中，新能源配置較為重要，但每個鄉村地區都有各自的特點，在配置新能源時必須從自身的實際情況著手，用新能源替代舊能源，形成全新的能源消費模式。雖鄉村規劃中新能源配置取得了一定的工作成效，但未來還有漫長的道路要走，各鄉村地區必須堅持現代化、可持續方向。