太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施的研制

陳福亮，陳有雙，岳曉輝，王嚴頡，高 源，羅梓鳴，羅梓軒

（國網(wǎng)冀北電力有限公司遷西縣供電分公司，河北 遷西 64300）

1 選題理由

目前，中國農(nóng)村大多數(shù)地區(qū)仍在用燃煤取暖。一進入冬季，村莊上空籠罩著濃濃煙霧，氣味嗆人，煙塵滿院，空氣污染嚴重，能源消耗大，利用率低。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年4月，京津冀地區(qū)有4 424萬農(nóng)村人口，冬季取暖燃煤近3 000萬t，每天排放二氧化碳1 572萬t、二氧化硫51萬t、氮氧化物444萬t，粉塵2萬t。這些污染物的排放直接導致了冬季空氣質(zhì)量的惡化，這也是造成冬季霧霾嚴重的重要原因之一。為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標，國家推出了一系列節(jié)能減排措施，在廣大農(nóng)村推廣電采暖。然而由于現(xiàn)在推行的電采暖產(chǎn)品部分設備熱效率低，成本高，居民應用積極性不高。為此QC小組人員集思廣益，通過廣泛借鑒，決定研制一種太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施，提高熱效應，降低成本，減少用電量，進而提高老百姓冬季采暖清潔能源應用率，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標做出貢獻。

2 確定課題

小組成員通過頭腦風暴法，結(jié)合走訪調(diào)研和理論數(shù)據(jù)分析進行充分討論。

經(jīng)過小組成員分析，目前采用的電采暖設備分別是蓄熱式電采暖設備、鍋爐式電采暖設備主要存在以下問題：

設備用電量大。每臺平均功率2.4 kW，每家農(nóng)戶3臺設備，總功率達到7.2 kW。

電采暖設備執(zhí)行峰谷電價時間為08:00—20:00，如果全時段采暖峰段電費很高。

熱效率低。傳統(tǒng)電采暖設備冬季“三九”天屋內(nèi)溫度平均12 ℃，不能滿足冬季取暖要求。

3 廣泛借鑒

現(xiàn)有的電采暖設備熱效率低，采暖成本高，居民應用積極性不高，無法滿足實際要求。小組研制一種太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施，借鑒溫室大棚新能源聯(lián)供的方法，新能源聯(lián)供包括光伏發(fā)電、太陽能熱水器和沼氣熱水3個系統(tǒng)。白天利用光伏發(fā)電提供電能加熱鍋爐中循環(huán)水；晚上利用沼氣燒水加熱鍋爐中循環(huán)水，借鑒其能源互聯(lián)技術。

4 目標設定

課題目標：在保證農(nóng)村居民用戶冬季取暖屋內(nèi)最低溫度達到17 ℃以上的前提下，整個冬季采暖電費降至1 400元以下。

5 提出最佳方案

小組根據(jù)借鑒思路和技術，實現(xiàn)太陽能、電能順暢互聯(lián)轉(zhuǎn)換，太陽能熱水器利用太陽能將水加熱，電熱水器通過電能將水加熱。2種能源通過2根水管無縫對接無間隙轉(zhuǎn)換傳輸?shù)轿輧?nèi)供暖設備上。而且充分利用現(xiàn)有資源和政策支持，利用低谷電價，實現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能高效目的，同時也能降低成本。小組提出了研制太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施的總體方案，如圖1所示。

圖1 最佳方案圖

6 對策實施

按照原理圖2所示，進行對策實施。

圖2 原理圖

對策實施一：選擇U型集熱管，其太陽能熱量吸收比為95%，價格為1 400元，集熱管能承受水壓為1.6 MPa，密封可靠性為98%。

對策實施二：小組按照設定目標選購PPR水管，安裝時管線接頭須配套，熱熔機須清潔，管子切口應整齊，對接時須端正，注意溫度和對接時間，管子與接頭要插接到位。

對策實施三：小組人員去市場購買屏蔽泵前，用卡尺測量循環(huán)泵管口外形直徑，選擇合適電壓、功率、揚程、價格適中的循環(huán)泵，且靜音效果好。循環(huán)泵要安裝在上水管中間位置，并靠近電熱水器出水口側(cè)，充分利用儲水罐壓力，減輕循環(huán)泵負擔，有利于熱水循環(huán)。

對策實施四：根據(jù)設計方案畫出安裝圖紙，購買價格低、使用壽命30年的PERT 4分地暖管，保溫板選擇保溫性強耐火巖棉板，水暖炕管材質(zhì)與地暖管一致2分管，分水器選用5路。測量畫印，地暖管間距20 cm， 炕暖管間距10 cm。排管安裝，打眼固定，安裝分水器，水炕暖安裝調(diào)溫控制器。

對策實施五：選擇合適位置安裝空氣源熱泵，按照圖紙進行管路連接、傳感器安裝，在安裝室內(nèi)和連接太陽能管線轉(zhuǎn)換閥時注意閥體方向性；安裝完后，進行能源轉(zhuǎn)換供水循環(huán)系統(tǒng)調(diào)試和能效比測試。

對策實施六：選購-40 ℃防凍液，200 kg純凈水，按照1∶0.5比例加入防凍液制作成所需軟化水。

對策實施七：組裝調(diào)試，小組安裝試驗前對制作過程進行檢查，制作太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施主體制作流程圖，使用PDPC法進行現(xiàn)場實施，如圖3所示。

圖3 流程圖

7 效果檢查

太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施研制完成后，本課題小組對4個月采暖期用電實地考察，1月2—15日，連續(xù)14 d每晚18:00測得屋內(nèi)溫度達到19 ℃。混合能源采暖設備白天不消耗電量，晚上應用節(jié)能型電能采暖設備供暖5 kW空氣能熱水器，執(zhí)行谷段電價，每晚耗電量33 kW·h，電費10元，4個月用電電費約1 200元。考察期間整個采暖期陰天、雨雪天氣共11 d，按白天使用6 h計算，峰段共用電330 kW·h，峰段電價0.55元/(kW·h)，采暖季白天共電費182元。冬季采暖4個月，合計電費約為1 382元，達到了課題目標，實施成果圖如圖4所示。

圖4 成果照片

8 標準化

8.1 推廣價值評估

QC小組委托遷西縣住建局煤改電辦公室對太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施的推廣價值開展評估。住建局煤改電辦公室組織團隊從采購成本、運行維護成本、應用收益折算等價值因素出發(fā)，深入評估裝置在遷西地區(qū)范圍內(nèi)的推廣應用價值，設備成本2000元，對比現(xiàn)有電采暖設備取暖節(jié)省 3302元，充分明確了該裝置在全區(qū)范圍內(nèi)的可推廣性。

8.2 技術標準化

本成果在遷西縣推廣使用，設備納入遷西住建局雙代辦設備之一，設定專人負責檢查操作。同時小組對安全注意事項進行標準化，小組成員根據(jù)、設備的不同狀況采取相應措施，小組編制了標準化文件，如表1所示。

9 結(jié)束語

本次QC活動小組成功研制了一種太陽能、電能互聯(lián)家庭取暖設施。解決了現(xiàn)在的電采暖產(chǎn)品部分設備熱效率低，成本高，通過試用，深受廣大群眾歡迎，下一步小組將研究如何進行成果轉(zhuǎn)化和經(jīng)驗推廣，讓“碳達峰、碳中和”目標早日實現(xiàn)。