北京地區房屋保溫評估及冬季采暖與太陽能利用

沈陽工程學院 ■ 叢景 鞠振河 雷彩娟

0 引言

能源是人類生存與經濟發展的物質基礎，然而隨著世界經濟持續、高速地發展，能源短缺、環境污染、生態惡化等問題逐漸加深，能源供需矛盾日益突出。當前世界能源消費以化石資源為主，其中，中國等少數國家以煤炭為主，其他國家則大部分以石油與天然氣為主。根據專家預測，按目前的消耗量，石油、天然氣最多只能維持不到半個世紀，煤炭也只能維持一二百年。所以，不論是哪種常規能源結構，人類面臨的能源危機都日趨嚴重。

新能源是21世紀世界經濟發展中最具決定力的5大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新能源中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續發展戰略的重要內容，而光伏發電具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便等優點。地球每年獲得的太陽能量高達6×1017kWh，是目前全球能耗的幾萬倍。我國北方地區大多處于太陽能資源豐富的二類地區，大氣透明度好，太陽輻照量在5400～6700 MJ/(m2·a)，為利用太陽能資源提供了理論可能[1]。

北京市農村的兩種傳統供暖方式主要為：

1)火炕采暖。北京地區由于冬季寒冷，農村大多數以火炕為主要取暖方式。一般將灶臺放在屋內，與臥室僅一墻之隔，衛生狀況糟糕、產熱消耗的木材和柴禾等有效資源多、供熱勞動強度大、溫度控制不易把握；由于通風不合理，從添柴口進入的空氣不能直接通過燃料層與燃料調合均勻，所以，燃料不能充分燃燒；同時，從添柴口進入的大量冷空氣在經過燃料表面時又降低了灶內溫度，帶走一部分熱量，使一些可燃氣體與碳不能充分氧化；更嚴重的是，一些不完全燃燒產生的氣體的排放直接影響空氣質量，導致本地區霧霾的產生。

2) 燃煤爐采暖。在爐子上接根煙囪伸到室外，利用煙管對流、輻射換熱來提高室內溫度。由于煤的質量不同，產生的熱量不穩定、副產物過多、熱效率低；不完全燃燒產生的有害氣體污染大氣；清潔程度差，流通性不好時，易產生一氧化碳中毒[2]。

1 研究體系

通過調查得出北京市農村地區房屋的一般結構布局，研究冬季房屋能耗損失，并進行系統優化。利用太陽能光伏發電來補償能量，摒棄農村傳統的供暖方式，達到環保、清潔的目的。規劃出冬季北京市農村房屋太陽能用電使用方案，進行經濟優選，確定最合適的方案。

1.1 北京地區地理氣候條件

北京地區位于東經115.7°E～117.4°E，北緯39.4°N～41.6°N，太陽輻射量全年平均為112～136 kcal/cm2。冬季雖寒冷干燥，但每天平均日照在6 h以上，月日照一般在170～190 h，為開發利用太陽能創造了有利條件。北京地區冬季寒冷漫長，長達5個月，若平均溫度0 ℃以下為嚴冬，則4個月(12～次年3月)為嚴冬。根據最近幾年北京氣象數據可知：北京室外最低平均溫度約為-5 ℃，最高平均溫度約5 ℃，可得北京地區冬季的平均溫度為0 ℃。

1.2 北京農村房屋基本模型結構

據調查，北京市農村地區房屋大致為80～150 m2，取平均120 m2，坐北朝南。內部為四室一廳的標準結構，房屋墻體結構為普通粘土磚墻。其中根據采光和取暖要求，東墻和西墻沒有窗戶，南墻窗戶一般為4個，且面積較大；北墻窗戶一般為2個，但面積較小；窗戶多為單層塑鋼窗。南墻和北墻各有一個木制門。如圖1所示。

圖1 北京農村房屋基本平面圖

1.3 北京農村房屋能耗損失計算

房屋的熱量損失主要是通過建筑物的圍護(門窗、墻體、地面、房頂)進行傳遞的，房屋的通風損失忽略不計。房屋內部獲取的能量主要是居住者釋放的能量(一個成年人靜坐時平均釋放能量為100 W)。本文以三口之家(夫妻和子女)的房屋為研究對象[3]，房間總面積為120 m2(12 m×10 m)，房高為3.5 m。根據人體舒適度設計室內的溫度為18 ℃，北京冬天室外平均溫度取0 ℃。建筑圍護結構如表1所示。

表1 建筑圍護結構參數

1.4 系統優化

圍護結構的熱損失占房間總熱量的百分比如圖2所示。墻體所占的比例最大，約占房間總熱量損失的43%；其次是屋頂和地面，約占房間總熱量損失的32%和14%，根據初步房屋損耗計算發現能耗較大，預計光伏設計的成本較高，與實際情況有一定差距。此外，針對農村房屋保溫性能較差的特點發現，墻體和地面的熱量損失為房屋主要能量損失。現對房屋取暖面積和墻體及窗戶結構進行優化，得出相對合理經濟的光伏設計方案[4]。

圖2 圍護結構的熱損失占房間總熱量損失的百分比

1.4.1 墻體的優化

表2 為市場常見外墻保溫材料的傳熱系數。

表2 常見外墻保溫材料的傳熱系數

通過對幾種外墻保溫材料的傳熱系數及經濟成本比較，本文選擇擠塑聚苯板(XPS)作為優化的外墻保溫材料。擠塑聚苯板(XPS)價格低廉、隔熱性能好，廣泛用于墻體保溫中，其導熱系數不超過 0.028 W/(m2·K)。

1.4.2 窗戶的優化

根據當地農村的經濟狀況，在不更換現有窗戶材料結構的前提下，在現有玻璃窗內表面貼一層30 μm厚的聚酯膜，有資料表明，這樣可使窗戶的熱損失減少60%。

1.4.3 屋頂的優化

木屋頂可在吊頂上鋪設保溫材料，如鋪設摻加了石灰粉的麥稈(要保證吊頂能夠承受保溫材料的荷載要求)。

1.4.4 優化后的熱量損失

優化后房屋總熱量損失為：201.6+1439.4+253.49+1459.38+1123.2-100×3=4177.07 W。在經過實際優化后，發現房屋熱量損耗減少了44.5%，效果明顯且節約成本。

表3 優化后建筑圍護結構參數

1.5 太陽能光伏設計

1.5.1 平均峰值日照時數

由表4可知，北京地區的最佳傾角為42°，在最佳傾角下(最佳傾角是指在這個角度下太陽電池組件各月、各季所接受到的日平均輻射量最大)，平均峰值日照時數(組件表面)Tm為5.28 h。由于北京農村房屋多為斜面，傾角一般在15°～30°，太陽電池板需根據實際房屋傾角來鋪設，本文取傾角20°，由表4數據可知，平均峰值日照時數為5 h[5]。

1.5.2 蓄電池容量的確定

北京地區農村在無市電補充情況下，每戶每天最多用蓄電池供電時間為6 h，北京地區連續陰天定為3天，系數為1.2，所以

式中，W為負載功率，取4177.07 W；h為蓄電池最多供電時間；U為系統電壓，取48 V。代入式(1)得：

表4 北京全年輻照量數據表

查太陽蓄電池型號數據可得：選擇2 V的CN-3000型號蓄電池，電路中需串聯24個。1.5.3 太陽電池板型號的確定

式中，T為峰值日照時間；K為綜合系數，K=K1×K2×…×K7，其中，K1為環境溫度系數，為0.9325，K2為污染損失系數，為0.96，K3為最大功率損耗系數，為0.94，K4為太陽電池板串并聯損耗系數，為0.95，K5為直流線損系數，為0.97，K6為系統中有整流、逆變系數，為0.85，K7為電池損失系數，為0.7。根據北京地區日照氣象數據可知，北京地區的峰值日照時間為5.0，h=6，負載功率為4177.07 W，代入式(3)得式(4)[2]：

查普通電池板規格型號表，可選擇150(17)P1470×680×25型號的太陽電池板，峰值功率為150 W，峰值電壓為18.5 V；每排串聯4個，并聯21排。光伏初始設計時，按照無外加市電供應的最大負載計算，可滿足其他特殊情況，保證蓄電池和太陽電池板提供足夠的容量為負載供電。根據農村房屋模型屋頂尺寸，將太陽電池板鋪設在朝南方向的屋頂斜面上，最多放置52塊太陽電池板，每排串聯4個，并聯13排，屋頂總裝機容量7.65 kW。剩余容量可利用其他方式補充[6]。

2 光伏利用規劃

由于研究體系是針對北京市冬季農村房屋能耗損失，計算的所有能耗損失將由太陽能發電補充，優先用于解決居民冬季的供暖設備損耗，不考慮用于其他非供暖設備。本文根據北京地區太陽能發電量規劃幾種方案，同時利用合理控制器，采取適當的市電補充，連接負載供熱設備，達到居民屋內適宜溫度18 ℃。依據北京地區峰谷電價數據，將方案進行經濟比較并計算回收期，得出較合理的實際可行方案。

2.1 光伏設計方案

2.1.1 方案1

當太陽電池工作時，將發出的直流電儲存在蓄電池里。當居民需要供暖時，利用控制器將蓄電池的直流電通過逆變器轉化為220 V交流電，連接正常家用供暖設備給屋內供暖，組成一個小型家用太陽能離網系統[7]；同時，控制器連接220 V市電作為補充電源。電暖氣作為供暖的主要電氣設備，環保清潔、成本較低，被廣泛使用。據北京市地區居民電價情況調查可知，電價按峰谷時段劃分，峰段時間為 10：00～15：00、18：00～21：00，谷段時間為 23：00～07：00，其余時間為平段時間。其中，峰段電價1.1855元/kWh，谷段電價0.2833元/ kWh，可見在谷段用電較為經濟，且節約能源。為了更好地利用電力資源和追求最大經濟效益，根據北京地區實際電價情況規劃出如下方案，根據時間可分為3個階段。

1)第1階段：據調查北京地區冬季平均每天的日照時間約在07：00，日落時間約在17：00，房間可利用光照輻射有效時間為10 h。這段白天時間居民房屋通過日照輻射熱量可基本保證室內達到適宜溫度18 ℃以上，無須外加能量補充。此時，負載電熱器不工作，太陽電池板發出的直流電通過控制器直接給蓄電池充電(控制器有過充、過放保護)，不給負載供電。系統基本原理圖如圖3所示。

圖3 第一階段系統原理圖

2)第2階段：根據北京市農村居民生活習慣，夜晚負載電熱器使用時間為17：00到第二天07：00。其中，17：00～23：00 是用電高峰期，電價實行峰值電價，使用市電直接供給負載，電費較高且不經濟。為了減少電費成本，合理利用電力資源，可利用控制器停止市電直接給負載電熱器供電，同時將蓄電池的電經過逆變器轉化為220 V給負載供電。設計容量合適的蓄電池在白天日照時充電，夜里放電給負載電熱器，可滿足足夠的負載電力需求。系統基本原理圖如圖4所示。

圖4 第二階段系統原理圖

3)第3階段：根據北京地區峰谷時段電價可知，夜晚23：00到第二天07：00為用電低谷期，實行谷時電價，此時利用市電給負載電熱器供電較為劃算。首先，控制器停止蓄電池給負載供電，然后，連接市電直接給負載電熱器供電；最后，電熱器工作時，控制器設定固定溫度范圍，高于范圍電熱器自動斷電，并且用市電給蓄電池充電，等到室內溫度降到固定溫度范圍以下時，市電停止給蓄電池充電，直接給電熱器供電，電熱器重新工作。這種控制方案既可提高利用率，又可節省成本。系統基本原理圖如圖5所示。

圖5 第三階段系統原理圖

2.1.2 方案2

根據北京農村地區調查，居民用電量很小，每天約為5 kWh，太陽能發出的電大部分存在蓄電池里。相對來說冬天取暖較為費電，而夏天會造成能源浪費。在當地供電公司允許下，實行并網發電，如圖6所示。

圖6 光伏并網發電系統圖

并網發電的方式有兩種。第一種為“自發自用，余量上網”，即自發自用的光伏電量不做交易，國家按照自用電量給與補貼，富余上網電量除了電網企業支付的脫硫燃煤火電機組上網標桿電價外，也享受國家的度電補貼。這種家庭分布式光伏發電系統配有雙向計量電表，可清楚查出發電并網電量和用戶正常用電量。第二種方式是“全額上網”，即太陽電池板發出所有電量全部并網售電。2014年國家能源局發布《進一步落實分布式光伏發電有關政策通知》，北京地區屬于太陽能資源分區Ⅱ類資源區，享受標桿上網電價0.95元/kWh的補貼。

2.2 經濟分析比較

方案1是離網與市電相結合的系統，系統部件含太陽電池板、蓄電池、控制逆變一體機等。房屋圍護結構優化前，需太陽電池板的總功率約為20 kW，根據現在市場上家庭光伏離網系統計算，優化前的前期投入較大，對于農村居民現有的經濟條件來說不可行。對房屋圍護結構進行優化后，同時依據實際可利用面積使太陽電池板的總功率降為7.65 kW，建筑圍護結構的節能改造費用為3000元，總費用約在13萬。根據北京農村居民每天用電情況，蓄電池放電供負載電熱器使用，每天工作時間為6 h，這段時間正處于峰段時間，按電價1.1855元/kWh計算，每年可節省電費2596元。

方案2是并網發電系統。系統部件含太陽電池板、逆變器等。已知最大可利用光伏裝機容量為7.65 kW，根據現在市場上成套家庭光伏并網系統8元/W計算，建設成本約為6萬。根據最新光伏上網電價政策規定，北京地區享受標桿上網電價0.95元/kWh補貼，居民每天光伏發電量約為30.6 kW，并網售電每年可得利潤收入10610元。

表5 經濟性分析

根據上述經濟性分析，方案1適合于電力不便傳輸的偏遠山區，獨立性和靈活性較強，但由于有儲能設備蓄電池，造成系統成本較大，需要在政府和當地有關部門給予財政補貼的情況下，才可能在大多數農村居民中實施運行。方案2依托當地電網，農村居民不僅可自發自用解決供暖問題，也可并網售電。此方案系統成本較低且回收期較短，居民在成本回收期過后，還可得到一部分可觀收益，更有利于北京農村地區推廣和實行。如果政府給予每戶3萬元光伏采暖補貼，每戶投入僅需2.8年就可收回投資。在余下的22年壽命期內每戶可取得近20萬元收益。光伏不僅可解決北京地區農村住宅的采暖問題，減少霧霾，而且可讓農村扶貧致富。同時通過分布式農村住宅光伏發電推廣，提高了房屋的屋頂利用率，還起到農村住宅節能降耗的作用，不僅減少電力系統對農村輸送電力引起的損耗，而且具有一定的社會意義和連帶的經濟效益。

3 結語

傳統的北京農村居民冬季使用燃燒秸稈和煤炭來供暖，不但利用率不高，而且排出的氣體容易造成污染。根據北京地區農村房屋的特點設計光伏系統解決冬季熱量損失的問題，通過對房屋墻體、門窗等不斷優化，盡可能減少經濟成本，節能減排。根據實際情況和能耗損失，結合北京地區電價的特點，設計出兩套方式不同的解決方案，為解決北京農村冬季供暖問題提供更新穎的設計思路。希望方案的初步設計和經濟分析有利于在北京市農村地區更好地推廣實施，為解決北京地區的霧霾等空氣污染問題做出貢獻。

[1] 周春艷， 周春濤. 嚴寒地區農村住宅在應用被動式太陽能技術上的優勢[J]. 吉林建筑工程學院學報， 2005， 22(4)：35－38.

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[3] 宋海宏. 寒區農村人居環境生態問題分析及探索[J]. 低溫建筑技術 ， 2006， (1)： 28 － 30.

[4] 趙續民. 寒冷地區農村住宅建筑節能的途徑[J]. 山西建筑，2004， 30(9)： 10 － 11.

[5] DB21/T 1792/2010， 太陽能光伏與建筑一體化技術規程[S].

[6] DB21/T 1685/2008， 太陽能光伏照明技術規程[S].

[7] 鄒積慶， 汪艷君. 太陽能在采暖系統中的應用分析[J]. 中國科技信息 ， 2005， (13)： 102.