基于沈阳农村住宅能量平衡的太阳能光伏取暖的研究

雷彩娟，鞠振河，丛　景

(沈阳工程学院 a.电力学院； b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



基于沈阳农村住宅能量平衡的太阳能光伏取暖的研究

雷彩娟a，鞠振河b，丛景a

(沈阳工程学院 a.电力学院； b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：作为新能源，太阳能是最清洁最便捷的能源。要解决农村能耗及环境问题，太阳能发电无疑是最好的方法。介绍了几种不同方式的太阳能在农村住宅上的应用，然后对其进行比较，得出农村住宅的最佳采暖方式，从而为治理挥之不去的雾霾提供一种可行性方法。

关键词：农村住宅；取暖；太阳能

1农村住宅的模型

1.1　农村住宅的典型特点

农村住宅户型各异，一室多用，为了取材方便，以沈阳农村地区住宅为例进行研究。沈阳农村地区住宅多以独立的三间房为主，坐北朝南，室内格局是东西排列，东西房住人，取暖方式仍以传统的火炕为主，炕一般在靠近窗户的南侧。北边为储藏室，主要是堆放杂物和农具，同时对东西房起到保温隔热的作用。现在农村房屋普遍是砖瓦结构，屋顶进行了简单吊顶，并用植物的秸秆进行保温处理。窗户采用塑钢单层推拉窗。

1.2　住宅模型

图1为居民住宅实物图，图2为住宅平面图。

2住宅的能量损失及围护结构的优化

房屋的能量损失主要是通过建筑物的围护进行传递的(门窗、墙体、屋顶、地板)，建筑物的换气和冷风渗透忽略不计。房屋内部获取的能量主要是居住者释放的能量(一个成年人静坐时平均释放能量为100 W)，房间内灯具、家用电器等设备释放的能量不计。

图1　柳岗屯居民住宅(带塑钢门窗的砖混住宅实物)

图2　住宅平面图

2.1　建筑围护的结构参数

建筑围护结构如表1所示，以三口之家(夫妻，子女)的农户为研究对象，房屋总面积为105 m2(14 m×7.5 m)，房高为3.5 m。设计室内的温度为18 ℃，根据沈阳气象数据可知，沈阳冬天室外最低平均温度为-11 ℃，最高平均温度为0 ℃，平均温度为-5.5 ℃。各围护结构的结构参数及传热系数极限值如表1、表2所示。

表1　建筑围护结构参数

表2　建筑围护结构的传热系数的极限值

2.2　房间各部分的能量损耗

门的能量损失=门的面积×门的U值×ΔT=2.0×2.7×23.5=126.9 W

窗户的能量损失=窗户的面积×窗户的U值×ΔT=13.2×4.89×23.5=1 516.9 W

墙的能量损失=墙的面积×墙的U值×ΔT=135.3×1.318×23.5=4 190.6 W

屋顶能量损失=屋顶面积×屋顶的U值×ΔT=55.8×1.077×23.5=1 412.2 W

地面能量损失=地面面积×地面的U值×ΔT=105×0.52×23.5=1 283.1 W

其中，ΔT为室内、外的温度之差

房屋总的能量损失=126.9+1 516.9+4 190.6+1 412.2+1 283.1-100×3=8.23 kW

2.3　围护结构的优化

调查显示，农村建筑围护的保温性普遍较差，围护结构的热损失占房间总热量损失的百分比如图3所示。墙体所占的比例最大，约占房间总热量损失的50.3%，其次是窗户和屋顶，约占房间总热量损失的18.2%、17%。由于农民节能意识较差，热量的大量散失使屋内的舒适性大打折扣，下面对外墙、窗户和屋顶进行保温优化，使房屋的热量损失减少，提高居民居住的舒适度。

图3　围护结构的热损失占房间总热量损失的百分比

1)墙体的优化

聚苯乙烯膨胀泡沫塑料(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫材料(XPS)、泡沫混凝土材料是市场前景比较好外墙保温材料，通过对以上几种保温材料综合指数的比较，外墙保温选择挤塑聚苯乙烯泡沫材料。其导热系数小于等于0.028 W/m·K，保温隔热性能好，强度高，厚度较小，价格低廉，广泛用于墙体保温中。

2)门窗的优化

针对门窗的散热，可采用在玻璃上贴膜的保温技术。即在现有的玻璃窗内表面贴一层30 μm厚的聚酯膜，形成一道保护屏障，从而增强窗户的保温性能，提高屋内的舒适性。有资料表明，如空气的厚度为30 mm，这样的保温技术可以使窗户的热损失减少60%。

3)屋顶的优化

木屋顶可以在吊顶上铺设保温材料，比如在保证吊顶能够承受的荷载条件下，铺设掺加了石灰粉的麦秆。

2.4　优化后房间的热量损失

由于农村经济条件的限制，在实际生活中，室内温度不可能达到舒适温度18 ℃，实际值会更低。对于农村住房，东西房住人，北边堆放杂物，实际的采暖范围只局限于一两个卧室，而杂物间相当于隔间，它可以起到隔热保温的作用，使房间温度提高3-4 ℃，这样相当于房间围护结构(墙体)的外表面积减少，热量损耗会相对减少。

优化后房屋总的热量损失=126.9+1 780.5+606.7+832.6+1 283.1-100×3=4 329.8

由此可见，围护结构改造后，传热系数降低，提高了围护的保温性，改造效果相当明显。

表3　围护的优化方案

3太阳能在农村采暖中的应用

太阳能作为一种清洁高效的能源，在房屋建筑中备受人们的关注。地球每年从太阳获得的能量高达6×1 017 kW·h，而沈阳地区年平均辐射量达4 965.53 MJ/m2，充足的太阳能为农村太阳能取暖提供了有利的资源。

3.1　太阳能电池组件参数的确定

设计原则：在满足负载需求的情况下，使太阳能电池组件的功率和蓄电池容量最少，减少初始投资。在设计时，应使太阳能组件“全年均衡，弱季最大”接收太阳能辐射量，在沈阳地区辐射量最弱的季节是冬季的12月份。

1)平均峰值日照时数Tm

沈阳的地理位置为123.38E、41.8N，查询相关数据得到，沈阳地区平均实际日照时数为7 h，在最佳倾角的情况下(最佳倾角是指在这个角度下太阳能电池组件各月、各季所接受到的日平均辐射量最大)，沈阳地区最佳倾角为41°，平均峰值日照时数(组件表面上)Tm为4.56 h，最小峰值日照时数为3.68 h。由于沈阳农村瓦房的倾角一般是在15°~30°，在这种情况下，根据辽宁省地方规程《太阳能光伏与建筑一体化技术规程》沈阳地区太阳能数据资料表，可得平均峰值日照时数为4.49 h。

2)确定蓄电池容量

通过计算，负载的功率为4 329.8 W，设负载一天平均工作6 h。则蓄电池的容量

其中，W负载为负载的功率；h为负载每天工作的时间；D为连续阴雨天(一般取3天)；U为系统电压(取48V)；DOD为蓄电池的放电深度(一般取60%)；计算得,Ah=3 247.35 Ah,通过查蓄电池的规格表，选择2V 的CN-3000的蓄电池，根据系统电压的要求，需要24个2 V/3 000 Ah的蓄电池进行串联。

3)确定太阳能电池板

其中，K1为环境温度，取0.932 5；K2为污染损失，取0.96；K3为最大功率损耗，取0.94；K4为太阳能电池板串并联损耗，取0.95；K5为直流线损，取0.97；K6为系统中整流、逆变，取0.97；K7为电池损失，取0.7。计算得W=15 048.5 W-14 421.5 W

查电池板规格型号表，选择电池板的型号为150(17)P1470×680×25，峰值功率为150 W,峰值电压为18.5 V。组件排列形式为4串24并，共96块电池板。

3.2　太阳能光伏取暖方案

根据房顶的实际面积，屋顶只能放置4串10排电池板，总装机容量为6 kW，剩余的则需要通过其他方式来补充，才能使房间的温度达到18 ℃。重新计算得蓄电池的容量为1 350Ah，需24个2 V/1 500 Ah的蓄电池进行串联。此时太阳板一天发电量为21.5 kWh。

1)方案一

如图4所示，白天太阳能电池板发电给家用供暖设备使用，剩余电量可以储存在蓄电池里，实现即发即用，余量存储，形成小型的离网家庭分布式电站。晚上可以利用控制器将存储在蓄电池的直流电通过逆变器转化为220V交流电，连接供暖设备。当太阳能发电的电量不足时，220V的市电可以作为补充电源。控制器的作用，不仅可以自动实现太阳能电池方阵对蓄电池充放电的控制，还可以保护蓄电池免于过充或过放。

另一方面，可以根据沈阳市推行的居民用电峰谷时间，每日早7时至11时，19时至23时执行峰时电价，23时至次日早7时为谷时电价，11时至19时为平段，自动选择省电模式。目前暂规定峰时电价，按基础电价上浮50%，谷时电价按基础电价下浮50%，平段电价不变。目前农村取暖设备大都采用电暖气或电锅炉。它使用方便，通电即热、断电即停，对于居民冬季取暖是一种很方便快捷的选择，同时电暖气无污染、无排放、无噪音，环保性显著，可以有效改善村民的居住环境。电暖气可以作为居民火炕做饭取暖的辅助供暖。2 000 W的电暖气半个小时就可以使20-30 m2的房间温度达到人体舒适温度，这时候可以停止加热，减少不必要的电能浪费，当房间温度降低时再加热。

白天可以使用太阳能发电，即发即用，也可以使用蓄电池组给居民取暖或用电设备供电。一般情况下，如果考虑太阳能的照射角度和天气的阴晴比例，太阳能每小时通过每平方米的玻璃进入屋内的热量为300 W，白天屋内采暖需要很少的电量就可以达到指定温度，剩余大量的电能可以存储在蓄电池里，在峰值时间使用。晚上17时到23时，正当用电峰值，此时用户可以用蓄电池给采暖设备供电，避开用电高峰期，降低电费成本。当23时之后，此时用电时间为谷值，自动切换到市电给居民采暖设备供电，如果遇到连续阴雨天蓄电池组电量不足，可以利用此时的谷电给蓄电池充电，这样可以实现能源的充分利用，提高电网的利用率。

图4　围护结构的热损失占房间总热量损失的百分比

2)方案二

对于农村居民来说，每天的用电量很小，一般为5度左右，所以太阳能发出的电很大一部分存在蓄电池里。相对来说冬天的取暖比较费电，但是到夏天的时候就会造成能源的浪费，所以第二种方案实行并网发电。如图5所示，自发自用，余量上网。即自发自用的光伏电量不做交易，国家按照自用电量给予补贴，富余上网电量除了电网企业支付的脱硫燃煤火电机组上网标杆电价外，也享受国家的补贴。还有一种方式是“全额上网”，按照国家能源局2014年9月分发布的分布式光伏上网标杆电价辽宁地区0.95元/度补贴。

图5　光伏并网发电系统

4经济性分析

房屋围护结构优化前，需要太阳能电池板的总功率为15 048.5 W~14 421.5 W，根据现在市场上成套家庭光伏并网系统7~8元/W计算，优化的前期投入为15万，对于农村居民现有的经济条件看，这是不可行的。对房屋围护结构进行优化后，使得太阳能电池板的总功率降为6 KW,建筑围护结构的节能改造费用为3 000元，此费用在用户的接受范围内。通过比较可以看出，围护结构的优化不仅改善了居民的居住条件，提高了屋内的舒适度，而且节约了初始投资。由表5可以看出在达到同样屋内舒适度的情况下，方案二的性价比比较高，在政府的补贴后，很短时间便可以收回成本，而且在其使用寿命之内可以收益14万。方案一是离网系统，适合于偏远山区电力输送困难的地方，因其储能设备蓄电池比较贵，增加了初始投资，需要政府的大力支持。

表5　两种方案的经济性对比

5结语

通过对沈阳农村住宅各围护结构热量损失这一问题的研究，对墙体、门窗进行了优化，结合太阳能清洁高效的特点，提出了太阳能采暖这一新型的农村住宅取暖方式。随着太阳能采暖技术的不断成熟，基本能够满足农村居民的冬季取暖要求，其舒适性显而易见。太阳能的利用，不仅可以解决沈阳农村住宅的取暖问题，减少雾霾，改善环境，而且给居民带来可观的收益，一举两得，从长远看来是一种理想的农村取暖措施。这种小型家庭分布式发电的推广，其安全、卫生、环保、洁净符合建设资源节约型、环境友好型社会的精神。对治理环境污染、雾霾提供了一种可行性方案，对推动社会的我国的经济、能源与环境起到了积极的作用。

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[2]鞠振河.太阳能光伏与建筑一体化技术规程[S].沈阳：辽宁科技技术出版社，2009.

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Research on Solar Photovoltaic Heating for Rural Residence in

Shenyang Based on the Energy Balance

LEI Cai-juan,JU Zhen-he,CONG Jing

(School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Solar energy is the most cleanest and convenient energy.Undoubtedly,solar power is the best method to solve the problem of rural energy consumption and pollution.This paper introduces several different applications of solar energy in rural residential and suggests the best way through comparison,which provides a feasible method for the environmental protection.

Key words：rural residence;heating;solar energy

通讯作者：鞠振河(1962-)，男，辽宁开原人，教授级高级工程师，硕士。

作者简介：雷彩娟(1988-)，女，山西晋中人，硕士研究生。

收稿日期：2014-03-22

中图分类号：TK515

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0107-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.003