太阳能、电能互联家庭取暖设施的研制

陈福亮，陈有双，岳晓辉，王严颉，高 源，罗梓鸣，罗梓轩

（国网冀北电力有限公司迁西县供电分公司，河北 迁西 64300）

1 选题理由

目前，中国农村大多数地区仍在用燃煤取暖。一进入冬季，村庄上空笼罩着浓浓烟雾，气味呛人，烟尘满院，空气污染严重，能源消耗大，利用率低。据统计，截至2023年4月，京津冀地区有4 424万农村人口，冬季取暖燃煤近3 000万t，每天排放二氧化碳1 572万t、二氧化硫51万t、氮氧化物444万t，粉尘2万t。这些污染物的排放直接导致了冬季空气质量的恶化，这也是造成冬季雾霾严重的重要原因之一。为实现“碳达峰、碳中和”的目标，国家推出了一系列节能减排措施，在广大农村推广电采暖。然而由于现在推行的电采暖产品部分设备热效率低，成本高，居民应用积极性不高。为此QC小组人员集思广益，通过广泛借鉴，决定研制一种太阳能、电能互联家庭取暖设施，提高热效应，降低成本，减少用电量，进而提高老百姓冬季采暖清洁能源应用率，为实现“碳达峰、碳中和”目标做出贡献。

2 确定课题

小组成员通过头脑风暴法，结合走访调研和理论数据分析进行充分讨论。

经过小组成员分析，目前采用的电采暖设备分别是蓄热式电采暖设备、锅炉式电采暖设备主要存在以下问题：

设备用电量大。每台平均功率2.4 kW，每家农户3台设备，总功率达到7.2 kW。

电采暖设备执行峰谷电价时间为08:00—20:00，如果全时段采暖峰段电费很高。

热效率低。传统电采暖设备冬季“三九”天屋内温度平均12 ℃，不能满足冬季取暖要求。

3 广泛借鉴

现有的电采暖设备热效率低，采暖成本高，居民应用积极性不高，无法满足实际要求。小组研制一种太阳能、电能互联家庭取暖设施，借鉴温室大棚新能源联供的方法，新能源联供包括光伏发电、太阳能热水器和沼气热水3个系统。白天利用光伏发电提供电能加热锅炉中循环水；晚上利用沼气烧水加热锅炉中循环水，借鉴其能源互联技术。

4 目标设定

课题目标：在保证农村居民用户冬季取暖屋内最低温度达到17 ℃以上的前提下，整个冬季采暖电费降至1 400元以下。

5 提出最佳方案

小组根据借鉴思路和技术，实现太阳能、电能顺畅互联转换，太阳能热水器利用太阳能将水加热，电热水器通过电能将水加热。2种能源通过2根水管无缝对接无间隙转换传输到屋内供暖设备上。而且充分利用现有资源和政策支持，利用低谷电价，实现低碳环保、节能高效目的，同时也能降低成本。小组提出了研制太阳能、电能互联家庭取暖设施的总体方案，如图1所示。

图1 最佳方案图

6 对策实施

按照原理图2所示，进行对策实施。

图2 原理图

对策实施一：选择U型集热管，其太阳能热量吸收比为95%，价格为1 400元，集热管能承受水压为1.6 MPa，密封可靠性为98%。

对策实施二：小组按照设定目标选购PPR水管，安装时管线接头须配套，热熔机须清洁，管子切口应整齐，对接时须端正，注意温度和对接时间，管子与接头要插接到位。

对策实施三：小组人员去市场购买屏蔽泵前，用卡尺测量循环泵管口外形直径，选择合适电压、功率、扬程、价格适中的循环泵，且静音效果好。循环泵要安装在上水管中间位置，并靠近电热水器出水口侧，充分利用储水罐压力，减轻循环泵负担，有利于热水循环。

对策实施四：根据设计方案画出安装图纸，购买价格低、使用寿命30年的PERT 4分地暖管，保温板选择保温性强耐火岩棉板，水暖炕管材质与地暖管一致2分管，分水器选用5路。测量画印，地暖管间距20 cm， 炕暖管间距10 cm。排管安装，打眼固定，安装分水器，水炕暖安装调温控制器。

对策实施五：选择合适位置安装空气源热泵，按照图纸进行管路连接、传感器安装，在安装室内和连接太阳能管线转换阀时注意阀体方向性；安装完后，进行能源转换供水循环系统调试和能效比测试。

对策实施六：选购-40 ℃防冻液，200 kg纯净水，按照1∶0.5比例加入防冻液制作成所需软化水。

对策实施七：组装调试，小组安装试验前对制作过程进行检查，制作太阳能、电能互联家庭取暖设施主体制作流程图，使用PDPC法进行现场实施，如图3所示。

图3 流程图

7 效果检查

太阳能、电能互联家庭取暖设施研制完成后，本课题小组对4个月采暖期用电实地考察，1月2—15日，连续14 d每晚18:00测得屋内温度达到19 ℃。混合能源采暖设备白天不消耗电量，晚上应用节能型电能采暖设备供暖5 kW空气能热水器，执行谷段电价，每晚耗电量33 kW·h，电费10元，4个月用电电费约1 200元。考察期间整个采暖期阴天、雨雪天气共11 d，按白天使用6 h计算，峰段共用电330 kW·h，峰段电价0.55元/(kW·h)，采暖季白天共电费182元。冬季采暖4个月，合计电费约为1 382元，达到了课题目标，实施成果图如图4所示。

图4 成果照片

8 标准化

8.1 推广价值评估

QC小组委托迁西县住建局煤改电办公室对太阳能、电能互联家庭取暖设施的推广价值开展评估。住建局煤改电办公室组织团队从采购成本、运行维护成本、应用收益折算等价值因素出发，深入评估装置在迁西地区范围内的推广应用价值，设备成本2000元，对比现有电采暖设备取暖节省 3302元，充分明确了该装置在全区范围内的可推广性。

8.2 技术标准化

本成果在迁西县推广使用，设备纳入迁西住建局双代办设备之一，设定专人负责检查操作。同时小组对安全注意事项进行标准化，小组成员根据、设备的不同状况采取相应措施，小组编制了标准化文件，如表1所示。

9 结束语

本次QC活动小组成功研制了一种太阳能、电能互联家庭取暖设施。解决了现在的电采暖产品部分设备热效率低，成本高，通过试用，深受广大群众欢迎，下一步小组将研究如何进行成果转化和经验推广，让“碳达峰、碳中和”目标早日实现。