龚志广 杨建盛

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着人民生活水平的提升，对资源节约和环保问题的讨论越来越关注.近些年集中供热技术在城市里取得了快速扩大发展，但针对农村住宅的系统性供暖技术仍不健全.计算机技术与传统技术的相结合推动着经济社会的前进和发展.对于农村住宅供暖系统来说，随着技术的改进和节能减排的需求，传统集中供暖日益受到排斥，新的按需供暖方式受到越来越多的追捧[1-2].随着要倡导绿色低碳和节能减排的发展智慧城市，如何科学有效地使用供暖系统目前就成了农村住宅在寒冷的冬季需迫切解决的难题[3-5].

目前在张家口地区，市区实现了集中供热，乡镇一般采用供热锅炉作为主要采暖热源，而农村住宅一般采用燃煤火炉或小锅炉及火炕等传统措施进行采暖，设备落后、热效率极低、环境污染严重.针对张家口坝上地区农村住宅冬季供热问题，将太阳能集热器供热结合风力、光伏发电供热组成联合供热系统，构建“风光发电+光热”储能联合供热控制系统，通过网络化智能化控制，充分利用太阳能和风能供热，控制风力光伏发电系统、太阳能集热器、电锅炉、蓄电池组、蓄热水箱和换热给水系统协调工作，解决风能和太阳能辐射强度变化热源不稳定和建筑供暖需求连续稳定之间的矛盾，满足冬季村镇住宅供热系统的供暖需求.

1 系统设计及原理

1.1 联合供热系统总体框架

系统总体由风力发电系统和光伏发电系统联合进行可再生能源发电，经由蓄电池组储存发来的电.由于可再生能源发电的不稳定性，需结合市电辅助来对电锅炉进行供电.电锅炉供热的同时配合着太阳能集热器吸收太阳辐射能，来同时对各自内部管道的水进行加热，然后再通过蓄热水箱和换热给水来进行热交换.系统框架如图1所示：

图1 风光发电+光热储能联合供热系统框架

白天，太阳能集热器和风电+电锅炉系统共同承担供暖负荷[6].但是在晚上太阳能集热器暂停工作，由风电+电锅炉和蓄热水箱承担供暖负荷，先由风电+电锅炉供热，不足部分由蓄热水箱补充.如遇连续阴雨天和无风天气，风能和太阳能不足，由市电+电锅炉作为辅助热源补充供热，为用户提供生活热水和采暖需求[7].夜间00：00-03：00负荷低谷时段，蓄热水箱蓄热不足，优先用风能蓄热，不足由电锅炉用市电为蓄热水箱蓄热.

1.2 风光互补发电模型

由光伏发电和风力发电供电部分机组配合蓄电池组发出直流电，经由风光互补控制器来调控输送至逆变器转换成所需的交流电，产生的交流电主体部分为居民供电，剩下的一部分送到电锅炉去供暖，同时给蓄电池充电，多余电能并网.风力发电机组本身产生的是交流电，因此风力发电供热部分机组直接经过AC-DC整流器和逆变器来对电锅炉进行供电，风光互补发电模型如图2所示：

图2 风光互补发电模型图

风光互补发电优先保证用户供电、然后供暖，将供电、供暖后仍多余电能进行并网.并且优先利用风能、太阳能供电、供暖，不足部分由市电补充.同时蓄热水箱优先利用风能蓄热，不足的部分将利用谷电补充.风光互补发电主要满足的是三个互补：①风力发电与光伏发电互补；②风能供暖与光热供暖互补；③发电系统与供暖系统互补.

在春、夏、秋的非供暖季节，风光互补发电系统发电，在为居民供电的同时给蓄电池充电，多余电能并网.若遇到连续阴雨天、无风，蓄电池储能不足的情况，这时候就需要通过市电的辅助，以此来补充所需的电量.

1.3 供热采暖工程设计

太阳能集热器吸收太阳辐射能，以此来给集热器内部的水加热，再通过换热器进行热交换，得到二次侧水流为用户供暖和供热水.太阳能集热器和风电+电锅炉系统承担供暖负荷的同时向蓄热水箱蓄热，蓄热结束后，太阳能集热器和风电+电锅炉系统继续承担供暖负荷.夜间太阳能集热器停止工作，由风电+电锅炉和蓄热水箱承担供暖负荷，先由风电+电锅炉供热，不足部分由蓄热水箱补充.

将热交换后的热水通过分水器送往各住户对应的房间管道中去进行供暖，之后热水通过集水器送往循环泵中再经由换热器换热.另外，还需要将一部分的自来水通过软水器进行软化，然后送入到补水箱中，以此来维持整个水循环中的水平衡.

在春、夏、秋的非供暖季节，太阳能集热系统为用户提供生活热水，集热不足由风光发电/市电+电锅炉补充，此时供暖系统停止工作.太阳能-电锅炉-水蓄热供热采暖工程如图3所示：

图3 太阳能-电锅炉-水蓄热供热采暖工程

在冬季供暖阶段，根据时段，天气情况，系统运行于不同的工作模式.区分白天和晚上有无日照的情况，以及当日有无刮风，或者是否连续下雨，下雨时有无刮风.具体分配如表1所示：

表1 不同天气时段系统运行模式

1.4 分布式测控平台

联合供热系统的测控点很多，小型系统多达十几个，大型系统多达几十个，属于多变量、大惯性滞后复杂控制系统.为控制协调太阳能集热系统(光一热转换)、风力光伏发电供热系统(风力发电/光伏发电+电锅炉)和储能系统(蓄电池电储能+水/相变储能)三大子系统，适应风能和太阳能辐射强度动态变化，满足冬季村镇建筑室内温度供暖需求，设计出分布式测控网络的联合供热控制系统，如图4所示：

图4 分布式测控网络平台框架

该架构采用物联网方式.主要分为三层：感知层、网络层和应用层.由传感检测网络、网关节点、光纤/以太网/WiFi/GPRS通信网络、监控中心四部分组成，上层为光纤/以太网/WiFi/GPRS主干网，实现数据远距离无线传输；下层为现场总线/Zigbee传感检测二级子网，由传感检测节点和执行机构节点构成，完成数据采集、控制命令的执行.网关节点连接现场总线/Zigbee传感检测网络与光纤/以太网/WiFi/GPRS通信网络，实现通信协议转换.网关节点接收传感节点温度、流量、压力等信号并控制执行机构节点协调工作，并把系统各部分工作状态信息通过光纤/以太网/WiFi/GPRS通信网络上传到上位机监控终端，实现储能联合供热系统的全程在线监控.

2 系统各部分设备计算及选型

本文选取张家口坝上地区某农村50户居民为例，每户居民4间平房，15m2/间，每户总面积为60m2，该村总供热面积A=60m2*50户=3000m2.一次侧供回水温度90/60℃，二次侧供回水温度50/40℃.供热部分热负荷计算和风力光伏发电部分的供电负荷计算及设备选型如表2和表3所示.

其中各部分热负荷设计如下：

(1)集热器按热负荷(供暖+供热水)的75%设计，即：光热供能=75%供热负荷.

(2)电锅炉按热负荷(供暖+供热水)的100%设计.

(3)蓄热水箱按热负荷(供暖+供热水)的100%设计.

这里将供暖热负荷指标取120W/m2，那么总的供暖热负荷就为(120*3000)/1000=360kW.而生活热水负荷方面，选取每户人家3口人，50户共150人，那么生活热水负荷就为4.187*6.18*150*120/24*[(55-5)]/3600=269.538125kW.最终总供热负荷=总供暖热负荷+总生活热水负荷=629.538125kW.

发电系统供电负荷总体设计如下：

(1)①风光互补发电：按供电负荷(农户用电+供热系统水泵用电)100%设计；

②风力发电供暖：按供热负荷75%设计.

(2)蓄电池组按供电负荷100%设计.

(3)风力发电与光伏发电容量配比综合考虑①地区风能资源与光能资源；②风力发电成本与光伏发电成本.容量配比如下：风力发电=供电负荷75%+供热负荷75%，光伏发电=供电负荷75%(不参与供热，只供电).

风光互补发电供农户用电和供热系统水泵等电器用电，这里选取农户用电为6kW/户，预留25kW供热站用电(包括两台循环泵和两台补水泵共12.5kW)，那么风光互补发电的供电负荷为6*50+25=325kW.而风力发电供电分的供电负荷按照风光互补发电供电负荷的75%设计，即325kW*75%=243.75kW.

表2 供热部分供热负荷及设备选型

3 结 论

风光互补农村住宅联合供热系统，主要是为了解决张家口坝上地区农村住宅冬季供热的问题.在我国北方地区，尤其是广大农村地区，有广阔的推广应用前景.系统采用“风光发电+光热”储能联合供热，除了太阳能集热功能，还增加了光伏发电和风力发电功能.不仅解决了农村住宅的供热问题，同时还解决了农户们供热水和供电的问题.以此来助力绿色宜居村镇建设，减少大气污染，缓解气候变化，改善农村生活条件和环境，提高农民的生活质量[8].可以预测它的应用范围将更广，尤其在我国北方农村地区势必得到大规模应用.