免费下载论文：
参考文献示例：
郝媛媛，孙方田，张静宇. 华北地区新农村住宅低碳能源系统分析［J］. 煤气与热力，2024，44（7）：B43-B46.
华北地区新农村住宅低碳能源系统分析
郝媛媛，孙方田，张静宇
摘 要：针对华北地区新农村住宅用能特点及基础设施条件，提出应用低碳能源系统，即基于储电调控的太阳能光伏与浅层地源热泵耦合的低碳能源系统（简称储电调控系统）和基于储热调控的太阳能光伏与浅层地源热泵耦合的低碳能源系统（简称储热调控系统），以某新农村住宅为例，对比分析低碳能源系统与传统能源系统。研究结果表明：传统能源系统全年一次能源消耗量高于低碳能源系统。传统能源系统的年二氧化碳排放量最大。与传统能源系统、储热调控系统相比，储电调控系统年用市电电量最少，年二氧化碳排放量最低，有显著的能源效益。
关键词：屋顶光伏；浅层地源热泵；储能优化；储电调控
新农村住宅具有体形系数小、容积率低等特点，属于典型的高能耗居住建筑。在华北地区，新农村住宅通常采用空气源电动蒸气压缩式热泵（简称热泵）进行供冷，采用燃气供暖热水炉进行供暖，其年能耗总量约是城镇居住建筑的1.5倍［1］。北方新农村住宅的运行能耗约占全国建筑运行能耗总量的29%［2］，因此其绿色低碳能源技术受到极大关注。
北方地区新农村住宅用能负荷密度低的特点与太阳能、浅层地热能的能源密度低的特点相匹配［3-4］。因此，新农村住宅宜发展太阳能光伏与浅层地源热泵耦合供能方式。基于农村丰富的屋顶资源，江亿等人［5］提倡发展基于屋顶光伏的农村新型能源系统，并构建了屋顶光伏的直流微网系统。Mageshwari等人［6］研究表明，印度农村屋顶光伏具有较好的经济效益和环保效益。浅层地源热泵具有较高的供热、供冷性能［7］，在华北地区新农村住宅具有较好的应用前景。Qiu等人［8］研究表明，地源热泵与光伏耦合有助于光电高效消纳。然而，太阳能间歇性、不连续性特点与新农村住宅冷、热、电负荷需求不匹配，存在源荷双侧不确定性问题［9］。
储热和储电均可用于解决源荷双侧不稳定问题［10-11］，储电具有能源密度大、负荷响应速度快和成本高等特点，而储热具有负荷调节速度慢、蓄能密度小和成本低等特点。储电和储热均具有各自的局限性。对于华北地区新农村住宅低碳能源系统，储能方式优选是目前亟待解决的关键问题。
综上所述，本文针对华北地区新农村住宅用能特点及基础设施条件提出低碳能源系统，即基于储电调控的太阳能光伏与浅层地源热泵耦合的低碳能源系统（简称储电调控系统）和基于储热调控的太阳能光伏与浅层地源热泵耦合的低碳能源系统（简称储热调控系统），对比分析低碳能源系统与传统能源系统。
对于低碳能源系统，光伏发电量用于给家电和热泵供电，在有富余的情况下，优先提供给用户热水器，然后再进行存储。
储电调控系统流程见图1。储电调控系统由供电系统和冷热源系统组成。其中，供电系统主要由光伏发电系统、蓄电池和市政电网构成，冷热源系统主要由热泵、地埋管和冷却塔构成。
昼间光伏发电量，在有富余的情况下首先用于末端设备中的用户热水器，制取生活热水，如仍有富余，则启动蓄电池蓄电，蓄电池蓄满后，如果仍有富余电量，则进行上网售电。
热泵在昼间和夜间均优先利用光电，通过变频调节方式来满足用户冷负荷或热负荷需求。若光电不能满足用户电力需求时，市政电网进行补充。用户的电力消耗由光伏发电系统的光电和市政电网火电组成。
储热调控系统流程见图2。储热调控系统主要由供电系统和冷热源系统构成。其中，供电系统主要由光伏发电系统和市政电网构成；冷热源系统主要由热泵、地埋管、蓄热罐、冷却塔构成。
昼间光伏发电量，在有富余的情况下首先用于末端设备中的用户热水器，制取生活热水，如仍富余，则启动热泵并进行蓄热罐蓄热。蓄热罐蓄满后，如果仍有富余电量，则进行上网售电。
用户需求优先消耗蓄热罐的热能，不足部分再启动热泵，并通过变频调节方式进行调节。若光电不能满足用户电力需求时，市政电网进行补充。用户电力消耗由光伏发电系统的光电和市政电网的火电组成。
① 新农村住宅基本信息
北京某新农村住宅平面图见图3。住宅建设用地面积约234.0 m2，建筑面积约118.2 m2。外墙传热系数为0.45 W/（m2·K），屋顶传热系数为0.35 W/（m2·K），外窗传热系数为2.00 W/（m2·K），外门传热系数为2.00 W/（m2·K）。
图3 新农村住宅平面图
② 家用电器
根据调研结果，新农村住宅家用电器概况见表1。
③ 屋顶光伏发电系统
光伏发电系统采用38块光伏板以19块串联为1组，然后2组再并联的方式接入控制器和逆变器。单个光伏板面积为1.63 m3，最大功率为300 W。光伏发电系统主要设计参数见表2。
新农村住宅冷负荷、热负荷全年分布见图4。
供暖期为11月15日至次年3月15日，供冷期为5月15日至9月15日。由图4分析可知，新农村住宅设计热负荷为17.82 kW，设计冷负荷为12.87 kW。
对于低碳能源系统，热泵可采用YCWF018热泵机组（制冷量为16.6 kW，制热量为19.1 kW）。末端为4台额定功率为55 W的风机盘管。用户电热水器提供生活热水，额定功率为1 500 W。低碳能源系统的全年供冷、供热耗电约2 000.8 kW·h，相当于消耗一次能源18.64 GJ。
对于传统能源系统，卧室选取3台KFR-26GW空调器（额定制冷量为2 600 W，额定制热量为3 900 W），客厅选取1台KFR-35GW空调器（额定制冷量为3 510 W，额定制热量为5 010 W），另配备1台燃气供暖热水炉，额定热负荷为18 kW。传统能源系统全年供冷、供热耗电约1 021.53 kW·h，相当于消耗一次能源9.52 GJ。耗气量约644.52 m3，消耗一次能源25.09 GJ。
综上可以看出，传统能源系统全年一次能源消耗量高于低碳能源系统。
根据表1，将家用电器耗电量计入，分别计算低碳能源系统与传统能源系统年用气、年用电、年二氧化碳排放情况，见表3。依据GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》附录A，天然气的二氧化碳排放因子按55.54 t/TJ计算，天然气的热值取38 931 kJ/m3。依据生态环境部、国家统计局联合发布的《2021年电力二氧化碳排放因子》［12］，市电电量的二氧化碳排放因子均按0.568 8 kg/（kW·h）计算，光伏电量二氧化碳排放量为0。不考虑剩余光伏电量上网的碳补偿。
① 传统能源系统全年一次能源消耗量高于低碳能源系统。
② 传统能源系统的年二氧化碳排放量最大。与传统能源系统、储热调控系统相比，储电调控系统年用市电电量最少，年二氧化碳排放量最低，有显著的能源效益。
（本文责任编辑：刘灵芝）
声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！
更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。
