引言晋北地区太阳能资源较为丰富，但在村镇住宅建筑中的应用较少。许多学者针对清洁供暖系统进行研究。Labidi[1]等通过优化设计和管理蓄热水罐改善多能源供暖系统区域运行，提出新的通用策略。Blaud[2]等研究涉及多能源系统(MES)建模和经济模型预测(EMPC)的高级控制，开发了多生产节点(MPN)的软件。李晓磊[3]提出新型太阳能供暖系统技术。于水[4]等运用能源耦合系统新技术，在不同工况下拟合高效能源占比公式。韩延民[5]等利用Trnsys软件分析影响太阳能系统供热效果的原因。刘吉宏[6]等对不同规模的村镇住宅建筑供热系统进行方案设计和优化，并研究系统的经济性、合理性。现有关于清洁供热系统的研究主要对大型建筑或大型食品工业展开，对不同规模村镇供热系统的研究不足[7-8]。以山西大同左云县南红崖村为例，针对不同规模的晋北地区村镇住宅太阳能供暖系统，优化设计方案并研究其经济性。1供暖系统概括及模拟参数1.1供暖系统概括村镇单体建筑面积分别为60 m2、100 m2和200 m2，研究村镇区域供暖时，假设研究区域为若干60 m2的单体建筑群集合。如供暖面积为600 m2，假设供暖建筑区域为10户60 m2的单体建筑。供暖系统主要包括太阳能供暖系统和电锅炉供暖系统。晋北地区的太阳能资源足够为建筑提供所需的热水、空调能量。利用Meteonorm软件获取山西大同左云县南红崖村（112.71oE，39.88oN）年室外温度分布情况。大同左云县小京庄乡南红崖村年室外温度如图1所示。南红崖村全年最高气温35.19 ℃，最低气温-24.19 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F001图1大同左云县小京庄乡南红崖村年室外温度1.2模拟参数模拟建筑围护结构由内外墙、外窗等部分组成。不同朝向外墙的窗墙比为东边0.33，南边0.24，西边0.36，北边0.24。按照《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)[9]，设计大同左云县南红崖村常见民用住宅建筑参数。村镇住宅建筑围护结构及参数设置如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T001表1村镇住宅建筑围护结构及参数设置围护结构构造传热系数/[W/(m2·K)]外墙外涂料装饰层+保温板（聚苯板90 mm）+混凝土空心块（190 mm）+聚合物砂浆加强面层0.47外窗双层密闭玻璃窗（封闭式空气层4 mm），充入干燥气体，玻璃四周密封2.70地面厚1∶3水泥砂浆找平层（200 mm）+厚石灰砂浆（20 mm）+石灰砂浆（20 mm）0.89屋面挤塑聚苯板保温层（50 mm）+防水层+厚水泥砂浆找平层（15 mm）+保护薄膜+厚轻骨料混凝土找坡层（30 mm）+钢筋混凝土屋面板+卵石层0.59根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)[10]，设置建筑空调区域室内供暖及通风参数，室内热源包括照明散热、设备散热和人体散热。建筑室内模拟参数设置如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T002表2建筑室内模拟参数设置参数数值冬季供暖温度/℃18~22渗透次数/h0.35灯光功率/(W/m2)5设备功率/(W/m2)3.8人员数42供暖系统模型及建筑动态供热负荷模拟2.1供暖系统模型2种供暖系统模型如图2所示。图22种供热系统模型10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F2a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F2a2由图2可知，供暖系统的源侧主要由太阳能平板集热器、电加热器和集热水箱组成，主要运行方式为集热器与电锅炉联合供热，末端采用铸铁散热器进行散热。太阳能单独供暖时关闭电锅炉。太阳能+电锅炉系统供暖且单独的集热器不能满足负荷需求时，太阳能集热器与电加热器同时开启。太阳能集热器蓄热量不足且水箱温度低于50 ℃时，启用电锅炉供热[10]。2.2建筑动态供热负荷模拟模拟时气象参数使用大同左云县南红崖村的逐时气象数据资料[11]。大同左云县南红崖村每年11月左右开始供暖，第二年4月左右结束供暖。利用建筑动态负荷模拟平台TRNBlid模拟不同供热面积村镇住宅建筑的热负荷如图3所示。图3不同供热面积村镇住宅建筑的热负荷10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F3a1（a）60 m2居民建筑热负荷10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F3a2（b）100 m2居民建筑热负荷10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F3a3（c）200 m2居民建筑热负荷由图3可知，围护结构等设置一致的前提下，不同面积建筑的单位供暖负荷基本接近，60~200 m2居民建筑的最大热负荷均出现在1月份，热负荷依次为106.5 W/m2、95.7 W/m2、85.6 W/m2，总负荷与建筑面积成线性相关。面积超过200 m2的建筑建模时，被认为是一定数量的100 m2建筑群，建筑热负荷与100 m2建筑热负荷的倍数关系近似为建筑面积的倍数关系。3太阳能与电锅炉系统设计方案3.1太阳能供暖系统100 m2建筑太阳能供暖模拟工况如表3所示。不同工况下的集热面积为54~70 m2，集热水体积为5.4~7.8 m³。集热面积利用平均热负荷参数计算，水箱容积利用集热面积计算。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T003表3100 m2建筑太阳能供暖模拟工况不同工况集热器面积/m2水箱容积/m3工况1545.4工况2546.2工况3626.2工况4627.0工况5707.0工况6707.8100 m2建筑工况3、工况5太阳能集热器供暖逐时动态模拟如图4和图5所示。不同工况下供回水温度变化较为一致，12月初到第二年2月中旬的供暖水温未达到20 ℃，表明太阳能系统不能满足全年供暖要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F004图4100 m2建筑工况3太阳能集热器供暖逐时动态模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F005图5100 m2建筑工况5太阳能集热器供暖逐时动态模拟建筑面积为60 m2时，太阳能集热面积为42 m2，水箱容积为4.2 m2；建筑面积为200 m2时，太阳能集热面积为110 m2，水箱容积为11 m2。3.2电锅炉供暖系统模拟电锅炉供暖系统，建筑面积为100 m2，电加热器功率10 kW，水箱容积2 m³。电锅炉集热器供暖逐时动态模拟如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F006图6电锅炉集热器供暖逐时动态模拟模拟结果显示，完整的供暖季期间，电加热器耗电量20 099.55 kWh；经过优化模拟，电加热器功率10 kW，水箱容积0.9 m³时可达到相同效果，电加热器耗电量降为19 557.35 kWh。建筑面积为60 m2时，电加热器功率为7 kW，水箱容积为0.6 m³；建筑面积为200 m2时，电加热器功率为18.5 kW，水箱容积为1.6 m³。4太阳能与电锅炉供热系统的经济性分析4.1供暖系统初投资按照集热器板费用400元/m2，分别计算各单热源系统在不同供热面积下的初投资费用。太阳能供暖系统、电锅炉供暖系统初投资价格如表4、表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T004表4太阳能供暖系统初投资价格项目建筑面积/m260100200总计2.3623.3335.913集热器1.6802.4804.400电集热水箱0.4430.6141.168水泵0.0390.0390.045其他0.2000.2000.300万元10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T005表5电锅炉供暖系统初投资价格项目建筑面积/m260100200总计0.4300.4610.712电加热器0.1470.1590.263水箱0.0700.0890.136水泵0.0130.0130.013其他0.2000.2000.300万元由表4、表5可知，单系统供暖时，太阳能供暖系统初投资费用远高于电锅炉供暖系统。供暖热系统规模由60 m2增至200 m2时，太阳能供暖系统的初投资费用从393.7元/m2降至295.7元/m2。电锅炉供暖系统单位面积的初投资费用从71.7元/m2降至35.6元/m2。根据山西大同市阶梯电价计算，供暖系统每个月用电量均在第三档，电费为0.777元/kWh。4.2供暖系统运行费用及总费用以20 a作为供暖系统周期，计算不同供暖系统在不同供热面积下的运转费用及总费用，如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F007图7供暖系统运行费用及总费用由图7可知，太阳能供暖系统运行费用（0.874元~2.540万元）小于电锅炉供暖系统运行费用（19.74元~56.74万元）。太阳能供暖系统的耗电部分为电机驱动水泵和部分电锅炉辅助，系统耗电量较少，运行成本较低；电锅炉供暖系统的热量完全由电能转化，相同负荷下耗电量大，运行费用较高。5太阳能供暖+电锅炉热供暖系统5.1太阳能+电锅炉供暖系统太阳能+电锅炉供暖系统如图8所示。太阳能+电锅炉供暖系统流程如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F008图8太阳能+电锅炉供暖系统10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F009图9太阳能+电锅炉供暖系统流程系统运行时，优先由太阳能集热器供热；白天太阳能集热器开启，进行供热并部分蓄热；夜间供热不足时由电加热器进行供热。模拟工况与表3相同，不同工况下的集热面积为54~70 m2，集热水体积为5.4~7.8 m³。建筑面积100 m2，太阳能集热面积分别为62 m2和70 m2，对应水箱体积为6.2 m³和7.0 m³时，太阳能集热器在1年的供暖季的供暖逐时动态模拟结果如图10、图11所示。不同工况下供回水温度变化较为一致，均能满足供暖要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F010图10100 m2建筑工况3太阳能+电锅炉热供暖系统逐时动态模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F011图11100 m2建筑工况5太阳能+电锅炉热供暖系统逐时动态模拟5.2供暖系统运行费用及总费用太阳能部分供暖未达到标准，提出按复合占比分配方案。太阳能+电锅炉供暖系统的太阳能供热占比从10%到50%，电加热供热占比从90%到50%。太阳能+电锅炉供暖系统运行10 a、20 a总费用如表6、表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T006表6太阳能+电锅炉供暖系统运行10 a总费用供暖方式建筑面积/m26010020010%太阳能+90%电加热9.54914.61026.89420%太阳能+80%电加热8.79913.42324.70430%太阳能+70%电加热8.04912.23622.51440%太阳能+60%电加热7.29911.04820.32450%太阳能+50%电加热6.5499.86118.134万元10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.T007表7太阳能+电锅炉供暖系统运行20 a总费用供暖方式建筑面积/m26010020010%太阳能+90%电加热18.47528.47352.55620%太阳能+80%电加热16.78225.81147.65630%太阳能+70%电加热15.08823.14942.75540%太阳能+60%电加热13.39520.48737.85550%太阳能+50%电加热11.70217.82532.955万元由表6、表7可知，随着太阳能集热系统供热占比增大，系统总费用逐渐减少，建筑面积为60~200 m2且运行10 a和20 a时，50%太阳能+50%电加热供暖系统总费用最低，前期投资和系统运行费用比较适宜。以20 a作为供暖系统周期，以50%太阳能+50%电加热运行方式，计算不同供暖系统在不同供热面积下的运转费用及总费用，如图12所示。太阳能+电锅炉供暖系统运行费用（11.702万~32.955万元）小于电锅炉供暖系统运行费用（19.74万~56.74万元）。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.006.F012图12太阳能+电锅炉供暖系统运行费用及总费用太阳能+电锅炉供热系统的耗电部分为电机驱动水泵和部分电锅炉辅助，系统用电量较少，运行成本较低；而电锅炉供暖系统的热量完全由电能转化，相同负荷下耗电量大，运行费用较高。建筑面积为60 m2时，太阳能+电锅炉供暖系统总费用小于电锅炉供暖系统总费用，为14.494万元；电锅炉供暖系统总费用为太阳能+电锅炉供热系统的1.39倍，达20.168万元。建筑面积为100 m2时，太阳能+电锅炉供暖系统总费用小于电锅炉供暖系统总费用，为21.619万元；电锅炉供暖系统总费用是太阳能+电锅炉供暖系统的1.44倍，达31.135万元。建筑面积为200 m2时，太阳能+电锅炉供暖系统总费用小于电锅炉供暖系统总费用，为39.582万元；电锅炉供暖系统总费用是太阳能+电锅炉供热系统的1.45倍，达57.456万元。6结语太阳能供暖系统与电锅炉供暖系统单独运行时，太阳能供热系统运行20 a总费用最少。建筑面积为60 m2、100 m2、200 m2时，太阳能供热系统总运行费分别是0.874万元、1.181万元、2.540万元；电锅炉供热系统总运行费为19.738万元、30.674万元、56.744万元，但太阳能供热系统不能很好地满足供暖条件。太阳能+电锅炉供暖系统联合运行时，20 a总运行费最低，建筑面积为60 m2、100 m2、200 m2时，总运行费分别为11.702万元、17.825万元、32.955万元，与电锅炉供热系统相比，太阳能+电锅炉供暖系统总费用减少70%左右。对比两种供暖系统的初投资费用，太阳能+电锅炉供暖系统初期投资远高于电锅炉供暖系统初投资。分析不同的供暖系统的总费用，太阳能+电锅炉供暖系统总费用比电锅炉供暖总费用减少约45%。太阳能系统优先作为推荐使用热源系统。建筑面积为60 m2、100 m2、200 m2且运行时长为10 a和20 a，太阳能+电加热供暖系统的供热占比为50%太阳能+50%电加热时，系统运行费用比较适宜。太阳能+电加热供暖系统中，太阳能供热占比越大，初投资越高；电加热供热占比越大，运行费用越高。