摘要：利用西藏丰富的太阳能资源建设清洁能源供暖系统，以解决高原居民采暖需求问题。研究提出了分布式太阳能热水供暖和电采暖配套光储系统两种技术方案。方案1平时运行时除供暖水泵外，没有其他耗电设备，年运行费用低;方案2电费采用“收支两条线”的方式，居民用电向电网公司支付电费、光伏发电取得电费收入。通过技术经济性分析，推荐方案1解决居民供暖，可供类似工程项目设计参考。
“十三五”时期，解决高寒高海拔地区供暖问题成为国家的重点工作。重点推进高寒高海拔县城的供暖工程建设、着力改善城镇居民生产生活条件，解决高海拔地区居民供暖需求是西藏自治区政府的重要任务。西藏供暖面临一系列区别于常规供暖的挑战，其中首要问题是能源供给困难。受地理因素限制，利用丰富的太阳能资源供暖成为了西藏解决高寒高海拔地区供暖问题的重要技术方案。
本文通过研究高西藏高原居民区清洁能源供暖方案，解决高原居民区冬季采暖困难实际问题，降低居民用户用暖用电成本，提高西藏地区居民幸福感、安全感、获得感。开发西藏居民区太阳能资源，充分利用清洁能源解决居民生活采暖困难问题，减少碳排放，保护生态环境。
1供暖技术方案
1.1供暖需求分析
本文所研究西藏居民区建筑多采用砌体结构，居民区建筑密度小，容积率低，屋顶均为平屋顶，建筑物前侧无遮挡，经结构安全性复核可用于铺设太阳能集热器或光伏板。
根据规范要求，累年日平均温度稳定低于或等于5℃的日数大于或等于90d的地区应设置供暖。《西藏自治区民用建筑节能设计标准》(DJB540001-2016)中室外气象参数数据显示，日喀则供暖期天数长达157d，因此民用建筑需要考虑设置供暖设施。
1.2技术方案
为满足居民供暖需求、提高清洁能源利用率，拟推荐两种技术方案：
1)方案一：太阳能热水系统———高效供暖系统。
西藏地区太阳能资源十分丰富，冬季连续阴雨天较少，每天日照比较丰富，非常具备设置太阳能热水供暖系统的基础条件。太阳能热水系统是采用平板太阳能+空气源热泵+相变储能+智能控制的分布式供热系统。白天太阳能充足，采用集热器进行集热，当建筑需要供暖时，蓄热水箱进行放热，通过供暖循环水泵输送到室内散热器末端进行供暖，夜晚通过蓄热水箱放热供暖。若出现连续阴雨天或太阳能不能保证建筑供暖时，运行低温型空气源热泵直接向建筑提供热水供暖。集中式太阳能供暖由专人统一运行管理，可以保证系统的运行效果。
2)方案二：电采暖配套光储系统———全面实现采暖电气化目标。
为尽快满足居民的供暖用热需求，拟采用辐射式电暖器为热源，按建筑单体实施分散供暖。根据西藏地区太阳能资源丰富的情况，以光伏发电为供暖设备供电，按照每户卧室和客厅全部覆盖原则配置安装电采暖设备;利用建筑物屋顶建设分布式光伏系统，光伏设计规模按“应装尽装”原则;考虑利用储能系统减少光伏弃电影响提高电量上网收益，配置一定容量的磷酸铁锂电池储能系统，上网电费收益以补贴居民供暖用电和生活用电电费。
2算例方案设计
2.1工程概况
本文以西藏日喀则市萨迦县某居民区为例进行分析研究。萨迦县属高原温带半干旱季风气候区。年平均气温为5~6℃，极端最低气温-18.2℃。年降水量约150~300mm，居民区海拔3844m。算例居民区人口规模800人，109户，安置点主要为住宅楼，建筑多为砌体结构(外墙为300mm，内墙厚为200mm;承重墙均为混凝土实心砌块，隔墙为混凝土空心砌块)，门窗采用双层中空玻璃保温，屋面为土屋面卷材防水，建筑层数均为二层，项目总建筑面积为27860.15㎡。目前，国家电网已覆盖安置区并提供供电保障，居民生活用电电价0.49元/度。
2.2热负荷分析
本文所研究居民区供热范围按建筑各自划分，综合考虑当地环境与气象参数，根据综合公共建筑及住宅建筑考虑，供暖期暂定为120d，按每个月4d阴雨天计算，满足全天24h供暖需求。冬季采暖室外设计温度：-14.4°，室内设计采暖温度：18°。平均热负荷指标：70W/㎡。
2.3方案一：太阳能热水系统
综合考虑当地环境与气象参数，住宅建筑相对集中的情况，本项目拟采用分布式太阳能供暖系统，技术方案为太阳能集热器+低温型空气源热泵作为辅助热源的供暖系统，室内末端均为散热器，并设置相变蓄热水箱进行蓄热，蓄热水温为55/45℃，系统结构见图1。
图1分布式太阳能供暖系统示意图
供暖系统中，集热器相对集中布置于各单体建筑屋面进行集热、避免重新征地专门用于放置太阳能集热器，同时根据小区总图建筑单体分布情况，分区设置供暖站房(拼装式保温站房)用于设置循环水泵、相变蓄热水箱以及定压设备等便于集中管理，热水管道采用冻土层以下直埋方式，居民住宅室内末端采用散热器，并配置温控阀进行室温调节。太阳能集热器及其蓄热装置供暖能力优先按保证一天一夜设置，最大程度利用当地太阳能资源，节约用电量。
2.4方案二：电采暖配套光储
1)供暖方案。为便于居民使用，住宅考虑每户卧室和客厅各配置1台电暖器，其中1台按移动式配置，其余为固定式安装，算例项目共设置654台电暖器。
2)光伏方案。本项目规模相对较小、综合考虑运行管理方便、经济合理和居民用电方便，拟按照“应装尽装”原则建设屋顶分布式光伏发电项目以满足本安置区供电需求，规划总装机规模为865kWp，按照年利用小时数1600h估算，年发电量约138万度。
本次分布式光伏发电系统拟采用单晶硅475Wp组件，光伏组件位于屋顶，分区域通过组串式逆变器逆变成交流电后，接至安置区原有配电表计箱内，组串式逆变器布置于安置区建筑外墙上，靠近原有电表箱。本光伏汇集系统设计与原安置区配电系统设置统一，并网点与表箱数一致。
3)储能方案。根据地形情况，考虑运维管理和安全性，储能系统以集装箱形式集中安装，根据22%光伏限电政策计算，光伏年限电量30.36万度，约832kWh/d。本安置点拟建设0.8MW/0.8MWh储能，采用磷酸铁锂电池集装箱及PCS升压集装箱成套装置布置。
3.1居民电费测算
算例居民用电考虑供暖用电和其他生活用电两部分，供暖用电按照8kW/户，6h/天，供暖季从12月-次年4月考虑，以70%的用电同时率系数折算;生活用电按照平均每户4度/天考虑。测算得到居民区供暖年用电量为54.9万度，其他生活年用电15.7万度，合计70.6万度。以0.49元/度电费计算，居民区供暖年用电费用26.9万元，年全部生活用电费用34.6万元。
3.2经济性分析
考虑建设865Wp屋顶光伏，该地区年利用小时数按1600h，计算得光伏年发电量138万度，考虑22%电网光伏限电，上网电价按照0.25元/度、0.3元/度和0.341元/度分别计算，考虑12万元/年运维费用。
1)方案一：太阳能热水系统。在完成1200万(430元/㎡)初期投入后，根据系统控制温度不同需考虑综合运行费，供暖期太阳能供暖系统的运行费用与室内设定温度曲线关系如图2、图3所示。
图2年采暖期运行总费用
图3年采暖期运行单位费用
室内控制在18℃时，采暖期综合运行费用估算为40万元，单位运行费用为14.5元/㎡;室内控制在15℃时，采暖期综合运行费用30万元，单位运行费用为11元/㎡;室内温度控制在10℃时，运行费用22.5万元，单位运行费用为8元/㎡左右;室内控制在8℃时，采暖期综合运行费用18万元，单位运行费用为6.5元/㎡，具体费用根据实际情况确定，可能低于估算费用。
方案二：电采暖配套光储。配套建设0.8MW/0.8MWh储能系统，按照860万元(309元/㎡)的初期投资，考虑22%电网限电，以现有政策0.25元/度电价上网时，发电年收入不足以补贴居民全部供暖用电电费;以0.3元/度电价上网时，发电收入可以补贴居民全部供暖用电电费，不足以补贴居民全部用电电费;以0.341元/度电价上网时，发电收入可以补贴居民供暖+生活全部用电电费。
3.3两种方案综合对比
两种方案的主要技术特点与优缺点对比分析见表1。
表1两种方案对比分析
4结语
本文针对西藏居民区清洁能源供暖方案进行研究，通过分析实际供暖需求，提出分布式太阳能热水供暖和电采暖配套光储系统两种技术方案。其中分布式太阳能热水供暖系统平时运行时除供暖水泵外，没有其他耗电设备，年运行费用不高;光储系统电费采用“收支两条线”的方式，居民用电向电网公司支付电费、光伏发电取得电费收入作为本次群众受益分析的基础。本文对实际算例从技术、经济等方面综合评价分析，两个方案技术上均能满足需要，太阳能热水系统供暖效率更高，供暖舒适性好，初期投资大，后期使用费用需政府补贴或居民用户需承担;方案二初始投资稍少，采暖效果和效率不如方案一，通过光伏发电电费收入补贴居民用电费用，该方案需要与电网公司协商具体运营模式和上网电价，实际执行比较复杂。综合以上，本文所研究算例中推荐方案一：太阳能热水系统作为优选方案。
本文对西藏居民区清洁能源供暖方案的研究，对后续类似项目的能源开发和投资决策提供参考依据。
本文转自《水电与新能源》。
作者：上海勘测设计研究院有限公司/杨瑞睿，石明，舒翔，龚波。
