夏熱冬冷地區(qū)太陽能空調(diào)系統(tǒng)性能模擬與經(jīng)濟性分析

■ 黃莉 宋波 鄧琴琴 鄭榮躍

(1.寧波大學建筑工程與環(huán)境學院;2.中國建筑科學研究院有限公司)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人們生活水平的提高，建筑能耗也迅速增長。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗占社會總能耗的30%以上[1]，其中50%～60%的能耗用于建筑的制冷或采暖[2]。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)采用壓縮式制冷機，運行過程中會消耗大量的能源，加劇了夏季電網(wǎng)的負擔，導致用電高峰期的出現(xiàn)。同時，傳統(tǒng)制冷空調(diào)中的工質CFC8及其替代產(chǎn)品R134a 等與臭氧層的破壞、溫室效應、全球變暖等環(huán)境問題都有關系。因此，為了適應建筑可持續(xù)發(fā)展的需求，制冷界一直在尋求一種新的制冷方式及工質。

太陽能空調(diào)技術正是解決上述問題的一種有效途徑。該技術在夏季利用太陽能作為主要能源驅動制冷機制冷，冬季則利用太陽能提供采暖，可有效降低建筑的制冷與采暖能耗，是解決太陽能利用和空調(diào)節(jié)能這一行業(yè)困境的重要技術。其核心優(yōu)勢在于：

1)充分利用全年的太陽能資源，可提供夏季制冷、冬季采暖及生活熱水。尤其是在夏季，太陽能輻射越強，制冷效果越好，可大幅降低電網(wǎng)負擔。

2)該技術是可再生能源應用技術的提升，可顯著提高太陽能利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排。

3)相比于傳統(tǒng)的壓縮式空調(diào)，太陽能空調(diào)不排放氟利昂，對于緩和溫室效應、全球變暖等環(huán)境問題具有重大意義。

當前的太陽能空調(diào)技術主要分為兩類：太陽能光伏空調(diào)技術與太陽能熱利用空調(diào)技術，針對這兩類系統(tǒng)已有不少相關的研究成果。其中，Boopathi等[3]對居住建筑中采用單效溴化鋰制冷機的太陽能空調(diào)系統(tǒng)進行了總結，并發(fā)現(xiàn)決定太陽能空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性的2個因素分別是太陽能集熱器與儲能裝置的費用，以及制冷技術的能效。Noro等[4]采用TRNSYS 軟件分別對太陽能吸收式制冷空調(diào)與顯熱儲能及相變儲能相結合的系統(tǒng)進行了模擬和對比分析。研究結果表明，只有在天然氣價格較高或相變材料價格較低時，才能體現(xiàn)太陽能空調(diào)與相變儲能一體化系統(tǒng)的經(jīng)濟性。Beccali等[5]采用生命周期評估方法(LCA)將2類太陽能空調(diào)系統(tǒng)(熱利用空調(diào)與光伏空調(diào))與傳統(tǒng)的壓縮式制冷機空調(diào)進行了對比評估。研究結果表明，在大多數(shù)情況下，采用光伏并網(wǎng)空調(diào)的效果最好。Eicker等[6]利用TRANSO與INSEL軟件模擬分析了采用傳統(tǒng)壓縮式制冷機的光伏空調(diào)系統(tǒng)和采用溴化鋰制冷機的熱利用空調(diào)系統(tǒng)這兩類太陽能空調(diào)系統(tǒng)的一次能源消耗量與經(jīng)濟性。模擬結果表明，光伏空調(diào)系統(tǒng)比熱利用空調(diào)系統(tǒng)更為經(jīng)濟?？照{(diào)系統(tǒng)的初始投資對整套系統(tǒng)的投資回報期與一次能源的節(jié)約量有很大的影響。

雖然當前已有不少針對太陽能空調(diào)技術的研究，但該技術并未得到廣泛的應用，主要原因在于其初始投資較高，且投資回報期長。截止至2014年，全世界范圍內(nèi)僅有1200多套系統(tǒng)建成并運行[7]，且大多數(shù)為太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)。本文擬在典型的夏熱冬冷地區(qū)——浙江省寧波市滕頭村建成一套太陽能空調(diào)系統(tǒng)。為了提高擬建系統(tǒng)的技術經(jīng)濟效益，采用“博日勝”Polysun?軟件對太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)進行了性能模擬，然后在此基礎上比較了兩套系統(tǒng)的年收益與投資回報期，并最終確定適用于夏熱冬冷地區(qū)的太陽能空調(diào)技術體系。

1 模擬方法與邊界條件設置

1.1 模擬軟件

本文采用Polysun?太陽能系統(tǒng)模擬計算軟件對太陽能空調(diào)系統(tǒng)進行性能模擬。該軟件由瑞士太陽能測試中心SPF在總結測試經(jīng)驗的基礎上開發(fā)，包含太陽能熱利用、光伏發(fā)電、熱泵及太陽能空調(diào)4 個模塊，用于設計或優(yōu)化建筑的能源系統(tǒng)[8]。軟件以氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，采用熱力學系統(tǒng)的塞流模擬進行計算[9-10]。

1.2 寧波市氣候條件

寧波市位于夏熱冬冷地區(qū)，該地區(qū)冬季陰冷、夏季濕熱，且高溫時間持續(xù)較長。其中，7月份溫度最高，平均溫度達到27.6 ℃；而1月份溫度最低，平均溫度為6 ℃。另外，夏熱冬冷地區(qū)濕度很大，相對濕度一般為75%～80%，寧波市濕度達到了75.6 %。因此，寧波地區(qū)對夏季制冷與冬季采暖的需求較高，空調(diào)用電是建筑能耗中最主要的部分。

位于夏熱冬冷地區(qū)的大多數(shù)城市屬于太陽能資源Ⅳ類地區(qū)，年輻射量在1000～1500 kWh/m2之間。寧波市平均全年日照時數(shù)為1855.6 h，平均每天的日照時數(shù)為5.41 h；年輻射量為1280.5 kWh/m2，為全國平均年輻射量1627.8 kWh/m2的78%；最冷月份為11月～次年3月，總輻射量為378.3 kWh/m2；最熱月份為6～9月，總輻射量為559.8 kWh/m2。

1.3 建筑特點

擬安裝太陽能空調(diào)系統(tǒng)的新建建筑為滕頭村老年活動中心。該建筑為南向單層建筑，使用面積為420 m2，室內(nèi)高度為4.2 m；其中，200 m2的屋頂面積用于安裝光伏組件或集熱模塊，其余屋頂部分用于綠化；建筑內(nèi)部設置了診所、辦公室、閱覽室、棋牌室等。建筑的結構參數(shù)如表1所示。

表1 滕頭村老年活動中心建筑性能參數(shù)

1.4 模擬系統(tǒng)定義

為了便于系統(tǒng)的性能模擬與經(jīng)濟分析，首先定義了1套參照系統(tǒng)和2套太陽能空調(diào)系統(tǒng)。其中，2套太陽能空調(diào)系統(tǒng)的光伏組件/集熱模塊陣列總面積均為屋頂最大可用面積200 m2。

1.4.1 參照系統(tǒng)

參照系統(tǒng)定義為熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，由2套風冷熱泵模塊機組組成，運行時產(chǎn)生冷水或熱水，通過風機盤管向建筑供冷或供熱。2臺熱泵的額定制冷功率分別為28 kW與65 kW，制熱功率分別為30 kW與69 kW。在模擬過程中，參照系統(tǒng)的制冷COP值取2.82，采暖COP值取3.11。熱泵機組運行所需電量由電網(wǎng)直接提供。

1.4.2 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用與參照系統(tǒng)一致的風冷熱泵模塊機組。如圖1所示，熱泵系統(tǒng)運行優(yōu)先采用光伏組件產(chǎn)生的電能，不足時再采用電網(wǎng)供電。若光伏組件所產(chǎn)生的電量高于熱泵機組所需電量，則富余的電量并網(wǎng)。該系統(tǒng)由80塊光伏組件與1套并網(wǎng)逆變器組成，光伏組件的最大總功率為20.4 kW，并網(wǎng)逆變器的最大交流功率為20.0 kW。

圖1 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)示意圖

1.4.3 太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由40組真空集熱模塊、燃氣鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機、冷卻塔、熱水與冷水儲罐組成，如圖2所示。在夏季制冷時，集熱模塊利用太陽能產(chǎn)生70～95 ℃的熱水并儲存在熱水儲罐里，熱水驅動制冷機產(chǎn)生10 ℃的冷凍水并儲存在冷水儲罐里用于供冷，而制冷機所產(chǎn)生的熱量通過冷卻塔釋放；在冬季采暖時，制冷機關閉，集熱模塊利用太陽能產(chǎn)生50～60 ℃的熱水儲存在熱水儲罐里用于供暖。系統(tǒng)采用燃氣鍋爐作為輔助系統(tǒng)，在太陽能不足時提供熱水驅動制冷機制冷或直接提供熱水采暖。系統(tǒng)真空集熱模塊的總采光面積為120 m2，制冷機的額定制冷功率為35 kW，燃氣鍋爐的加熱功率為40 kW。

圖2 太陽能光熱空調(diào)系統(tǒng)示意圖

2 結果與分析

2.1 建筑制冷與采暖能耗

老年活動中心每天的使用時間為08:00～20:00，時長12 h，在能耗模擬中僅考慮夏季制冷和冬季采暖需求，不考慮生活熱水供應。根據(jù)GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》與JGJ 134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，將制冷溫度設置為23 ℃，采暖溫度設置為18 ℃。

圖3展示了該建筑在寧波市典型氣象年逐月制冷/采暖負荷的模擬結果，其中，4月、5月和10月不需要空調(diào)。該建筑在夏季的制冷總負荷為70.16 MWh/a，在冬季的采暖總負荷為148.20 MWh/a，全年總負荷為218.33 MWh。根據(jù)熱泵機組制冷與采暖的COP值，參照系統(tǒng)每年用于制冷的耗電量為24.88 MWh，用于采暖的耗電量為47.65 MWh，合計為72.53 MWh。

圖3 老年活動中心在典型氣象年逐月制冷/采暖負荷模擬

2.2 系統(tǒng)性能模擬結果

太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)的模擬結果如表2所示。光伏組件的年產(chǎn)電量約為22.3 MWh，可覆蓋熱泵機組全年制冷與采暖所需電量的30.7%。由圖4可知，除了不需要空調(diào)的4月、5月和10月，光伏組件的發(fā)電量均小于熱泵機組的耗電量。因此，熱泵機組每年需另外從電網(wǎng)獲取50.23 MWh的電量，以覆蓋建筑全年的制冷與采暖負荷。

表2 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)模擬結果

圖4 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)逐月交流電發(fā)電量與熱泵制冷/采暖耗電量

太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的模擬結果如表3所示，逐月太陽能保證率如圖5所示。在夏季6～9月，集熱系統(tǒng)的得熱量最高，平均太陽能保證率為27.75%；在冬季11月～次年3月，平均太陽能保證率為32.8%。因此，全年制冷與采暖的平均太陽能保證率為30.6%。若太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)在春秋季節(jié)(4月、5月與10月)另外提供生活熱水，則全年太陽能保證率可以達到40%左右。

表3 太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)模擬結果

圖5 太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)逐月太陽能保證率

2.3 一次能源節(jié)約量

為了比較兩套太陽能空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能量，所有能源消耗量均轉換為一次能源消耗量。電能轉換為一次能源的系數(shù)為0.36，燃氣轉換為一次能源的系數(shù)為1[11]。

表4展示了兩套太陽能空調(diào)系統(tǒng)與參照系統(tǒng)相比所節(jié)約的一次能源使用量。其中，參照系統(tǒng)年耗電量為72.53 MWh，轉換為一次能源為201.47 MWh；光伏空調(diào)系統(tǒng)年產(chǎn)電量為22.3 MWh，轉換為一次能源為61.94 MWh，節(jié)能率為30.7%；太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的最大節(jié)能量為58.13 MWh，若該部分熱量由燃氣鍋爐供給，所需燃氣量為60.81 MWh，轉換為一次能源為60.81 MWh，節(jié)能率為30.2%。由此可見，兩套系統(tǒng)的一次能源節(jié)約量非常相近。

表4 太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)一次能源節(jié)約量

2.4 經(jīng)濟性分析

兩套太陽能空調(diào)系統(tǒng)相對于參照系統(tǒng)的增量成本如表5所示。其中，參照系統(tǒng)與光伏空調(diào)系統(tǒng)均采用2套熱泵機組，而太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)則采用燃氣鍋爐作為輔助系統(tǒng)，無需熱泵機組，因此在計算增量成本時，將熱泵機組的費用扣除。通過計算得出，光伏空調(diào)系統(tǒng)的增量成本為20.59萬元，熱利用空調(diào)系統(tǒng)的增量成本為56.98萬元，約為光伏空調(diào)系統(tǒng)的2.8倍。

表5 太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)的增量成本

圖6和圖7分別展示了光伏和熱利用空調(diào)系統(tǒng)的初始成本組成。其中，光伏組件/集熱模塊(含支架)為兩套系統(tǒng)最主要的費用支出部分，占比分別為65%與42%。在熱利用空調(diào)系統(tǒng)中，制冷機與控制系統(tǒng)也是費用的主要組成部分，占比分別為21%與16%，僅次于集熱模塊。

圖6 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)費用組成圖

圖7 太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)費用組成圖

當前，國家對可再生能源利用的資助主要在光伏系統(tǒng)。假設太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)的效率每年下降0.8%～1.0%，在20年的使用周期內(nèi)，光伏空調(diào)系統(tǒng)的總發(fā)電量為 408.98 MWh，按照國家商業(yè)電價1元/kWh、分布式光伏發(fā)電補貼0.42元/kWh計算，可得出光伏空調(diào)系統(tǒng)的年收益，如圖8所示。從圖中可以看出，光伏空調(diào)系統(tǒng)到第7年的總收益為22.94萬元，而系統(tǒng)的增量成本為20.59萬元。因此，太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)的投資回報期約為6～7年。

圖8 太陽能光伏空調(diào)系統(tǒng)年收益及投資回報期

圖9 太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)年收益

另一方面，由于國家的新能源補貼僅針對于分布式光伏系統(tǒng)，熱利用系統(tǒng)無額外補助，因此，其收益僅來源于所節(jié)約的電費。如圖9所示，在20年的使用周期內(nèi)，熱利用空調(diào)系統(tǒng)的總收益約為40萬元，而系統(tǒng)的增量成本為56.98萬元。因此，太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的投資回報期大于20年。

雖然太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的初始投資比較高，且當前的投資回報期大于20年，但其作為太陽能的高級綜合利用形式，可以全年利用太陽能提供夏季制冷、冬季采暖及生活熱水，仍然是未來值得大力推廣的太陽能應用技術之一。而且，隨著中高溫集熱器與中小型溴化鋰制冷機的產(chǎn)業(yè)化推廣，在不久的將來，該類系統(tǒng)的初始成本有望大幅降低。

就當前的經(jīng)濟技術條件而言，適用于安裝太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的情況有以下2種：

1)擁有大量余熱和廢熱的用戶。從太陽能熱利用空調(diào)系統(tǒng)的成本分析可以得出，集熱模塊的成本所占比例最大，且隨著制冷功率的增加而呈線性增長。如果用戶擁有大量的余熱和廢熱，比如印染廠、紡織廠、造紙廠、鋼鐵廠等，可以利用余熱和廢熱產(chǎn)生熱水來驅動制冷機，這樣可以相應減少集熱模塊的面積，從而降低初始成本，縮短投資回報期。

2)大中型中央空調(diào)系統(tǒng)。制冷機(含冷卻塔)與控制系統(tǒng)所占的增量成本比例僅次于集熱模塊，分別為21%與16%，然而，這部分的費用并不是隨著制冷功率的增加而呈線性增長，而是增長越來越慢。例如，制冷功率分別為115 kW、300 kW、500 kW及1000 kW的溴化鋰吸收式制冷機的價格分別為18.7萬元、32萬元、42萬元及64萬元。因此，在大中型中央空調(diào)系統(tǒng)中，采用太陽能熱利用空調(diào)技術的經(jīng)濟性比較好。

3 結論

本文以浙江省寧波市滕頭村新建老年活動中心為示范建筑，采用Polysun?軟件分別對太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)進行了性能模擬，并在此基礎上進行了經(jīng)濟效益分析。研究結果表明，相對于采用熱泵機組的參照系統(tǒng)，太陽能光伏與熱利用空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能量非常相近，一次能源節(jié)能率分別為30.7 %與30.2 %。然而，由于熱利用空調(diào)系統(tǒng)的增量成本較高，為光伏空調(diào)系統(tǒng)的2.8倍，且國家新能源補助僅針對分布式光伏系統(tǒng)，因此，兩套系統(tǒng)的投資回報期相差較大；其中，光伏空調(diào)系統(tǒng)的投資回報期為6～7年，而熱利用空調(diào)系統(tǒng)的投資回報期大于20年。在當前的經(jīng)濟技術條件下，太陽能光伏空調(diào)技術更適用于夏熱冬冷地區(qū)的建筑應用；而太陽能熱利用空調(diào)技術的推廣則必須通過國家政策的推動，以及太陽能中高溫集熱技術的提升與中小型制冷機的規(guī)?；a(chǎn)才能得以實現(xiàn)。