西藏高原離網(wǎng)光伏供暖系統(tǒng)容量配置優(yōu)化研究

張睿超，王登甲，劉艷峰，王慧琳，王小軍

(1.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.拉薩市設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，西藏 拉薩 850030)

西藏高原常規(guī)能源匱乏，當(dāng)?shù)毓┡枨笃惹?，長(zhǎng)期以來(lái)，當(dāng)?shù)囟嗖捎萌紵＜S等生物質(zhì)能源采暖或無(wú)采暖.但是，西藏高原太陽(yáng)能、水電等可再生能源十分豐富，具備利用可再生能源進(jìn)行零碳化供暖的先決條件、先試先行，在西部高原建筑供暖領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)區(qū)域性“碳中和”，為我國(guó)其他地區(qū)零碳建筑發(fā)展起到示范引領(lǐng)作用.

太陽(yáng)能在建筑中利用主要分為光熱和光電等利用形式.目前，西藏高原太陽(yáng)能供暖以光熱利用居多，已開(kāi)展大量科研研究和工程落地示范.李玥等[1]對(duì)日喀則市某辦公建筑太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)建立了TRNSYS模型，對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行了優(yōu)化.王磊等[2]采用f圖法對(duì)不同的太陽(yáng)能與水源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)保證率進(jìn)行了分析比較.白旭升等[3]對(duì)空氣式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在西藏地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試分析.在蓄熱水箱容積與輔助熱源方面，劉艷峰、王登甲團(tuán)隊(duì)對(duì)太陽(yáng)能地面采暖系統(tǒng)各種蓄熱溫差下對(duì)應(yīng)的蓄熱水箱容積進(jìn)行了模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，對(duì)西藏高原不同地區(qū)采用不同的輔助熱源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究分析，得到不同輻射資源區(qū)最佳輔助熱源類(lèi)型[5].在工程應(yīng)用方面，近些年，在西藏高原陸續(xù)建成了以浪卡子、仲巴縣太陽(yáng)能集中供暖工程為代表的系列太陽(yáng)能供暖示范項(xiàng)目[6-8].

近些年，光伏成本逐年下降，加之長(zhǎng)距離輸配損耗小、建筑用能電氣化支撐程度高等優(yōu)勢(shì)，光伏在建筑中的應(yīng)用受到空前重視.ZENG等[9]對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)、地源熱泵、光伏光熱耦合系統(tǒng)建立了優(yōu)化模型，分析了不同負(fù)荷比下的設(shè)備容量.太陽(yáng)能光伏+空氣源熱泵系統(tǒng)相比其他形式系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能效比高等優(yōu)勢(shì)[10-11].張瑞丹等[12]針對(duì)青海西寧住宅提出了多種光伏清潔供暖方式，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益了進(jìn)行分析.王良等[13]探討了光伏直驅(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)冬季供暖性能及系統(tǒng)各部件間的匹配特性.趙學(xué)林等[14]提出了太陽(yáng)能光伏光熱耦合地源熱泵機(jī)組的供熱系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真動(dòng)態(tài)模擬.Ozcan等[15]對(duì)太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵系統(tǒng)建立了數(shù)值模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證.

綜上所述，西藏高原太陽(yáng)能光熱供暖盡管存在一些不同程度的“高原病”[16]，但針對(duì)不同類(lèi)型的單戶(hù)、分布式、集中式太陽(yáng)能供暖技術(shù)形式已基本確定，后期運(yùn)行控制、維護(hù)管理則是關(guān)鍵.西藏高原光伏供暖相關(guān)研究與成功案例則相對(duì)較少，基于此，本文針對(duì)西藏高原一些特殊的獨(dú)立區(qū)域條件，提出了離網(wǎng)光伏+空氣源熱泵+蓄電、光伏+空氣源熱泵+蓄熱、光伏+電采暖設(shè)備+蓄電三種綜合能源供熱系統(tǒng)形式；以日喀則市某孤立型居住建筑為研究對(duì)象，對(duì)上述光伏供暖系統(tǒng)光伏場(chǎng)面積、蓄能設(shè)備容量進(jìn)行了優(yōu)化匹配分析.

1 “光伏+”供暖系統(tǒng)原理及模型

1.1 系統(tǒng)原理描述

西藏高原阿里、日喀則等地區(qū)地域遼闊、住區(qū)分散，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、軍隊(duì)哨所位置偏遠(yuǎn)且相對(duì)孤立，完善的市政電網(wǎng)無(wú)法覆蓋.在上述地區(qū)發(fā)展離網(wǎng)型分布式光伏尤為關(guān)鍵.基于上述情況，本文對(duì)西藏高原某孤立地區(qū)居住建筑采用三種離網(wǎng)型“光伏+”供暖系統(tǒng)進(jìn)行了性能對(duì)比分析：系統(tǒng)一：光伏+空氣源熱泵+蓄電供熱系統(tǒng)，系統(tǒng)二：光伏+空氣源熱泵+蓄熱供熱系統(tǒng)，系統(tǒng)三：光伏+電采暖設(shè)備+蓄電池供熱系統(tǒng).

系統(tǒng)一：太陽(yáng)能光伏+空氣源熱泵+蓄電綜合能源供熱技術(shù)方案原理圖如圖1所示.系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及熱源系統(tǒng)構(gòu)成.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏發(fā)電場(chǎng)、逆變穩(wěn)壓器以及蓄電池構(gòu)成.熱源系統(tǒng)為空氣源熱泵.根據(jù)藏區(qū)建筑室內(nèi)溫度要求及供暖負(fù)荷特征確定空氣源熱泵的供水溫度，再通過(guò)熱泵將熱水加熱到指定溫度后供給熱用戶(hù).針對(duì)該離網(wǎng)光伏供熱系統(tǒng)，在連續(xù)陰雨天或極端天氣下光伏系統(tǒng)供能不足時(shí)，可考慮與當(dāng)?shù)貙?shí)際相符的柴油發(fā)電等形式滿(mǎn)足短缺電負(fù)荷.

圖1 光伏+空氣源熱泵+蓄電供暖系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)二：太陽(yáng)能光伏+空氣源熱泵+儲(chǔ)熱綜合能源供熱技術(shù)方案原理如圖2所示.該系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，空氣源熱泵以及蓄熱水箱構(gòu)成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為空氣源熱泵提供驅(qū)動(dòng)電力.空氣源熱泵將水加熱后，儲(chǔ)存到蓄熱水箱中，根據(jù)藏區(qū)建筑室內(nèi)溫度要求及供暖負(fù)荷特征確定水箱供水溫度，然后供給熱用戶(hù)采暖.

圖2 光伏+空氣源熱泵+儲(chǔ)熱供暖系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)三：太陽(yáng)能光伏+建筑電采暖設(shè)備綜合能源供熱技術(shù)方案原理如圖3所示.系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏發(fā)電場(chǎng)，逆變穩(wěn)壓器以及蓄電池構(gòu)成.用戶(hù)末端采用電熱膜或電加熱器采暖，實(shí)現(xiàn)了從光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能直接向室內(nèi)散熱的轉(zhuǎn)化過(guò)程.

圖3 太陽(yáng)能光伏+建筑電采暖設(shè)備供暖系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)仿真模型建立

使用TRNSYS 18建立上述三種綜合能源供熱技術(shù)方案模型，主要部件包括太陽(yáng)能光伏組件、逆變器組件、蓄電池組件、空氣源熱泵/鍋爐組件、蓄熱水箱組件，不同組件的數(shù)學(xué)模型如下.

1.2.1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件模型，其電流-電壓方程如公式(1)所示[17].

(1)

式中：I為模塊輸出電流，A；V為模塊輸出電壓，V;IL為模塊光電流，A；Io為二極管反向飽和電流，A；q為電子電荷常數(shù)，取1.6×10-19C；γ為經(jīng)驗(yàn)PV曲線擬合參數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.380 649×10-23J/K；Tc為模塊溫度，K；Rs為模塊串聯(lián)電阻，Ω.

公式(1)中，模塊光電流IL與二極管反向飽和電流Io分別用公式(2)與公式(3)表示[17].

(2)

(3)

其中：IL,ref與I0,ref為參考條件下模塊光電流與二極管反向飽和電流，其具體計(jì)算方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]；GT,ref與Tc,ref為參考輻射值與參考溫度值，分別為1 000 W/m2與40 ℃.

1.2.2 逆變器與蓄電池

對(duì)于逆變器與蓄電池模型，在光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間T內(nèi)，逆變器與蓄電池模塊的能量守恒關(guān)系用公式(4)表示.

(4)

式中：PPV表示光伏組件的實(shí)際發(fā)電功率，kW；Poth表示其他電力資源補(bǔ)充電量，kW；Pload表示用電設(shè)備耗電量，kW；Qsto表示蓄電池蓄電量，kW·h.

1.2.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵加熱量與其效率相關(guān)，用公式(5)表示.

qhp=Php×COP

(5)

式中：qhp表示空氣源熱泵的加熱量，kW；Php表示空氣源熱泵的加熱功率，kW；COP表示空氣源熱泵能效系數(shù)，用公式(6)表示[18].

COP=2.762 5+0.062 5×Tzf

(6)

式中：Tzf表示空氣源熱泵蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)溫度，℃.蒸發(fā)溫度與環(huán)境空氣溫度Ta的關(guān)系用公式(7)表示.

Tzf=0.798 4×Ta-7.200 6

(7)

1.2.4 蓄熱水箱

對(duì)于蓄熱水箱模型，能量平衡關(guān)系用公式(8)表示[17].

(8)

式中，Ttank,j表示水箱節(jié)點(diǎn)j的溫度，℃；qin,tank,j表示節(jié)點(diǎn)j的輔助加熱量，kW;qloss,j表示節(jié)點(diǎn)j的熱損失，kW；qcond,j表示節(jié)點(diǎn)j與其他節(jié)點(diǎn)的熱傳導(dǎo)換熱量，kW；qflow,i,j表示負(fù)荷端冷流股摻混導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的換熱量，kW；qmix,j表示節(jié)點(diǎn)間消除摻混導(dǎo)致的熱不穩(wěn)定性的熱量，kW；Ctank,j表示節(jié)點(diǎn)的蓄熱量，用公式(9)表示.

Ctank,j=cp,w×ρw×Vtank,j

(9)

式中：cp,w表示水的熱容，4.19 kJ/kg·K；ρw表示水的密度，1 000 kg/m3；Vtank,j表示節(jié)點(diǎn)j的容積，m3.

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于離網(wǎng)型光伏供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)盡量減少對(duì)其他電力資源的依賴(lài)，因此可靠程度是首先需要關(guān)注的問(wèn)題.基于此，本文采用太陽(yáng)能保證率對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià).用公式(10)表示.在本文中，太陽(yáng)能保證率定義為太陽(yáng)能及空氣能等可再生能源供熱量占建筑總供熱量的比例，該參數(shù)表征了系統(tǒng)對(duì)其他電力的依賴(lài)程度，太陽(yáng)能保證率越大，系統(tǒng)對(duì)其他電力資源的依賴(lài)程度越小.

(10)

式中，Qload表示供暖季建筑總供熱量，kW·h；Qoth表示供暖季其他電力資源供電量，kW·h.

2 “光伏+”供暖案例分析

2.1 建筑對(duì)象信息

西藏高原阿里、日喀則等地區(qū)部分城鎮(zhèn)偏遠(yuǎn)，無(wú)完善的市政電力體系.基于此，選擇西藏自治區(qū)日喀則市某孤立型兩層居住建筑為分析對(duì)象，總建筑面積為468 m2.該建筑平面布局及尺寸如圖4所示，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見(jiàn)表1.

圖4 建筑平面圖

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2.2 建筑供暖熱負(fù)荷

日喀則市供暖日期為10月22日至3月30日.根據(jù)西藏地區(qū)建筑室內(nèi)采暖溫度設(shè)定要求，建筑采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃，建筑日總負(fù)荷如圖5所示.

圖5 采暖期建筑日總負(fù)荷變化規(guī)律

從圖5可以看出，在供暖期內(nèi)，建筑最大日總負(fù)荷達(dá)到240.3 kW·h，最小值為14.3 kW·h，平均為101.3 kW·h.

3 “光伏+”供暖系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

針對(duì)上述建筑研究對(duì)象，對(duì)三種離網(wǎng)型“光伏+”供暖系統(tǒng)性能進(jìn)行了模擬仿真與優(yōu)化分析.

3.1 系統(tǒng)一：光伏+空氣源熱泵+蓄電池

當(dāng)光伏場(chǎng)面積變化時(shí)，光伏、其他電力資源向系統(tǒng)的供電量以及太陽(yáng)能保證率的變化如圖6所示.此處充分考慮了蓄電池的蓄電量，即當(dāng)光伏發(fā)電量大于設(shè)備用電量時(shí)，多余的電力資源全部?jī)?chǔ)存在蓄電池中.從圖6可以看出，隨著光伏場(chǎng)面積的增大，光伏向系統(tǒng)的供電量逐漸增加，而系統(tǒng)對(duì)其他電力資源的需求量逐漸降低.當(dāng)光伏場(chǎng)面積達(dá)到70 m2時(shí)，通過(guò)光伏的發(fā)電量，空氣源熱泵可完全滿(mǎn)足建筑熱負(fù)荷，此時(shí)太陽(yáng)能保證率為100%.

圖6 太陽(yáng)能保證率隨光伏場(chǎng)面積變化圖(系統(tǒng)一)

在上述分析中，充分考慮了蓄電池蓄電量，為了找到較合適的蓄電池容量，對(duì)蓄電池容量進(jìn)行了優(yōu)化.對(duì)于系統(tǒng)一，光伏場(chǎng)面積設(shè)定為70 m2.隨著蓄電池容量的變化，系統(tǒng)1中光伏、其他電力資源向系統(tǒng)的供電量以及太陽(yáng)能保證率的變化如圖7所示.從圖7中可以看出，當(dāng)電池容量為0時(shí)，即系統(tǒng)中不考慮蓄電池，光伏向系統(tǒng)中的供電量為2 153 kW·h，而其他電力資源的需求量為6 196 kW·h，太陽(yáng)能保證率為61.54%.隨著電池容量的增加，太陽(yáng)能保證率逐漸升高，當(dāng)電池容量為100 kW·h時(shí)，太陽(yáng)能保證率達(dá)到91.78%.此后，當(dāng)電池容量再增加時(shí)，太陽(yáng)能保證率變化緩慢，若使太陽(yáng)能保證率達(dá)到100%，蓄電池容量需達(dá)到1 600 kW·h，以應(yīng)對(duì)連續(xù)的極端天氣，此時(shí)經(jīng)濟(jì)成本增加明顯.因此，可采用蓄電池容量為80～100 kW·h.

圖7 太陽(yáng)能保證率隨電池容量變化圖(系統(tǒng)一)

3.2 系統(tǒng)二：光伏+空氣源熱泵+蓄熱

從前文模擬結(jié)果可以看出，對(duì)于光伏+空氣源熱泵系統(tǒng)，當(dāng)光伏場(chǎng)面積達(dá)到70 m2時(shí)，空氣源熱泵的產(chǎn)熱量可完全滿(mǎn)足建筑熱負(fù)荷.用熱水蓄熱代替蓄電池蓄電后，對(duì)蓄熱水箱的容量進(jìn)行優(yōu)化，輔助電力資源量以及太陽(yáng)能保證率變化如圖8所示：

圖8 供熱能力與水箱容積關(guān)系(系統(tǒng)二)

從圖8可以看出，對(duì)于光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統(tǒng)，當(dāng)水箱容積為5 m3時(shí)，輔助熱源的耗電量為1 113 kW·h，太陽(yáng)能保證率為93.1%.隨著水箱容積的進(jìn)一步增大，太陽(yáng)能保證率逐漸增大，當(dāng)水箱容積達(dá)到15 m3時(shí)，太陽(yáng)能保證率達(dá)到98.6%，再增加水箱容積，太陽(yáng)能保證率變化較小.

3.3 系統(tǒng)三：光伏+電采暖設(shè)備+蓄電

對(duì)于系統(tǒng)三，假定電采暖末端的電熱轉(zhuǎn)化效率為90%，充分考慮了蓄電池的蓄電量.圖9表明了隨著光伏場(chǎng)面積增加，光伏、其他電力資源向系統(tǒng)的供電量以及太陽(yáng)能保證率的變化.從圖9可以看出，隨著光伏場(chǎng)面積的增大，系統(tǒng)的供電量逐漸增加，而系統(tǒng)對(duì)其他電力資源的需求量逐漸降低.當(dāng)光伏場(chǎng)面積達(dá)到152 m2時(shí)，通過(guò)光伏的發(fā)電量，建筑內(nèi)電加熱末端可完全滿(mǎn)足建筑熱負(fù)荷，此時(shí)太陽(yáng)能保證率為99.1%.

圖9 太陽(yáng)能保證率隨光伏場(chǎng)面積變化圖(系統(tǒng)三)

為了給系統(tǒng)匹配合適的蓄電池容量，對(duì)蓄電池容量進(jìn)行了優(yōu)化.先設(shè)定光伏場(chǎng)面積為152 m2.隨著蓄電池容量的變化，系統(tǒng)三中光伏、其他電力資源向系統(tǒng)的供電量以及太陽(yáng)能保證率的變化如圖10所示.

圖10 太陽(yáng)能保證率隨電池容量變化圖(系統(tǒng)三)

從圖中可以看出，當(dāng)電池容量為0時(shí)，光伏向系統(tǒng)中的供電量為4 384 kW·h，而其他電力資源的需求量為13 517 kW·h，太陽(yáng)能保證率為16.1%.隨著電池容量的增加，太陽(yáng)能保證率逐漸升高，當(dāng)電池容量為200 kW·h時(shí)，太陽(yáng)能保證率達(dá)到81.30%.此后再增加電池容量時(shí)，太陽(yáng)能保證率變化緩慢.若使太陽(yáng)能保證率達(dá)到100%，蓄電池容量需達(dá)到3 200 kW·h.因此，蓄電池容量推薦值為180～200 kW·h.

3.4 方案對(duì)比

針對(duì)西藏高原地區(qū)孤立型建筑，從光伏場(chǎng)面積、蓄能設(shè)備容積、太陽(yáng)能保證率對(duì)比了優(yōu)化后的上述三種離網(wǎng)型“光伏+”綜合能源供熱技術(shù)方案，結(jié)果如表2所示：

表2 不同光伏供暖系統(tǒng)方案對(duì)比

從表2可以看出，對(duì)于蓄電系統(tǒng)，光伏+空氣源熱泵綜合能源供熱系統(tǒng)所用光伏場(chǎng)面積小于光伏+建筑電氣化設(shè)備系統(tǒng)，蓄電池容量更小，太陽(yáng)能保證率更高.對(duì)于光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統(tǒng)，將太陽(yáng)能以熱水形式儲(chǔ)存，建議蓄熱水箱容積15 m3，太陽(yáng)能保證率可達(dá)98.6%.從經(jīng)濟(jì)性上分析，蓄熱設(shè)備投資遠(yuǎn)低于蓄電設(shè)備，可見(jiàn)對(duì)于孤立地區(qū)，在本文所述的三種離網(wǎng)型“光伏+”綜合能源供熱系統(tǒng)中，光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性與可靠性.

4 結(jié)論

本文對(duì)日喀則市某孤立地區(qū)居住建筑使用以離網(wǎng)型“光伏+”綜合能源供暖技術(shù)方案進(jìn)行了對(duì)比.分別建立了光伏+空氣源熱泵+蓄電、光伏+空氣源熱泵+蓄熱、光伏+電采暖設(shè)備+蓄電的模型進(jìn)行模擬分析.以太陽(yáng)能保證率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到結(jié)論如下：

(1)在本文提出的三種能源系統(tǒng)形式中，光伏+空氣源熱泵的熱源系統(tǒng)形式具有明顯的優(yōu)勢(shì).由于該系統(tǒng)所需的光伏場(chǎng)面積小，能源利用效率與系統(tǒng)可靠程度高，更適宜在青藏高原建筑供暖領(lǐng)域推廣應(yīng)用；

(2)在建筑供暖領(lǐng)域，與蓄電形式相比，將太陽(yáng)能以熱水的形式儲(chǔ)存具有更大的優(yōu)勢(shì).通過(guò)本文研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于光伏+空氣源熱泵系統(tǒng)形式，當(dāng)光伏場(chǎng)面積不變時(shí)，采用蓄熱水箱方式蓄能會(huì)使系統(tǒng)具有更高的太陽(yáng)能保證率，投資與運(yùn)行費(fèi)用較低；

(3)光伏+電采暖設(shè)備系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單，但是該系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率低，所需蓄電池容量大，導(dǎo)致系統(tǒng)能源利用效率與經(jīng)濟(jì)性較差，是次于上述兩種系統(tǒng)形式的方案選擇.

總體而言，對(duì)于青藏高原孤立地區(qū)居住建筑，在光伏離網(wǎng)條件下，光伏+空氣源熱泵+蓄熱系統(tǒng)形式具有明顯的經(jīng)濟(jì)性與可靠性.然而，在動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷變化需求特性下，光伏系統(tǒng)控制器的穩(wěn)壓、逆變過(guò)程造成的電損失以及電流相位變化對(duì)設(shè)備的沖擊不可忽略，因此，研究攻關(guān)光伏直流驅(qū)動(dòng)型空氣熱泵機(jī)組是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一.