一種面向建筑空調的太陽能跨季節(jié)應用系統節(jié)能性分析

孟昱 周浩澤 董學香 馬小雅 南成斌 蔣爽

摘 要：我國建筑采暖和空調能耗在社會總能耗中占有較大的比重，增加太陽能等可再生能源在建筑中的應用是實現能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一條途徑。太陽能光伏/光熱（PVT）技術可最大限度地利用太陽能，但目前太陽能利用受天氣、季節(jié)性氣候影響而無法穩(wěn)定提供能量，并且PVT系統的發(fā)電和產熱效率相互制約。本文提出一種新穎的PVT系統，包含PVT板、熱泵機組、地埋管、輔助熱源或輔助冷卻塔、多功能逆變器、電化學儲能裝置、熱水儲水箱、電控柜等，可實現太陽能資源全年的最大化應用，滿足建筑空調、熱水、采暖和供電需求。

關鍵詞：太陽能光伏/光熱;地埋管;熱泵;建筑節(jié)能

中圖分類號：TU822文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0133-04

Energy-saving Analysis of a Solar Energy Cross-season Application System for Building Air Conditioning

MENG Yu ZHOU haoze DONG Xuexiang MA Xiaoya NAN Cheng Bin JIANG Shuang

（School of Civil Engineering， Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116600）

Abstract： China's building heating and air conditioning energy consumption accounts for a large proportion of the total energy consumption in society， increasing the application of renewable energy such as solar energy in buildings is a way to achieve sustainable development of energy and environment. Solar photovoltaic/photothermal （PVT） technology can maximize the use of solar energy， but the current solar energy utilization is affected by weather and seasonal climate and cannot provide energy stably， and the power generation and heat generation efficiency of PVT systems are mutually restricted. This paper presents a novel PVT system， including PVT board， heat pump unit， buried pipe， auxiliary heat source or auxiliary cooling tower， multi-functional inverter， electrochemical energy storage device， hot water storage tank， electric control cabinet， etc.， which can realize the maximum application of solar energy resources throughout the year， and meet the needs of building air conditioning， hot water， heating and power supply.

Keywords： solar photovoltaic / photothermal;buried pipe;heat pump;building energy-saving

在能源消耗中，建筑能耗在社會總能耗中占有非常大的比重。我國建筑采暖和空調能耗約占建筑總能耗的55%[1]，隨著我國經濟的不斷發(fā)展，人們逐漸提高建筑室內環(huán)境的舒適度要求，建筑能耗比重將會持續(xù)提高[2-3]。實現建筑節(jié)能，很重要的是要降低占主要比例的采暖和空調能耗，其主要手段有二[4-5]。一是改進能源利用技術，提高能源利用效率，減少能源浪費，即所謂的“節(jié)流”。二是開發(fā)利用清潔可再生能源，即所謂的“開源”，這是人類必須尋求的一條能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略道路。

在眾多可再生能源中，太陽能是可再生能源中應用最廣的能源之一。太陽能在建筑中的應用方式主要是太陽能低溫光熱（PT）利用和太陽能光伏（PV）利用兩種。具體形式包括太陽能熱水器、太陽能供熱、太陽能空調和太陽能電池等[6]。PVT系統是集太陽能光伏發(fā)電和光熱于一體的系統，又被稱為太陽能光伏光熱聯產系統，如圖1所示。一個典型的PVT集熱器結構主要包含前面的PV板、玻璃蓋板以及后面的銅管（內部通水）和巖棉保溫材料，如圖2所示。

在PVT系統應用的研究中，大多將PVT應用于建筑領域，為建筑提供電力，同時提供生活用熱水或者/和采暖用熱水，可以極大地降低建筑能耗，這是綠色建筑、零能耗建筑發(fā)展的一個重要技術手段。然而，太陽輻射熱量有很大的不穩(wěn)定性，如能量密度極低、周期性變化、受天氣影響大等缺點。因此，將PVT系統產生的能量用于建筑供能，會存在如下問題：陰雨天氣及晚上等日照不充足的時間無法保證光熱轉換效率，供熱不連續(xù);夏季不需要供熱時，如果不采取散熱措施，光熱集熱后太陽能電池背板溫度過高會造成電池板的光伏發(fā)電效率下降，而排掉多余的熱量會造成能源浪費;人們對夏季空調的需求越來越多，而現有的PVT系統無法提供空調功能;PVT提供的熱水溫度和發(fā)電效率之間存在矛盾，需要的熱水溫度越高，PVT發(fā)電效率越低。

綜上，針對PVT系統應用的不足，有必要提出一種新型系統，保障PVT系統高效運行，實現太陽能全年的最大化利用，在滿足建筑熱水/供暖的同時能夠提供空調的功能，這對于太陽能的高效利用具有重要的應用價值。

1 系統介紹

針對PVT系統用于建筑領域面臨的問題，本文提出一種新穎的系統，如圖3所示。該系統由PVT組件、電動熱泵、地埋管、輔助熱源或輔助冷卻塔、多功能逆變器、電化學儲能裝置、熱水儲水箱以及電控柜等組成。其中，PVT組件將太陽能轉換為電能和熱能;電動熱泵用于實現熱量在空調建筑、PVT組件、地埋管等之間的轉移;地埋管用來實現季節(jié)性蓄熱[7-8]，即在夏季太陽能熱量充足時，將多余的熱量儲存于地埋管周圍的土壤中，在冬季需熱量大時，從土壤中直接取熱或者利用地源熱泵機組從土壤中提取熱量，供給建筑使用;輔助熱源可以是燃氣鍋爐、電鍋爐等，當系統供熱能力不足時，啟動輔助熱源，保證建筑供暖需求;輔助冷卻塔用于極端工況，即當地埋管內流體溫度過高而影響PVT正常發(fā)電時，啟動輔助冷卻塔，將熱量散發(fā)到空氣中;多功能逆變器主要功能是將PVT產生的直流電轉換為工頻交流電，供給建筑使用;電化學儲能裝置用于儲存PVT富余電能;熱水儲水箱用于儲存熱水，供給建筑使用。圖3所示的系統可以實現能量的多種轉移，下面舉例說明。

1.1 夏季運行模式

夏季使用分為有太陽輻射和無太陽輻射、有無空調需求、有無熱水需求的情況。

當太陽輻射充足、用戶有熱水需求時，PVT產生的熱量可以直接對水進行加熱，此時熱量轉移路徑為PVT→熱水儲水箱;當太陽輻射不足或者熱水溫度不能滿足使用時，電動熱泵啟動，此時熱量轉移路徑為PVT→熱泵→熱水儲水箱;當有太陽輻射、用戶無熱水需求時，PVT產生的熱量直接儲存于地埋管系統，此時熱量轉移路徑為PVT→地埋管;當太陽輻射充足、用戶無熱水需求、PVT溫度過高時，電動熱泵啟動，電動熱泵給PVT降溫的同時將產生的熱量儲存于地埋管系統，此時熱量轉移路徑為PVT→熱泵→地埋管;當無太陽輻射、有熱水需求時，電動熱泵啟動，電動熱泵從地埋管系統中取熱，加熱熱水，此時熱量轉移路徑為地埋管→熱泵→熱水儲水箱。

如果用戶有空調需求，則電動熱泵切換為制冷模式，當沒有熱水需求時，電動熱泵從建筑中取熱，將生成的熱量儲存于地埋管系統中，此時熱量轉移路徑為建筑→熱泵→地埋管。當有熱水需求時，電動熱泵從建筑中取熱，將生成的熱量用于加熱熱水，可高效實現熱回收，此時熱量轉移路徑為建筑→熱泵→熱水儲水箱。

若地埋管設計蓄熱能力偏小，則在蓄熱溫度過高時，開啟輔助冷卻塔輔助散熱，保證PVT正常發(fā)電或電動熱泵正常運行。

1.2 冬季運行模式

冬季建筑主要有采暖和熱水需求。工況仍然可以分為有太陽輻射和無太陽輻射、有無供暖需求、有無熱水需求的情況。

當太陽輻射充足，建筑熱負荷較小時，PVT可以直接滿足建筑供暖需求，此時熱量轉移路徑為PVT→建筑;當無太陽輻射、地埋管系統熱量充足（滿足供熱溫度）時，地埋管可以直接滿足建筑供暖需求，此時熱量轉移路徑為地埋管→建筑;當有太陽輻射時，若PVT和地埋管熱量充足，則可直接向建筑供暖，此時熱量轉移路徑為PVT+地埋管→建筑;當太陽輻射不足時，可利用電動熱泵從PVT中提取熱量，此時熱量轉移路徑為PVT→熱泵→建筑;當無太陽輻射、地埋管系統熱量不足（不滿足供熱溫度）時，可利用電動熱泵從地埋管中取熱，以滿足建筑供暖需求，此時熱量轉移路徑為地埋管→熱泵→建筑，當太陽輻射不足、地埋管系統熱量不足（不滿足供熱溫度）時，可利用電動熱泵同時從地埋管和PVT中取熱，以滿足建筑供暖需求，此時熱量轉移路徑為PVT+地埋管→熱泵→建筑;當電動熱泵以最大能力運行仍然不能保證供熱需求時，則啟動輔助熱源;當有熱水需求時，系統先加熱熱水，待熱水加熱完畢后再進行供暖。

1.3 電力供應

建筑電力供應來自兩方面：市電和PVT供電。PVT產生的直流電經多功能逆變器轉換為工頻交流電，供給建筑使用。

2 節(jié)能分析

如果不考慮熱水需求，從能量平衡角度來看，建筑冬季需熱量理論上應等于PVT全年產熱量加上夏季空調建筑經由熱泵向地埋管的放熱量和熱泵的耗電量。整個系統的能量輸入、輸出關系如圖4所示，其中箭頭表示熱量轉移的方向。

基于圖4所示的能量轉換關系，夏季建筑排熱量經過熱泵提取熱量后的供熱量為：

[Q3=Q2×（1+COPC）/COPC]? ? ? ? （1）

式中，[Q2]為建筑夏季排熱量（年供冷量），kW·h/a;[Q3]為電動熱泵提供的熱量，kW·h/a;[COPC]為制冷能效系數。

基于能量守恒關系，式（2）成立，即

[Q4=Q1+Q3]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Q1]為光伏產熱量，kW·h/a;[Q3]為電動熱泵提供的熱量（建筑夏季排熱量經電動熱泵處理），kW·h/a;[Q4]為光熱量與電動熱泵提供的熱量之和，kW·h/a。

供給建筑的總熱量為：

[Q5=Q4（kCOPHCOPH-1+1-k）]? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[Q4]為光伏產熱量與電動熱泵提供的熱量之和，kW·h/a;[Q5]為供給建筑的總熱量，kW·h/a;[k]為冬季電動熱泵運行時從PVT和地埋管中提取的熱量占總熱量的百分比，設計取為20%，另一部分熱量由于供水溫度達標可以直接供給建筑;[COPH]為熱泵制熱能效系數。

建筑夏季排熱量計算公式為：

[Q2=Aqc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[A]為建筑面積，m2;[qc]為年耗冷量指標，kW·h/（m2/a）。

建筑冬季總需熱量與總供熱量相等，滿足如下關系：

[Q5=Aqh]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，[qh]為年耗熱量指標，kW·h/（m2·a）。

以大連市典型辦公建筑為例，經核算，其年耗熱量指標[qh]=35 kW·h/（m2·a），年耗冷量指標[qc]=10 kW·h/（m2·a），電動熱泵采暖季和空調季平均性能系數按照3.0[9]計算，大連市太陽輻照量為1 408 kW·h/（m2·a），年日照總時數為2 500～2 800 h，PVT發(fā)電效率取18%，產熱效率取54%。PVT組件按照1 000 m2計算，則發(fā)電量[P]=1 000 m2×1 408 kW·h/（m2·a）×18%=253 440 kW·h/a，年理論產熱量[Q1]=1 000 m2×1 408 kW·h/（m2·a）×54%=760 320 kW·h/a。

聯立式（1）至式（5），求出[A]=41 132 m2、[Q2]=411 321 kW·h/a、[Q3]=548 428 kW·h/a、[Q4]=1 308 748kW·h/a、[Q5]=1 439 622 kW·h/a，即基于本文所建立的PVT供能系統，1 000 m2的光伏組件可滿足41 132 m2建筑供暖及空調使用需求。

相對于燃煤鍋爐供暖方式，每年約減少標準煤燃煤用量253 t（按照[Q5]=1 439 622 kW·h/a計算，鍋爐效率取70%），根據《節(jié)能低碳技術推廣管理暫行辦法》（發(fā)改環(huán)資〔2014〕19號）文件內容，每噸標準煤燃燒排放2.64 t CO2，經計算，CO2減排量為668 t。

3 結論

針對PVT系統用于建筑領域面臨的問題，本文提出一種新穎的系統。該系統由PVT板、熱泵機組、地埋管、輔助熱源或輔助冷卻塔、多功能逆變器、電化學儲能裝置、熱水儲水箱以及電控柜等組成。該系統可實現太陽能資源全年的最大化應用，可實現太陽能的跨季節(jié)應用，滿足建筑空調、熱水和采暖的需求，并將產生的電能供給建筑使用。以1 000 m2的PVT系統為例，該系統可滿足4.1萬m2建筑空調需求，與燃煤鍋爐采暖方式相比，每年減少標準煤用量253 t，相應減少CO2排放668 t。

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