上海市典型辦公建筑房間PVT供能與負荷匹配特性研究

付在國，李 洋，孫子靜，朱群志

(上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090)

隨著化石能源的大量消耗，二氧化碳排放造成的全球變暖已經(jīng)威脅到人類社會.中國在第二十一屆聯(lián)合國氣候變化大會上承諾將于2030年左右使二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)，2030年非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右.

在發(fā)展和環(huán)保的雙重壓力下，可再生能源發(fā)電占比不斷升高，以光伏電池板為代表的太陽能發(fā)電技術(shù)不斷成熟，出現(xiàn)了兩種不同的應用方式，分別是集中式光伏電站和分布式光伏發(fā)電.其中分布式光伏發(fā)電由于具有免費用電、余電出售等優(yōu)勢，作為用戶獲取電能的一種有效方式已經(jīng)不斷應用于城市和農(nóng)村建筑[1].Apple公司在Cupertino的新總部實現(xiàn)了100%可再生能源供電[2]，部分電能由建筑屋頂?shù)?7 MW光伏裝置供給.

常見的光伏電池板只能將20%左右的入射光轉(zhuǎn)化為電能，其余的能量會加熱光伏組件使其溫度上升并最終以熱量的形式散入大氣層中.而光伏組件的工作溫度會嚴重影響光電轉(zhuǎn)化效率，電池片每升高1 ℃，光伏效率會下降0.3%～0.5%[3].PVT(Photovoltaic/thermal，PVT)是在光伏發(fā)電基礎(chǔ)上發(fā)展的一種太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)方式，通過使用流體對電池板進行換熱降溫提高光伏效率，再對流體的熱能進行利用，進而提高太陽能綜合利用效率.相比于獨立的光伏或光熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建筑房頂?shù)扔邢薜膮^(qū)域，能充分的利用太陽能產(chǎn)生更多收益.國際能源署太陽能供熱制冷委員會(IEA-SHC)將PVT列為第60項任務[4]，在全球范圍內(nèi)推廣PVT的應用.

由于太陽能具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點，使得利用太陽能對建筑進行供能具有一定難度.研究太陽能等可再生能源供能能力和建筑用能負荷的匹配特性是提高可再生能源利用率的前提.已有的相關(guān)研究多針對提高可再生能源發(fā)電并網(wǎng)能力而展開.隨著分布式能源，如屋頂光伏系統(tǒng)等在建筑中的不斷應用，如何充分利用可再生能源以減小電網(wǎng)購電量且使得可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)能與建筑負荷匹配成為重要問題.Widen等[5]提出，不匹配的生產(chǎn)和負載限制了分布式光伏在住宅區(qū)低壓配電網(wǎng)中的應用，進一步的研究應集中在電力需求側(cè)管理潛力和存儲的優(yōu)化運行等方面.

在建筑負荷預測計算方面，清華大學自主研發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件—DeST.該軟件基于狀態(tài)空間法[6]求解建筑熱過程，可精確模擬建筑自然室溫、夜間通風、鄰室傳熱以及間歇空調(diào)等問題，可用于分析建筑熱特性的影響因素，計算建筑熱特性指標、全年動態(tài)負荷等[7-8].孫鳳梅[9]用軟件模擬了長沙市兩種典型的住宅建筑，對軟件模擬的準確度進行了考量，實驗表明模擬值約為實際值的90%.

在此背景下，本文基于上海市歷史氣象數(shù)據(jù)，針對上海市某辦公建筑陰面房間，利用DeST軟件模擬計算了其用能負荷，并采用數(shù)值模擬方法預測了為建筑配套的PVT供能系統(tǒng)的電、熱產(chǎn)能，特別對PVT供能和建筑房間負荷的匹配特性進行了分析，以指導PVT技術(shù)在類似建筑供能應用中的推廣.

1 房間負荷計算

1.1 氣象數(shù)據(jù)

DeST軟件中建有豐富的氣象數(shù)據(jù)庫，本文選用上海市典型的氣象數(shù)據(jù)展開研究.典型年內(nèi)部分氣象數(shù)據(jù)如圖1所示.根據(jù)該氣象數(shù)據(jù)可知，上海當年最高氣溫36.8 ℃，最低氣溫-4.48 ℃，當年日照小時數(shù)為2 174 h，年輻射量為457×104kJ/m2，單位面積輻射能相當于154 kg標準煤燃燒放熱量.

圖1 典型年部分氣象數(shù)據(jù)圖

1943年，張寶堃先生參照我國東部地區(qū)氣候變化提出了用當?shù)亍昂颉?5天)平均氣溫來劃分四季的方法[10]，以候平均氣溫低于10 ℃為冬，10 ℃～22 ℃為春秋，超過22 ℃為夏.目前氣象學上通常采用此方法進行季節(jié)劃分.參照候平均氣溫對選用的典型年劃分季節(jié)，如表1所示.

表1 典型氣象年中上海市四季情況

1.2 參數(shù)設(shè)置

以上海市某辦公建筑陰面房間作為研究對象進行冷熱負荷計算.房間面積為86 m2、窗墻比為0.37.該建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)參考上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[11]設(shè)計，詳細參數(shù)如表2所示.室內(nèi)溫度設(shè)置，如表3所示.室內(nèi)溫度高于28 ℃時開啟制冷將室溫降低并維持在26 ℃，室內(nèi)溫度低于16 ℃時開啟供熱提高室溫并維持在18 ℃.同時，按上述標準設(shè)定房間與室外每小時通風2次.

表2 房間圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 空調(diào)設(shè)置

在上述條件下，用DeST對建筑進行建模，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，開展全年逐時負荷計算.

2 PVT供能預測

2.1 PVT供能系統(tǒng)

針對房間用能場景，設(shè)計的PVT供能系統(tǒng)如圖2所示.該供能系統(tǒng)的運行方式為：冬天利用PVT產(chǎn)出的熱水對房間進行供熱，利用PVT產(chǎn)出的電能驅(qū)動空調(diào)制熱補充房間需求；夏天利用PVT產(chǎn)出的電能驅(qū)動空調(diào)為房間制冷.空調(diào)機組參照某品牌參數(shù)，設(shè)定制冷和制熱的能效比分別為2.7和2.55.

圖2 PVT供能系統(tǒng)示意圖

PVT組件采用平板型多層結(jié)構(gòu)，如圖3所示.設(shè)計PVT面積與房間面積相同，為86 m2.其由玻璃蓋板、光伏組件、背板、流體通道和保溫板組成.太陽輻射經(jīng)玻璃蓋板反射和吸收后透射到光伏組件，光伏組件以一定的效率將入射光轉(zhuǎn)化成電能輸出，其余入射太陽能轉(zhuǎn)化成熱量經(jīng)玻璃板向空氣或經(jīng)背板向流體中傳輸.保溫層的設(shè)置可減少流體向環(huán)境的熱損失.

圖3 PVT組件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)學模型

對PVT組件的玻璃層、光伏組件層、背板層、流道層、保溫層依次建立能量平衡方程[3，12，13]為

αgI=hge(Tg-Te)+hgc(Tg-Tc)，

(1)

FαcτgI+hgc(Tg-Tc)=ηFαcτgI+hcb(Tc-Tb)，

(2)

FαbτcτgI+(1-F)αbτgI+hcb(Tc-Tb)=hbw(Tb-Tw)，

(3)

(4)

hwi(Tw-Ti)=hie(Ti-Te)，

(5)

光電轉(zhuǎn)化效率以20 ℃時的效率0.12為基準[12，13]，作為溫度的函數(shù)表達為

η=0.12[1-0.004 5(Tc-20)].

(6)

表4 PVT組件幾何參數(shù)

表5 PVT組件材料性能參數(shù)

表6 PVT組件中相鄰層傳熱系數(shù)

2.3 求解方法

模型求解以室外溫度、輻射強度和PVT入口水溫作為輸入條件，采用自編程序?qū)Ω鱾€組件層平衡方程進行迭代運算，數(shù)值收斂后將結(jié)果輸出，得到PVT各個組件層的溫度、光電轉(zhuǎn)化效率η、流道出口水溫等數(shù)據(jù).

求解得出上述結(jié)果后，可根據(jù)光電轉(zhuǎn)化效率η等參數(shù)計算PVT電能產(chǎn)量，根據(jù)流道入口水溫和出口水溫的差值等參數(shù)計算PVT熱能產(chǎn)量.

3 結(jié)果與分析

3.1 房間負荷與PVT熱電產(chǎn)量

房間每日冷熱需求量變化如圖4所示.其中，正值為每日熱需求量，負值的絕對值為每日冷需求量.可以看出，典型年內(nèi)，房間熱需求量大，從秋季末持續(xù)到春季初.在春季初始段(占比春季約1/3時長)建筑有少量熱需求，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)僅有4天熱需求量超過40 kWh.陰面房間在夏季的冷需求量不大，近1/2的夏季時間內(nèi)冷需求量為0.計算表明，冷需求時間段內(nèi)平均值為54.50 kWh.

從圖4中還可以看出，秋季的熱需求量大于春季，且主要集中在秋季末(約23天).冬季熱需求量較大，入冬之后房間每日熱需求量從70 kWh不斷升高，冬季逐日最大熱需求量出現(xiàn)在12月22日，為149 kWh.受環(huán)境氣溫變化的影響，在峰值后每日需熱量減小至80 kWh左右，并于1月中旬再次升高，直至2月下旬一直保持在110 kWh以上.冬季日均熱需求量為94.60 kWh.

PVT系統(tǒng)典型年內(nèi)逐日的熱電產(chǎn)量如圖5所示.從圖5中可以看出，熱產(chǎn)量受到季節(jié)的影響波動較大.夏季的熱產(chǎn)量整體上高于其他三季.由于PVT進口水溫的設(shè)置，春季的熱產(chǎn)量可能比實際運行時偏高，秋季的熱產(chǎn)量可能偏低.PV電產(chǎn)量同樣呈現(xiàn)季節(jié)波動性，春夏季產(chǎn)量高于秋冬季.

房間冷熱負荷和PVT熱電產(chǎn)量相關(guān)的特征值，如表7和表8所示.

表7 房間冷熱負荷統(tǒng)計

表8 PVT熱電產(chǎn)量統(tǒng)計

3.2 匹配性分析

根據(jù)上述對房間負荷與PVT產(chǎn)能的模擬計算，從表7與表8中可知，面積為86 m2的PVT組件全年總電產(chǎn)量為7 838.88 kWh，熱產(chǎn)量為78 079.20 kWh.面積為86 m2的辦公建筑陰面房間全年累計熱需求量11 538.81 kWh，累計冷需求量3 217.44 kWh.在全年尺度下，PVT熱產(chǎn)量是相同面積房間熱需求量的6.76倍，電產(chǎn)量是冷需求量的2.43倍.由于太陽能的不穩(wěn)定性以及匹配精度的要求，以年作為研究尺度在實踐中不能滿足系統(tǒng)運行要求，所以需要在更小的時間尺度上進一步研究.

典型年內(nèi)四季供能與冷熱需求匹配分析，如表9所示.表中供能率表示單一能源供能可以滿足需求的倍數(shù).從季節(jié)角度看，PVT供能滿足房間冷熱需求具有充足優(yōu)勢.雖然冬季供能率較其他三季有所降低，但利用PVT熱電聯(lián)合供能也可滿足房間需求實現(xiàn)零能耗.

表9 四季冷熱需求量及PVT熱電產(chǎn)量

冬季熱量供需的變化以及冬季最冷日PVT逐時熱電產(chǎn)出與房間逐時負荷的變化，如圖6、圖7所示.從圖6中可以看出，在逐日的尺度下，冬季內(nèi)大部分天數(shù)的PVT產(chǎn)量符合或超出需求，未能滿足供熱需求的天數(shù)為39天，占比約為36%.其中系統(tǒng)供能率小于0.5的天數(shù)有25天，占比約為23%.同時房間熱需求量與PVT產(chǎn)量存在一定的反比關(guān)系，天氣晴好的時候PVT產(chǎn)量高、熱需求量小，當熱需求量上升時，PVT產(chǎn)量下降，出現(xiàn)日供能不滿足供熱需求的情況.

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，冬季PVT的熱產(chǎn)出時間較短，僅在10時至15時時段.電能產(chǎn)出時間相對較長，但產(chǎn)量亦不大，僅憑熱能或電能均不能滿足房間負荷需求.就供能系統(tǒng)而言，此日只有3個小時滿足瞬時負荷需求，系統(tǒng)供能率為0.61.

夏季冷量供需變化，冷需求量最大日的逐時電能產(chǎn)出和制冷負荷，以及平均氣溫最高日逐時電能產(chǎn)出和制冷負荷的變化情況，如圖8～圖10所示.

圖8 夏季冷量供需變化

從圖8可以看出，夏季兩者整體匹配性較好，僅有13天PVT系統(tǒng)供能明顯不能滿足房間制冷需求，占制冷需求天數(shù)的22%.從圖9可以看出，夏季冷需求量最大日PVT系統(tǒng)未能完全滿足房間負荷需求.計算表明，當日系統(tǒng)供能率為0.56，冷量缺口為41.38 kWh.通過逐時分析發(fā)現(xiàn)，夏季因日出較早，從6時起PVT系統(tǒng)已經(jīng)有電能輸出，在9時開啟制冷前可以提供約6 kWh的冷量.開啟供冷時冷負荷較大，為12.80 kW，此時能提供的制冷功率為3 kW，不到1/4.接下來四個小時供能率比較理想，分別為0.87、1.03、0.49、1.08.后續(xù)從0.45呈下降趨勢，至19時無法繼續(xù)提供冷量.對比圖10與圖9，可以發(fā)現(xiàn)平均氣溫最高日相比冷負荷最大日，PVT供能系統(tǒng)能較好的滿足用能需求.總量上看，平均氣溫最高日系統(tǒng)制冷量超過冷需求量，系統(tǒng)供能能力超過負荷需求的時長為6h，超出日制冷時間的1/2.

春季和秋季逐日熱量供需的變化如圖11、圖12所示.春季和秋季典型日逐時熱電產(chǎn)出和負荷變化如圖13、圖14所示.

從圖11、圖12中可以看出，在過渡季，房間熱需求量小，僅有1天～2天供能量小于用能需求.從圖13、圖14中可以看出，過渡季典型日的供能量大于用能需求，但在啟動供暖的時刻尚不能滿足負荷需求，之后系統(tǒng)產(chǎn)出超過負荷需求.其中春季典型日可持續(xù)供能8 h，秋季典型日可持續(xù)供能6 h.通過上述逐日或逐時分析還可以得出PVT供能系統(tǒng)添加儲能裝置的必要性.儲能裝置不僅可以儲存空調(diào)開啟前未利用的電能，也可將超出負荷需求部分的電、熱能量儲存，供日落后或非晴天使用.

4 結(jié) 論

本文針對上海市典型建筑房間應用PVT供能的負荷匹配特性展開研究.采用DeST軟件對陰面房間在典型年的冷熱需求量進行了預測計算；建立了PVT系統(tǒng)供能的數(shù)學模型并采用自編程序進行了求解；分析了不同時間尺度下PVT供能系統(tǒng)與房間負荷的匹配特性.取得的主要結(jié)論包括：

(1)所選典型辦公建筑陰面房間熱需求量在時間長度和數(shù)值上都明顯大于制冷需求量，全年熱負荷是冷負荷的3.6倍.

(2)配置的平板PVT組件供能呈明顯的季節(jié)波動性.春夏兩季產(chǎn)量高于秋冬兩季，電產(chǎn)量為熱產(chǎn)量的1/10.

(3)研究的典型年內(nèi)，PVT全年供能顯著大于建筑房間的冷熱需求.逐日尺度上，冬季PVT產(chǎn)量未滿足房間供熱需求的天數(shù)占比36%，夏季電產(chǎn)量未滿足房間制冷需求的天數(shù)占比22%.

本研究利用的建筑負荷模擬參數(shù)和PVT計算參數(shù)來源于數(shù)據(jù)庫，比較理想.下一步將考慮建筑內(nèi)的熱擾、更先進的PVT電熱產(chǎn)量預測模型，并添加儲能裝置優(yōu)化系統(tǒng)，進一步研究含儲能裝置的PVT系統(tǒng)供能與建筑負荷的逐時匹配特性.