基于建筑虛擬儲能的太陽能光伏制冷系統(tǒng)供需匹配性研究

劉青榮, 葉家盛, 阮應(yīng)君, 錢凡悅, 孟 華

(1.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 200092)

我國能源總體消耗量巨大,在電力需求不斷增大的情況下,開發(fā)太陽能等新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源,對于降低我國能源消耗,維持社會的持續(xù)發(fā)展意義重大。太陽能光伏制冷技術(shù)利用光伏裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,再以電能驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行制冷[1-2],但由于太陽能的不確定性,導(dǎo)致供需側(cè)存在不匹配現(xiàn)象。儲能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能量的跨時段轉(zhuǎn)移從而可有效解決供需不匹配問題,但其造價(jià)較高不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。建筑虛擬儲能利用建筑的蓄熱屬性和熱惰性,可以對需求側(cè)能源進(jìn)行優(yōu)化管理與調(diào)節(jié),通過一定的控制策略實(shí)現(xiàn)建筑對能源的存儲或者釋放,因此在太陽能波動較大的情況下,合理利用虛擬儲能可以發(fā)揮類似傳統(tǒng)儲能的作用[3-4]。目前,針對虛擬儲能的研究已有部分成果。童亦斌等人[5]分析了虛擬儲能的主要影響因素,建立了虛擬儲能能量功率模型,并根據(jù)實(shí)際測算結(jié)果表明空調(diào)負(fù)荷可以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。王怡嵐等人[6]根據(jù)熱力學(xué)模型和人體舒適度模型建立了虛擬儲能模型,以實(shí)際空調(diào)建筑為算例分析了虛擬儲能的性能。趙軍等人[7]采用虛擬儲能主動調(diào)控建筑的熱負(fù)荷,從而提高了太陽能供熱量和建筑負(fù)荷的匹配程度。靳小龍等人[8]基于樓宇蓄熱建立了建筑虛擬儲能模型并融合到分布式能源優(yōu)化調(diào)度模型當(dāng)中,通過優(yōu)化調(diào)度的對比分析,表明了虛擬儲能的參與使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。為進(jìn)一步認(rèn)識建筑虛擬儲能的應(yīng)用價(jià)值,本文以上海地區(qū)辦公建筑為研究對象,設(shè)計(jì)太陽能光伏制冷系統(tǒng),針對系統(tǒng)存在的供需不匹配問題,基于建筑虛擬儲能展開供需匹配性研究。具體工作為:建立了上海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的辦公建筑,基于DeST軟件平臺完成了典型年能耗模擬并結(jié)合已有研究結(jié)果表明了所建模型的可靠性;為所建辦公建筑設(shè)計(jì)了一套太陽能光伏制冷系統(tǒng),建立了光伏預(yù)測模型并在典型日預(yù)測了當(dāng)天的逐時發(fā)電量;針對系統(tǒng)的供需不匹配問題,展開基于建筑虛擬儲能的供需匹配性研究,模擬過程確定了當(dāng)天建筑虛擬儲能對建筑負(fù)荷的額定消減電量以及釋能時間的估算,并利用建筑虛擬儲能技術(shù)使典型日系統(tǒng)供需匹配性大幅度提高。

1 典型辦公建筑建模及可靠性驗(yàn)證

1.1 典型辦公建筑建模

基于DeST設(shè)計(jì)上海地區(qū)方形辦公建筑。該建筑長40 m,寬40 m,每層高4 m,高3層,總建筑面積4 800 m2。其標(biāo)準(zhǔn)層分為中心核心系統(tǒng)區(qū)域和核心系統(tǒng)外圍的辦公空間,東西南北4個方向各有一個內(nèi)區(qū)和一個外區(qū),外區(qū)的進(jìn)深為5 m。其中:核心系統(tǒng)區(qū)域?yàn)榉强照{(diào)區(qū)域,該區(qū)域主要承擔(dān)洗手間、樓梯、開水間等功能,單層面積為400 m2,占總面積的25%;4個方向內(nèi)外區(qū)都為空調(diào)區(qū),占總面積的75%;建筑的朝向?yàn)檎戏较颉Ｆ涞湫痛韺尤S立體圖如圖1所示。

圖1 辦公建筑典型代表層三維立體圖

為使建筑材料物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)置符合實(shí)際情況,主要參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》《綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》《外墻外保溫建筑構(gòu)造》《平屋面設(shè)計(jì)構(gòu)造》等規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。外墻及平屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造最終結(jié)果及材料物性參數(shù)的設(shè)置分別如圖2和表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

圖2 外墻及平屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造

建筑東、西、南、北4個方向的窗墻比為0.45,窗戶的傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·K),太陽得熱系數(shù)取值0.348,遮陽系數(shù)取值0.4。參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的推薦值,設(shè)置的人員、燈光熱擾、設(shè)備熱擾、通風(fēng)次數(shù)如表2所示。

表2 人員、燈光、設(shè)備及通風(fēng)次數(shù)設(shè)置情況

空調(diào)系統(tǒng)選擇風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng),設(shè)置房間溫度夏季上限為26 ℃,冬季下限為20 ℃。系統(tǒng)送風(fēng)溫度上下限分別設(shè)置為18°和30°。冷源系統(tǒng)使用的冷機(jī)選擇內(nèi)置的螺桿式制冷機(jī),其額定制冷系數(shù)(Coefficient Of Perfermance,COP)為5.85。熱源系統(tǒng)中熱源為燃?xì)忮仩t,采用兩管制水系統(tǒng),供水溫度夏季為7°,冬季為60°。設(shè)定全年雙休日和法定節(jié)假日空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證

圖3顯示了上海地區(qū)辦公建筑典型年能耗模擬情況。

圖3 能耗模擬結(jié)果

已有文獻(xiàn)表明[9-10],上海地區(qū)大型辦公建筑單位面積能耗水平在37.6～234.1 kWh/(m2·a),統(tǒng)計(jì)平均值為114.0 kWh/(m2·a)。本文研究結(jié)果將燃?xì)庀恼鬯銥殡姾?最終結(jié)果表明建筑的單位面積能耗為100.53 kWh/(m2·a),接近統(tǒng)計(jì)平均值。各分項(xiàng)能耗運(yùn)行參考指標(biāo),空調(diào)系統(tǒng)能耗占比40%～60%,本次模擬結(jié)果為38%;照明能耗占比13%～26%,一般為20%左右,本次模擬結(jié)果為19%;辦公設(shè)備能耗為20%～40%,本次模擬結(jié)果為25%。因此,所建典型辦公建筑及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置比較合理,具有一定的可靠性。

2 太陽能光伏制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與光伏預(yù)測

2.1 太陽能光伏制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對所建典型辦公建筑設(shè)計(jì)太陽能光伏制冷系統(tǒng)供應(yīng)建筑所需冷負(fù)荷,并在建筑屋頂設(shè)計(jì)一套光伏陣列。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 太陽能光伏制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

其基本工作原理為:光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供應(yīng)制冷機(jī),系統(tǒng)不足部分電力由電網(wǎng)提供,光伏陣列為離網(wǎng)形式,多余電力存儲在蓄電池中。

2.2 光伏預(yù)測模型建立

光伏組件為獲得更優(yōu)出力需要傾斜放置,而DeST提供的輻射量為水平面上的輻射量,因此需要建立傾斜面太陽輻射模型。水平面上太陽總輻射包括:水平面直射輻射和水平面散射輻射。傾斜面太陽總輻射包括:傾斜面直射輻射、傾斜面散射輻射、傾斜面反射輻射。水平面到傾斜面輻射量的轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算模型如下[11]。

直射輻射模型為

(1)

式中:IBT,IBH——傾斜面、水平面直射輻射;

θ——太陽入射角;

α——太陽高度角;

δ——當(dāng)?shù)鼐暥?

β——傾斜面傾角;

λ——傾斜面方位角;

σ——赤緯角;

ω——時角。

散射輻射模型采用工程上常用的Hay模型,即

(2)

式中:IDT,IDH——傾斜面、水平面散射輻射;

I——水平面散射輻射與大氣層的上邊界面的太陽輻射量之比;

I0——大氣層上邊界面的太陽輻射量;

RB——折算因子;

N——天數(shù)。

反射輻射模型為

(3)

式中:IRT——傾斜面反射輻射;

IH——水平面上太陽總輻射;

ρ——地面平均反射率,取0.15。

結(jié)合太陽輻射模型,可以計(jì)算得到光伏預(yù)測模型[2]為

(4)

式中:ηPV,η0——光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率,標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的光電轉(zhuǎn)換效率;

τPV,τPV0——太陽電池各層透過率和太陽電池輻射入射角為0°時的值,后者取0.81;

TCELL,TA——光伏電池的溫度和環(huán)境溫度,℃;

θ1——光伏板平面上的輻射入射角,°;

PPV——光伏組件的發(fā)電功率,kW;

ηI——逆變器效率,取值0.98;

SPV——光伏板的面積,m2。

光伏預(yù)測模型里面全天光伏板上的輻射入射角θ1計(jì)算公式如下

cosθ1=sinσsinδ+cosσcosδcosω

(5)

(6)

式中:Ts——真太陽時。

2.3 光伏組件設(shè)計(jì)與預(yù)測結(jié)果

為增強(qiáng)太陽能光伏制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性,在上海地區(qū)辦公建筑典型年能耗模擬使用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,選擇7月份溫度最高日(7月20日)的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算光伏總面積,以期光伏發(fā)電可以盡可能滿足制冷季制冷機(jī)的耗電量。光伏組件參考隆基樂葉公司型號為LR4-60HPH-380M的組件,在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下組件效率為20.9%,單塊組件長175.5 cm、寬103.8 cm,根據(jù)已有研究結(jié)果[12],選擇光伏陣列的朝向?yàn)檎?傾角23°。

結(jié)合DeST提供的干球溫度和水平面輻射情況,可以計(jì)算當(dāng)天光伏陣列逐時發(fā)電量。最終計(jì)算的典型日單塊光伏組件發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型日單塊光伏組件逐時發(fā)電量變化曲線

根據(jù)光伏組件的全天發(fā)電量滿足螺桿制冷機(jī)當(dāng)日耗電量的原則,計(jì)算光伏面積,取整可得需要光伏組件共436塊,則總光伏面積不超過795 m2,約占建筑屋頂面積的一半。因此,本文的設(shè)計(jì)滿足光伏陣列的外在條件。

3 基于建筑虛擬儲能的供需匹配性研究

3.1 虛擬儲能模型及工作原理介紹

虛擬儲能可以充分利用建筑的熱惰性和蓄熱屬性,因此和建筑負(fù)荷以及室內(nèi)溫度存在一種相互關(guān)系,合理的利用這種耦合關(guān)系,可以在實(shí)際情況中發(fā)揮一定的價(jià)值。由于涉及熱量的傳遞與室內(nèi)溫度的關(guān)系,因此從熱力學(xué)基本定律出發(fā),其基本模型為

(7)

式中:C——室內(nèi)空氣比熱容,J/(kg·K);

ρ0——室內(nèi)空氣密度,kg/m3;

V——室內(nèi)空氣體積,m3

t——溫度,℃;

∑Q(τ)——熱功率;

QWIN——通過窗的傳熱,kW;

QWALL——通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱,kW;

QF——室內(nèi)物體間得傳熱,kW;

QIN——室內(nèi)物體和人員等的發(fā)熱,kW;

QSUPPLY——內(nèi)部設(shè)備的供熱,kW。

其工作原理為:充分利用建筑本身的熱惰性和蓄熱屬性,在電量充裕時適當(dāng)降溫,相當(dāng)于給建筑充能,在發(fā)電量不足時將儲存在建筑里的能量釋放出來。利用建筑負(fù)荷與室內(nèi)溫度的相互關(guān)系,通過室溫調(diào)控的方法對建筑負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié),達(dá)到類似蓄電池的作用。

3.2 虛擬儲能對建筑負(fù)荷消減情況及釋能時間確定

為了解典型日建筑虛擬儲能對建筑負(fù)荷的最大消減幅度,以及建筑存儲和釋放冷量的快慢,首先要確定建筑房間舒適度區(qū)間。其基本思路是:對建筑進(jìn)行最大充能,然后在某時刻關(guān)閉所有房間空調(diào),讓建筑存儲的冷量不斷釋放,釋放極限是室內(nèi)溫度達(dá)到房間溫度上限為止。在本次過程中,建筑存儲冷量導(dǎo)致的房間溫度下降,其溫度下限不得低于24 ℃,由于釋放冷量導(dǎo)致的溫度上升其溫度上線不得高于28 ℃。此段過程即建筑虛擬儲能釋放冷量的過程,結(jié)果是導(dǎo)致室內(nèi)溫度存在一個緩慢的滯后現(xiàn)象,使室內(nèi)溫度在一定時間段內(nèi)仍然保持在舒適度區(qū)間。具體操作情況如下:基于DeST平臺,在上午7時到8時,將所有房間開啟空調(diào),使室溫達(dá)到24 ℃,讓建筑完成最大充能;在上午8時到10時關(guān)閉空調(diào),觀察建筑釋放冷量過程的快慢以及超出室溫舒適度區(qū)間的時間點(diǎn),通過這種方法可以大致確定建筑在典型日完全釋放冷量的時間;10時到12時打開空調(diào)繼續(xù)對建筑進(jìn)行充能;下午時段再重復(fù)一次上述過程。

整個過程內(nèi)外區(qū)房間溫度和負(fù)荷變化情況如圖6所示。對比圖6的兩次結(jié)果是否差距明顯,如果差距很小,則說明所得結(jié)果具有一定的可靠性。

圖7為空調(diào)關(guān)閉最大時長為1 h(分別在上午的9時和下午的13時關(guān)閉空調(diào))的外區(qū)溫度和負(fù)荷變化情況。

由圖6和圖7可知:建筑房間由于內(nèi)外區(qū)的區(qū)別導(dǎo)致建筑釋放冷量的速率存在明顯不同,所以在2 h的時間,觀察溫度是否超出舒適度區(qū)間。外區(qū)溫度在1 h后已經(jīng)超出了溫度舒適范圍,而內(nèi)區(qū)溫度在2 h后依然在舒適度范圍,并且已經(jīng)接近釋放極限,故知在該典型日內(nèi)區(qū)完全釋能時間最快接近2 h,外區(qū)釋能時間最快接近1 h。內(nèi)區(qū)房間基本可以將存儲的冷量全部釋放出來,建筑虛擬儲能導(dǎo)致內(nèi)區(qū)房間冷量消減幅度最大不超過12 kWh,系統(tǒng)對內(nèi)區(qū)房間進(jìn)行充能,最大接近15 kWh冷量;外區(qū)房間由于釋能時間明顯快于內(nèi)區(qū),在1 h內(nèi),建筑虛擬儲能釋能使房間冷量消減幅度最大不超過23 kWh,系統(tǒng)對外區(qū)房間進(jìn)行充能,最大接近30 kWh冷量。

圖6 空調(diào)關(guān)閉最大時長為2 h時內(nèi)外區(qū)房間溫度和負(fù)荷變化情況

圖7 空調(diào)關(guān)閉最大時長為1 h時內(nèi)外區(qū)房間溫度和負(fù)荷變化情況

因此,在所得結(jié)果的基礎(chǔ)上估算整棟建筑在1 h內(nèi)由于虛擬儲能的作用使系統(tǒng)消減最大不超過420 kWh冷量,系統(tǒng)對建筑充能最大接近540 kWh冷量,如果按制冷機(jī)的額定COP折算成電負(fù)荷,則在典型日虛擬儲能1 h對系統(tǒng)的額定消減電量接近71.794 9 kWh,系統(tǒng)對建筑額定充電量最大接近92.307 7 kWh。

3.3 評價(jià)指標(biāo)及供需匹配性研究

為研究太陽能光伏制冷系統(tǒng)的供需匹配性,選擇2個參數(shù)對系統(tǒng)供需匹配性進(jìn)行評價(jià):本址供能滿足負(fù)荷占比(On-site energy fraction,OEF),本址供能滿足自消費(fèi)占比(On-site energy matching,OEM)[13]。其定義式如下

(8)

(9)

式中:FOE,MOE——OEF,OEM的值,取值范圍均為[0,1];

τ1,τ2——起始時間和終止時間;

G(i)——i時刻本址發(fā)電量,kW;

L(i)——i時刻建筑所需負(fù)荷,kW;

Δτ——時間步長。

為提高光伏陣列供需匹配性,充分發(fā)揮建筑虛擬儲能的使用價(jià)值,本文基于建筑虛擬儲能的工作原理調(diào)控室內(nèi)溫度,實(shí)現(xiàn)建筑冷負(fù)荷的釋放,并最終反應(yīng)在電力消耗上,結(jié)果如圖8所示。

圖8 虛擬儲能參與調(diào)控前后室溫及制冷機(jī)耗電情況

原系統(tǒng)OEF為75.76%,OEM為75.73%,最大余量電量為130.462 2 kWh。根據(jù)結(jié)果計(jì)算評價(jià)指標(biāo),得到采用虛擬儲能后,系統(tǒng)OEF為86.54%,OEM為91.05%,當(dāng)日最大余量電量為58.955 9 kWh,當(dāng)日最大余量電量削減幅度達(dá)54.81%。

4 結(jié) 論

本文以上海地區(qū)典型辦公建筑為研究對象,基于建筑虛擬儲能展開供需匹配性研究,結(jié)果表明了虛擬儲能的應(yīng)用價(jià)值,對于上海地區(qū)辦公建筑虛擬儲能提供了借鑒意義。具體研究結(jié)論如下:

(1)所建辦公建筑內(nèi)外區(qū)的釋能時間有較大差別,內(nèi)區(qū)釋能時間接近2 h,而外區(qū)釋能時間接近1 h。

(2)典型日虛擬儲能在1 h內(nèi)對系統(tǒng)的額定消減電量接近71.794 9 kWh,系統(tǒng)對建筑額定充電量最大接近92.307 7 kWh。

(3)為提高系統(tǒng)的供需匹配性,采用虛擬儲能技術(shù)對建筑進(jìn)行合理充放電進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)電耗曲線,使評價(jià)指標(biāo)OEF從75.76%提升到86.54%,OEM從75.73%提升到91.05%,并且當(dāng)日最大余量電量削減幅度可達(dá)54.81%。這對于降低蓄電池的初始投資意義重大。