武漢農(nóng)村別墅太陽能-空氣能耦合應(yīng)用研究

張春枝,雷贏昌,李 濤,2,吳宇紅,毛前軍

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065;2安徽建筑大學(xué) 建筑節(jié)能安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230022)

0 引言

我國農(nóng)村住宅能耗占全國建筑總能耗的25%,且有逐年遞增的趨勢[1-2]。隨著生活水平不斷提高,農(nóng)村地區(qū)百姓對于空調(diào)、供暖、生活熱水需求進一步增加[3]。此外,農(nóng)村地區(qū)較大比例運用煤炭等化石燃料作為能源,引發(fā)了溫室效應(yīng)、霧霾等[4-5]眾多環(huán)境問題,可再生能源成了解決能源和環(huán)境雙重挑戰(zhàn)的重要途徑之一[6]。太陽能和空氣能作為兩種廣泛應(yīng)用的可再生能源,在未來的能源轉(zhuǎn)型中將扮演越來越重要的角色[7-8]。

國內(nèi)外有關(guān)太陽能與空氣源熱泵耦合供能的研究有很多。Wang[9]將當(dāng)前太陽能與空氣能耦合系統(tǒng)分為三類:光熱-熱泵(ST-ASHP)、光伏-熱泵(PV-ASHP)、光伏/熱-熱泵(PV/T-ASHP)。Carbonell等[10-11]對串并聯(lián)太陽能熱泵系統(tǒng)進行了仿真模擬,針對中歐氣候的分析結(jié)果表明,系統(tǒng)較空氣源熱泵節(jié)能性更高。Jardi等[12]將光伏與熱泵耦合起來,通過土壤在夏季蓄電蓄熱,冬季釋放滿足建筑電力和熱水需求,得出聯(lián)合光伏-熱泵性能遠高于獨立光伏系統(tǒng)。Raghad等[13-14]通過搭建TRNSYS仿真模型證明了集成的光伏/熱-空氣源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)高于單一系統(tǒng)且大大降低了建筑能耗。李楠[15-17]等就北方農(nóng)村建筑空氣源熱泵輔助太陽能供暖進行研究,結(jié)果證明耦合系統(tǒng)性能就單一熱泵有較大提升,證實了系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的可利用性。張露[18]等搭建一種間接式光伏/熱-熱泵熱水平臺,通過不同環(huán)境下實驗表明:耦合系統(tǒng)在產(chǎn)熱發(fā)電性能上與傳統(tǒng)集熱器與光伏相比更有優(yōu)勢,且在夏季可實現(xiàn)系統(tǒng)離網(wǎng)使用。

但是現(xiàn)有研究主要集中對冬季供暖及供生活熱水居多,而針對光伏及光熱組件分別與熱泵耦合在我國農(nóng)村地區(qū)住宅應(yīng)用的研究相對較少。本文以太陽能光熱與光伏組件分別與空氣源熱泵耦合供能展開研究,選取武漢地區(qū)一別墅建筑,其中光伏發(fā)電并網(wǎng)運行,采取“優(yōu)先自用,余電上網(wǎng)”的原則為系統(tǒng)提供電力需求,耦合系統(tǒng)滿足別墅全年供暖、供冷、熱水及用電需求。通過優(yōu)化集熱器與光伏面積配比,實現(xiàn)對太陽能的最大利用,使系統(tǒng)兼具節(jié)能、高效、環(huán)保,為后續(xù)太陽能光伏光熱-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)在農(nóng)村別墅建筑中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 典型建筑概況及負荷

以位于武漢近郊一棟兩層別墅建筑為研究對象,其中一層層高3.6 m,二層層高3.3 m。建筑面積252 m2,空調(diào)面積168 m2,建筑平面如圖1所示,其實測圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

圖1 別墅建筑平面圖

家庭成員共六人,人數(shù)決定了家庭日用熱水量,從而直接影響該系統(tǒng)的集熱器面積選取。夏熱冬冷地區(qū)住宅內(nèi)供冷供暖需求通常采用“部分時間、部分空間”的間歇供能模式來滿足,既保障了舒適性又起到節(jié)能減排的作用。通過TRNbuild軟件導(dǎo)入各個功能房間人員在室時間和用能模式參數(shù),天氣文件則調(diào)用Meteonorm軟件中武漢地區(qū)典型年的全年氣象參數(shù),房間室內(nèi)溫度設(shè)定為冬季20 ℃,夏季26 ℃,求得建筑室內(nèi)全年動態(tài)負荷如圖2所示。由圖2確定供熱供冷季及過渡季,其中供冷時間為每年的6月1日至9月15日,供暖時間為每年的11月15日至次年的3月15日,其他時間則定義為過渡季。

圖2 建筑全年動態(tài)負荷及室外干球溫度

2 耦合系統(tǒng)原理設(shè)計及評價

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

針對上述別墅建筑及家庭用能模式,設(shè)計了如圖3所示太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)。其中太陽能集熱器與熱泵并聯(lián)運行,集熱器為主,熱泵為輔。光伏陣列與國家電網(wǎng)并網(wǎng)運行,為系統(tǒng)運行提供電力。

圖3 太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)原理圖

(1)供熱季(光伏發(fā)電+國家電網(wǎng)+集熱器+熱泵制熱+電輔熱):空氣源熱泵制取熱水,熱水進入緩沖水箱經(jīng)負荷側(cè)水泵分配至各房間空調(diào)末端換熱,滿足室內(nèi)熱負荷需求。當(dāng)安裝在集熱器進出口的溫度控制器檢測到水溫溫差大于8 ℃時,集熱泵便會開啟,集熱器制取熱水流入蓄熱水箱(生活熱水用),其中蓄熱水箱控制溫度設(shè)定為55 ℃,當(dāng)水箱頂部溫度低于45 ℃時,空氣源熱泵熱水便會經(jīng)過分流三通1部分流入蓄熱水箱輔助升溫,當(dāng)水箱頂部溫度低于35 ℃時,水箱電加熱便會開啟,直至將水箱頂部溫度加熱至55 ℃,此時電加熱和源側(cè)泵2便會關(guān)機停止運行。補水側(cè)隨時根據(jù)用戶末端用水量對蓄熱水箱進行等量補水,保持水箱滿水狀態(tài)。光伏陣列將太陽能經(jīng)控制器及逆變器作用后轉(zhuǎn)化為電能為耦合系統(tǒng)實時供電,多余電量經(jīng)由并網(wǎng)系統(tǒng)輸入到國家電網(wǎng),夜間及陰雨天氣,系統(tǒng)運行則由國家電網(wǎng)直接供電。

(2)供冷季(光伏發(fā)電+國家電網(wǎng)+集熱器+熱泵制冷+電輔熱):由于夏季室內(nèi)冷負荷較大,空氣源熱泵始終設(shè)定為制冷狀態(tài),邏輯同(1)。集熱器滿足生活熱水需求,在大多數(shù)情況下,太陽能集熱器在經(jīng)過一天的工作后,水箱頂部溫度可達到80 ℃以上,甚至在傍晚,集熱泵停止運行時,水箱頂部溫度仍維持在40 ℃左右,足以達到夏季用熱水溫度要求,在極少數(shù)陰雨天氣或太陽輻射強度不足的情況下,手動開啟電輔熱輔助加熱水箱即可。系統(tǒng)用電供應(yīng)邏輯同(1)。

(3)過渡季(光伏發(fā)電+國家電網(wǎng)+集熱器+熱泵制熱):過渡季不開空調(diào),只需滿足生活熱水需求即可,故建筑用能將會大大降低。每日生活用水的使用時間集中在早中晚三個階段,此時集熱器照常運行,當(dāng)水箱頂部溫度低于45 ℃時,開啟熱泵進行快速補熱,達到55 ℃時熱泵停止運行,源側(cè)泵2關(guān)閉。系統(tǒng)用電供應(yīng)邏輯同(1)。

2.2 系統(tǒng)評價指標(biāo)

2.2.1 系統(tǒng)效率評價指標(biāo)

(1)

其中EER為系統(tǒng)能效比;QHP為熱泵機組制冷制熱量,Qcol和Qelec分別代表集熱器的有效集熱量和電加熱器的加熱量,單位均為kW·h;Wcomp、Wfan、Wpump和Welec分別代表各用電部件總的耗電量,單位kW·h。相比于熱泵機組性能系數(shù)COP,系統(tǒng)能效比EER更能夠反映耦合系統(tǒng)整體的節(jié)能性能,系統(tǒng)能效比越高,表明該系統(tǒng)越節(jié)能高效。

2.2.2 太陽能效率評價指標(biāo)

集熱器的有效集熱量與集熱器接收到的總太陽輻射量之比定義為集熱效率ηcol,同樣的,光伏轉(zhuǎn)換的電量與光伏所接收到的全部輻射量之比定義為光伏發(fā)電效率ηPV,分別由下式可得

(2)

(3)

式中Qth——集熱器所收集到的有效集熱量/kW·h;

Acol——平板型集熱器面積/m2;

Eelec——光伏發(fā)電量/kW·h;

APV——多晶硅光伏面積/m2;

G1——太陽輻射強度/W·m-2。

有關(guān)太陽能保證率f的計算公式如下

(4)

式中QHP′——空氣源熱泵為供熱水箱補充的熱量;

Qelec——電輔助加熱器輸入給供熱水箱的熱量;

Qtank——水箱總的集熱量/kW·h。

3 耦合供能系統(tǒng)模型

3.1 TRNSYS模型搭建及組件選型

基于TRNSYS軟件,搭建了該別墅建筑用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的仿真模型,如圖4所示,所選各組件名稱及參數(shù)如表2所示。

圖4 太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)TRNSYS仿真模擬圖

集熱器面積選取參照規(guī)范[19]

(5)

式中各部分物理含義在規(guī)范[19]中均有詳細介紹,此處便不再贅述。帶入本次實驗參數(shù),求得集熱器面積A=6.98≈7 m2。研究發(fā)現(xiàn)單位集熱面積匹配水箱容積為70 L時,系統(tǒng)擁有最大的集熱效率[20],故本系統(tǒng)參照其選用水箱容積為0.5 m3進行初始設(shè)計。太陽能光伏初始設(shè)計容量依據(jù)系統(tǒng)年耗電量選取,將光伏裝機容量定為8 kW,光伏相關(guān)設(shè)計參數(shù)來源于國內(nèi)廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)樣本。模擬所用組件如表2所示。

3.2 模型驗證

模型驗證采用模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比的方式進行,通過兩者之間的誤差對比,可從側(cè)面佐證仿真模擬軟件的可靠性。其中數(shù)據(jù)采集實驗平臺的主要設(shè)備有:保溫水箱一臺,容積1 m3;平板型集熱器四塊,每一塊面積為1.78 m2,總面積為7.12 m2;增壓泵一臺,型號WL24-13.5H,最大流量18 L/min,最大揚程13.5 m,功率100 W;流量計一臺,用于測量總管水流量;熱電偶溫度計八個,分別用于記錄每塊板進出口溫度,方便計算集熱器的有效得熱量;TBS-4全自動太陽光度計一臺,用于測量太陽總輻射及日照時數(shù);數(shù)據(jù)采集器針對以上數(shù)據(jù)以1min為間隔采集一次,確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5所示為太陽光度計監(jiān)測典型建筑所處位置全年逐月的太陽輻射總量。依據(jù)規(guī)范GBT50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》[21]選取四個典型日的數(shù)據(jù)采集,其中太陽能輻射強度分布在3～24 MJ/(m2·d)之間。實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比如圖6所示。

圖5 逐月太陽輻射總量

如圖6所示:實驗測試的太陽能集熱效率與日輻射總量之間的變化關(guān)系與TRNSYS軟件模擬的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。誤差范圍控制在5.5%～10.6%之間,平均誤差為8.8%。據(jù)分析,誤差主要來源為實驗過程中采集數(shù)據(jù)的精確度和系統(tǒng)的散熱造成的熱損失引起的,但是整體與模擬軟件計算出的數(shù)據(jù)相比在合理范圍之內(nèi),證明本研究所建立的太陽能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)是可靠的。

4 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

4.1 能耗分析

本文所建立別墅建筑用太陽能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng),集供暖、供冷、生活熱水及發(fā)電于一體,主要的用電設(shè)備有空氣源熱泵機組、各功能水泵、室內(nèi)末端設(shè)備及電輔熱設(shè)備。系統(tǒng)各季節(jié)按對應(yīng)策略運行,以月為積分區(qū)間統(tǒng)計該系統(tǒng)在各個運行階段總的耗電量及各組件分別耗電量。

如圖7所示,系統(tǒng)在七、八月的設(shè)備耗電量最大,總耗電量分別達到了1 639 kW·h和1 518 kW·h,其中空氣源熱泵的耗電量為1 546 kW·h和1 430 kW·h,分別占比94.3%和94.2%。在供熱季,一月的系統(tǒng)耗電量最大,總耗電量達到了1 105 kW·h,熱泵消耗980 kW·h,占比88.7%,由此可見,建筑冷熱負荷是影響系統(tǒng)耗電量的最大因素,空氣源熱泵耗電占比最大。過渡季由于沒有室內(nèi)冷熱負荷,系統(tǒng)耗電量呈斷崖式下降,在整個過渡季系統(tǒng)耗電量僅為277.6 kW·h。系統(tǒng)全年總耗電量為8 272 kW·h,其中電加熱器能耗為374.8 kW·h,占總能耗4.53%,說明空氣源熱泵在優(yōu)先滿足室內(nèi)冷熱負荷前提下,作為輔助熱源與太陽能集熱器聯(lián)合能滿足絕大多數(shù)情況下的家庭生活熱水需求,整個系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。

圖7 耦合系統(tǒng)全年運行能耗

4.2 光伏光熱效率

如圖8示,集熱器有效集熱量與太陽輻射量有直接關(guān)系。最大集熱量為七月份的384.3 kW·h,該月太陽輻射為501.5 MJ/m2,最小集熱量為二月份的140.9 kW·h,該月輻射量為236.7 MJ/m2。集熱效率具有明顯的季節(jié)差異性,其中四月份最大為45.88%,最小值在一月份僅為29.47%,過渡季和制冷季主要集中在40%左右。而在制熱季僅分布在30%左右,一方面是由于供暖期間存在空氣源熱泵和電加熱器輔助加熱,水箱溫度達到設(shè)定溫度導(dǎo)致集熱水泵關(guān)閉,集熱器停止工作,另一方面由于武漢地區(qū)冬季太陽輻射強度低,集熱器未能發(fā)揮最大效能。

圖8 集熱器集熱量及集熱效率

圖9所示為太陽能光伏發(fā)電量與光伏效率,光伏發(fā)電量最大值出現(xiàn)在七月,為1 109.8 kW·h,最小值為二月份的490.7 kW·h。全年發(fā)電量9 867 kW·h,光伏效率穩(wěn)定在16%～17%之間。多晶硅太陽能光伏的總轉(zhuǎn)換效率為78.7%[22],光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量為7 765.4 kW·h。

圖9 太陽能光伏發(fā)電量及光伏效率

4.3 熱泵及系統(tǒng)效率

圖10示,太陽能保證率最大值出現(xiàn)在七月份,達到98.6%,最小值出現(xiàn)在一月份,為39.7%,全年均值為75.7%,耦合系統(tǒng)的太陽能熱利用率及保證率均較高。

圖10 系統(tǒng)各性能系數(shù)及太陽能保證率

六月與九月的熱泵COP值最高,分別為3.45和3.51。四、五、十月COP值最低,僅為2.4左右,十一月至三月則穩(wěn)定在2.8左右,總的來說,供冷季性能系數(shù)最大,供暖季次之,過渡季最差,主要是

因為在過渡季,沒有建筑冷熱負荷,熱泵在較低水平下運行。耦合系統(tǒng)能效比EER在四、五、十月最大,分別為8.07、8.37、7.36,這是由于在過渡季,太陽輻射較強且溫度較高,太陽能集熱系統(tǒng)穩(wěn)定運行,且系統(tǒng)耗電量少。經(jīng)計算,系統(tǒng)全年能效比3.3,由此得,太陽能耦合空氣源熱泵耦合系統(tǒng)的效率和性能系數(shù)均在正常范圍內(nèi),該系統(tǒng)整體是穩(wěn)定可靠且節(jié)能的。

4.4 光伏光熱面積配比優(yōu)化

影響本系統(tǒng)節(jié)能性與經(jīng)濟性的一個重大因素為集熱器與光伏面積配比。光伏系統(tǒng)的投入對耦合系統(tǒng)的初投資及維護保養(yǎng)成本影響巨大,且系統(tǒng)運行模式不同,耗電量及用電規(guī)律也不相同。集熱器面積則對輔助熱源的耗電有很大影響。因此,合理設(shè)計光伏光熱面積十分重要。

典型建筑屋頂可用面積為60 m2,將以不同配比的集熱器與光伏面積作為變量,以投資回收期、太陽能綜合利用率(太陽能有效利用量比太陽總輻射量)作為目標(biāo)函數(shù)綜合考慮本系統(tǒng)最佳光伏光熱面積配比,詳細對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同光伏光熱面積配比

由表3知,隨著不斷增加光伏塊數(shù),年發(fā)電量也會遞增,其中自發(fā)自用電量也會呈現(xiàn)小范圍的增加,但此時集熱器面積隨之減少,導(dǎo)致系統(tǒng)年耗電量不斷增加。當(dāng)沒有光伏電站時,系統(tǒng)全年耗電量為8 272 kW·h,由省發(fā)改委關(guān)于湖北電網(wǎng)最新居民用電收費標(biāo)準(zhǔn):用戶年用電量達4 801 kWh及以上,按0.858元/kWh收費,故用戶一年需繳納7 097元電費。在安裝光伏發(fā)電設(shè)備后,家庭用電量部分由光伏發(fā)電直接供給,其余由國家電網(wǎng)供給,光伏系統(tǒng)所發(fā)多余電量由電網(wǎng)收購,收購價格由最新政策規(guī)定為0.416元/kWh,光伏安裝市場終端價格約為3.5元/W,集熱器面積為500元/m2。

計算可得,當(dāng)光熱光伏面積比為1∶14時,系統(tǒng)具有最短的回收期7年,此時年耗電量最大,達9 163 kW·h,但是光熱利用程度不足,導(dǎo)致系統(tǒng)太陽能綜合利用率與能效比較低;當(dāng)兩者配比為1∶4時,系統(tǒng)年耗電量最低,系統(tǒng)回收期最長,此時系統(tǒng)夏季集熱過剩浪費,不能最大限度利用太陽能發(fā)電。綜上,針對本文所選建筑,推薦集熱器與光伏面積配比為1∶6.5,此時系統(tǒng)太陽能綜合利用率最高,達19.80%,且回收期在合理范圍內(nèi),系統(tǒng)兼顧經(jīng)濟、節(jié)能、高效及環(huán)保。

5 結(jié)論

針對上述基于TRNSYS的太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)在武漢地區(qū)某兩層別墅建筑全年運行模擬研究,可得出以下幾點結(jié)論:

(1)在武漢及周邊農(nóng)村地區(qū)的獨棟住宅建筑,當(dāng)建筑面積和家庭用能人數(shù)與上述典型建筑情況接近時,安裝太陽能集熱器、光伏與空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng),集熱器與光伏最優(yōu)面積配比為1∶6.5,此時系統(tǒng)太陽能綜合利用率最高,達19.80%。系統(tǒng)年耗電量為8 114 kW·h,投資回收期為7.37年。

(2)耦合系統(tǒng)全年耗電量8 272 kW·h,供冷季能耗最高,供暖季次之,過渡季最低;其中水箱電輔助加熱全年耗電占總耗電量的4.53%。光伏自用電量2 854.70 kW·h,上網(wǎng)電量4 910.69 kW·h,購電量5 417.3 kW·h。有效緩解用電高峰期電網(wǎng)的供電壓力。

(3)太陽能集熱器全年的集熱效率穩(wěn)定在40%左右,年太陽能保證率為75.7%,熱泵全年COP值為2.8,系統(tǒng)能效比EER達3.3,光伏發(fā)電效率16.4%,系統(tǒng)對太陽能利用率較高,兼顧經(jīng)濟、節(jié)能、高效。