夏热冬冷地区太阳能空调系统性能模拟与经济性分析

■ 黄莉 宋波 邓琴琴 郑荣跃

(1.宁波大学建筑工程与环境学院;2.中国建筑科学研究院有限公司)

0 引言

近年来，随着经济的发展与人们生活水平的提高，建筑能耗也迅速增长。据统计，我国建筑能耗占社会总能耗的30%以上[1]，其中50%～60%的能耗用于建筑的制冷或采暖[2]。传统的空调系统采用压缩式制冷机，运行过程中会消耗大量的能源，加剧了夏季电网的负担，导致用电高峰期的出现。同时，传统制冷空调中的工质CFC8及其替代产品R134a 等与臭氧层的破坏、温室效应、全球变暖等环境问题都有关系。因此，为了适应建筑可持续发展的需求，制冷界一直在寻求一种新的制冷方式及工质。

太阳能空调技术正是解决上述问题的一种有效途径。该技术在夏季利用太阳能作为主要能源驱动制冷机制冷，冬季则利用太阳能提供采暖，可有效降低建筑的制冷与采暖能耗，是解决太阳能利用和空调节能这一行业困境的重要技术。其核心优势在于：

1)充分利用全年的太阳能资源，可提供夏季制冷、冬季采暖及生活热水。尤其是在夏季，太阳能辐射越强，制冷效果越好，可大幅降低电网负担。

2)该技术是可再生能源应用技术的提升，可显著提高太阳能利用率，实现节能减排。

3)相比于传统的压缩式空调，太阳能空调不排放氟利昂，对于缓和温室效应、全球变暖等环境问题具有重大意义。

当前的太阳能空调技术主要分为两类：太阳能光伏空调技术与太阳能热利用空调技术，针对这两类系统已有不少相关的研究成果。其中，Boopathi等[3]对居住建筑中采用单效溴化锂制冷机的太阳能空调系统进行了总结，并发现决定太阳能空调系统经济性的2个因素分别是太阳能集热器与储能装置的费用，以及制冷技术的能效。Noro等[4]采用TRNSYS 软件分别对太阳能吸收式制冷空调与显热储能及相变储能相结合的系统进行了模拟和对比分析。研究结果表明，只有在天然气价格较高或相变材料价格较低时，才能体现太阳能空调与相变储能一体化系统的经济性。Beccali等[5]采用生命周期评估方法(LCA)将2类太阳能空调系统(热利用空调与光伏空调)与传统的压缩式制冷机空调进行了对比评估。研究结果表明，在大多数情况下，采用光伏并网空调的效果最好。Eicker等[6]利用TRANSO与INSEL软件模拟分析了采用传统压缩式制冷机的光伏空调系统和采用溴化锂制冷机的热利用空调系统这两类太阳能空调系统的一次能源消耗量与经济性。模拟结果表明，光伏空调系统比热利用空调系统更为经济。空调系统的初始投资对整套系统的投资回报期与一次能源的节约量有很大的影响。

虽然当前已有不少针对太阳能空调技术的研究，但该技术并未得到广泛的应用，主要原因在于其初始投资较高，且投资回报期长。截止至2014年，全世界范围内仅有1200多套系统建成并运行[7]，且大多数为太阳能热利用空调系统。本文拟在典型的夏热冬冷地区——浙江省宁波市滕头村建成一套太阳能空调系统。为了提高拟建系统的技术经济效益，采用“博日胜”Polysun®软件对太阳能光伏与热利用空调系统进行了性能模拟，然后在此基础上比较了两套系统的年收益与投资回报期，并最终确定适用于夏热冬冷地区的太阳能空调技术体系。

1 模拟方法与边界条件设置

1.1 模拟软件

本文采用Polysun®太阳能系统模拟计算软件对太阳能空调系统进行性能模拟。该软件由瑞士太阳能测试中心SPF在总结测试经验的基础上开发，包含太阳能热利用、光伏发电、热泵及太阳能空调4 个模块，用于设计或优化建筑的能源系统[8]。软件以气象统计数据为基础，采用热力学系统的塞流模拟进行计算[9-10]。

1.2 宁波市气候条件

宁波市位于夏热冬冷地区，该地区冬季阴冷、夏季湿热，且高温时间持续较长。其中，7月份温度最高，平均温度达到27.6 ℃；而1月份温度最低，平均温度为6 ℃。另外，夏热冬冷地区湿度很大，相对湿度一般为75%～80%，宁波市湿度达到了75.6 %。因此，宁波地区对夏季制冷与冬季采暖的需求较高，空调用电是建筑能耗中最主要的部分。

位于夏热冬冷地区的大多数城市属于太阳能资源Ⅳ类地区，年辐射量在1000～1500 kWh/m2之间。宁波市平均全年日照时数为1855.6 h，平均每天的日照时数为5.41 h；年辐射量为1280.5 kWh/m2，为全国平均年辐射量1627.8 kWh/m2的78%；最冷月份为11月～次年3月，总辐射量为378.3 kWh/m2；最热月份为6～9月，总辐射量为559.8 kWh/m2。

1.3 建筑特点

拟安装太阳能空调系统的新建建筑为滕头村老年活动中心。该建筑为南向单层建筑，使用面积为420 m2，室内高度为4.2 m；其中，200 m2的屋顶面积用于安装光伏组件或集热模块，其余屋顶部分用于绿化；建筑内部设置了诊所、办公室、阅览室、棋牌室等。建筑的结构参数如表1所示。

表1 滕头村老年活动中心建筑性能参数

1.4 模拟系统定义

为了便于系统的性能模拟与经济分析，首先定义了1套参照系统和2套太阳能空调系统。其中，2套太阳能空调系统的光伏组件/集热模块阵列总面积均为屋顶最大可用面积200 m2。

1.4.1 参照系统

参照系统定义为热泵中央空调系统，由2套风冷热泵模块机组组成，运行时产生冷水或热水，通过风机盘管向建筑供冷或供热。2台热泵的额定制冷功率分别为28 kW与65 kW，制热功率分别为30 kW与69 kW。在模拟过程中，参照系统的制冷COP值取2.82，采暖COP值取3.11。热泵机组运行所需电量由电网直接提供。

1.4.2 太阳能光伏空调系统

该系统采用与参照系统一致的风冷热泵模块机组。如图1所示，热泵系统运行优先采用光伏组件产生的电能，不足时再采用电网供电。若光伏组件所产生的电量高于热泵机组所需电量，则富余的电量并网。该系统由80块光伏组件与1套并网逆变器组成，光伏组件的最大总功率为20.4 kW，并网逆变器的最大交流功率为20.0 kW。

图1 太阳能光伏空调系统示意图

1.4.3 太阳能热利用空调系统

该系统主要由40组真空集热模块、燃气锅炉、溴化锂吸收式制冷机、冷却塔、热水与冷水储罐组成，如图2所示。在夏季制冷时，集热模块利用太阳能产生70～95 ℃的热水并储存在热水储罐里，热水驱动制冷机产生10 ℃的冷冻水并储存在冷水储罐里用于供冷，而制冷机所产生的热量通过冷却塔释放；在冬季采暖时，制冷机关闭，集热模块利用太阳能产生50～60 ℃的热水储存在热水储罐里用于供暖。系统采用燃气锅炉作为辅助系统，在太阳能不足时提供热水驱动制冷机制冷或直接提供热水采暖。系统真空集热模块的总采光面积为120 m2，制冷机的额定制冷功率为35 kW，燃气锅炉的加热功率为40 kW。

图2 太阳能光热空调系统示意图

2 结果与分析

2.1 建筑制冷与采暖能耗

老年活动中心每天的使用时间为08:00～20:00，时长12 h，在能耗模拟中仅考虑夏季制冷和冬季采暖需求，不考虑生活热水供应。根据GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》与JGJ 134-2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，将制冷温度设置为23 ℃，采暖温度设置为18 ℃。

图3展示了该建筑在宁波市典型气象年逐月制冷/采暖负荷的模拟结果，其中，4月、5月和10月不需要空调。该建筑在夏季的制冷总负荷为70.16 MWh/a，在冬季的采暖总负荷为148.20 MWh/a，全年总负荷为218.33 MWh。根据热泵机组制冷与采暖的COP值，参照系统每年用于制冷的耗电量为24.88 MWh，用于采暖的耗电量为47.65 MWh，合计为72.53 MWh。

图3 老年活动中心在典型气象年逐月制冷/采暖负荷模拟

2.2 系统性能模拟结果

太阳能光伏空调系统的模拟结果如表2所示。光伏组件的年产电量约为22.3 MWh，可覆盖热泵机组全年制冷与采暖所需电量的30.7%。由图4可知，除了不需要空调的4月、5月和10月，光伏组件的发电量均小于热泵机组的耗电量。因此，热泵机组每年需另外从电网获取50.23 MWh的电量，以覆盖建筑全年的制冷与采暖负荷。

表2 太阳能光伏空调系统模拟结果

图4 太阳能光伏空调系统逐月交流电发电量与热泵制冷/采暖耗电量

太阳能热利用空调系统的模拟结果如表3所示，逐月太阳能保证率如图5所示。在夏季6～9月，集热系统的得热量最高，平均太阳能保证率为27.75%；在冬季11月～次年3月，平均太阳能保证率为32.8%。因此，全年制冷与采暖的平均太阳能保证率为30.6%。若太阳能热利用空调系统在春秋季节(4月、5月与10月)另外提供生活热水，则全年太阳能保证率可以达到40%左右。

表3 太阳能热利用空调系统模拟结果

图5 太阳能热利用空调系统逐月太阳能保证率

2.3 一次能源节约量

为了比较两套太阳能空调系统的节能量，所有能源消耗量均转换为一次能源消耗量。电能转换为一次能源的系数为0.36，燃气转换为一次能源的系数为1[11]。

表4展示了两套太阳能空调系统与参照系统相比所节约的一次能源使用量。其中，参照系统年耗电量为72.53 MWh，转换为一次能源为201.47 MWh；光伏空调系统年产电量为22.3 MWh，转换为一次能源为61.94 MWh，节能率为30.7%；太阳能热利用空调系统的最大节能量为58.13 MWh，若该部分热量由燃气锅炉供给，所需燃气量为60.81 MWh，转换为一次能源为60.81 MWh，节能率为30.2%。由此可见，两套系统的一次能源节约量非常相近。

表4 太阳能光伏与热利用空调系统一次能源节约量

2.4 经济性分析

两套太阳能空调系统相对于参照系统的增量成本如表5所示。其中，参照系统与光伏空调系统均采用2套热泵机组，而太阳能热利用空调系统则采用燃气锅炉作为辅助系统，无需热泵机组，因此在计算增量成本时，将热泵机组的费用扣除。通过计算得出，光伏空调系统的增量成本为20.59万元，热利用空调系统的增量成本为56.98万元，约为光伏空调系统的2.8倍。

表5 太阳能光伏与热利用空调系统的增量成本

图6和图7分别展示了光伏和热利用空调系统的初始成本组成。其中，光伏组件/集热模块(含支架)为两套系统最主要的费用支出部分，占比分别为65%与42%。在热利用空调系统中，制冷机与控制系统也是费用的主要组成部分，占比分别为21%与16%，仅次于集热模块。

图6 太阳能光伏空调系统费用组成图

图7 太阳能热利用空调系统费用组成图

当前，国家对可再生能源利用的资助主要在光伏系统。假设太阳能光伏与热利用空调系统的效率每年下降0.8%～1.0%，在20年的使用周期内，光伏空调系统的总发电量为 408.98 MWh，按照国家商业电价1元/kWh、分布式光伏发电补贴0.42元/kWh计算，可得出光伏空调系统的年收益，如图8所示。从图中可以看出，光伏空调系统到第7年的总收益为22.94万元，而系统的增量成本为20.59万元。因此，太阳能光伏空调系统的投资回报期约为6～7年。

图8 太阳能光伏空调系统年收益及投资回报期

图9 太阳能热利用空调系统年收益

另一方面，由于国家的新能源补贴仅针对于分布式光伏系统，热利用系统无额外补助，因此，其收益仅来源于所节约的电费。如图9所示，在20年的使用周期内，热利用空调系统的总收益约为40万元，而系统的增量成本为56.98万元。因此，太阳能热利用空调系统的投资回报期大于20年。

虽然太阳能热利用空调系统的初始投资比较高，且当前的投资回报期大于20年，但其作为太阳能的高级综合利用形式，可以全年利用太阳能提供夏季制冷、冬季采暖及生活热水，仍然是未来值得大力推广的太阳能应用技术之一。而且，随着中高温集热器与中小型溴化锂制冷机的产业化推广，在不久的将来，该类系统的初始成本有望大幅降低。

就当前的经济技术条件而言，适用于安装太阳能热利用空调系统的情况有以下2种：

1)拥有大量余热和废热的用户。从太阳能热利用空调系统的成本分析可以得出，集热模块的成本所占比例最大，且随着制冷功率的增加而呈线性增长。如果用户拥有大量的余热和废热，比如印染厂、纺织厂、造纸厂、钢铁厂等，可以利用余热和废热产生热水来驱动制冷机，这样可以相应减少集热模块的面积，从而降低初始成本，缩短投资回报期。

2)大中型中央空调系统。制冷机(含冷却塔)与控制系统所占的增量成本比例仅次于集热模块，分别为21%与16%，然而，这部分的费用并不是随着制冷功率的增加而呈线性增长，而是增长越来越慢。例如，制冷功率分别为115 kW、300 kW、500 kW及1000 kW的溴化锂吸收式制冷机的价格分别为18.7万元、32万元、42万元及64万元。因此，在大中型中央空调系统中，采用太阳能热利用空调技术的经济性比较好。

3 结论

本文以浙江省宁波市滕头村新建老年活动中心为示范建筑，采用Polysun®软件分别对太阳能光伏与热利用空调系统进行了性能模拟，并在此基础上进行了经济效益分析。研究结果表明，相对于采用热泵机组的参照系统，太阳能光伏与热利用空调系统的节能量非常相近，一次能源节能率分别为30.7 %与30.2 %。然而，由于热利用空调系统的增量成本较高，为光伏空调系统的2.8倍，且国家新能源补助仅针对分布式光伏系统，因此，两套系统的投资回报期相差较大；其中，光伏空调系统的投资回报期为6～7年，而热利用空调系统的投资回报期大于20年。在当前的经济技术条件下，太阳能光伏空调技术更适用于夏热冬冷地区的建筑应用；而太阳能热利用空调技术的推广则必须通过国家政策的推动，以及太阳能中高温集热技术的提升与中小型制冷机的规模化生产才能得以实现。