低碳趋势下的家庭能源保障与管理模式研究

习宴澳明， 江海昊， 黄招彬， 李运泽

(1． 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100083；2． 广东美的制冷设备有限公司，广东佛山 528311)

符号说明：

Tsol——光伏板表面温度，℃

Tamb——环境温度，℃

Tin——热回收换热器入口水温，℃

Twh——热水罐金属壳体温度，℃

Tout——热回收换热器出口水温，℃

Tmix,h——热水罐出口水温，℃

Tin2——热水罐内换热器介质入口温度，℃

Tout2——热水罐内换热器介质出口温度，℃

Tin3——从冷水机组进入冷水罐的水温，℃

Twc——冷水罐金属壳体温度，℃

Tin4——冷水罐内换热器介质入口温度，℃

Tout4——冷水罐内换热器介质出口温度，℃

Twcm——冷水机组金属壳体温度，℃

Tpre——前置换热器金属壳体温度，℃

Ta,in——空气进入空调送风罩的入口温度，℃

Ta,mid——空气通过室内换热器的入口温度，℃

Ta,out——空气出空调送风罩的温度，℃

Tev——蒸发换热器壳体温度，℃

Tco——冷凝器壳体温度，℃

P1——电加热器功率，W

P2——冷水机组功率，W

Pe——空调制冷电功率，W

Pc——空调制热电功率，W

Qe——空调制冷量，W

Qc——空调制热量，W

Qbatt——储能电池中储存的电量，J

P——家庭总用电负荷，W

G——太阳能辐射率，W/m2

Esol——光伏板转换的电能，W

Ewin——风力发电机发电量，W

Egri——从电网采集的电能，W

ρ——水的密度，kg/m3

ρa——空气密度，kg/m3

qm,s——热回收换热器水质量流量，kg/s

qm,h——热水罐内换热器介质的质量流量，kg/s

qm,mix——热水罐出口水质量流量，kg/s

qm,c0——冷水罐入口水质量流量，kg/s

qm,c——冷水罐内换热器介质质量流量，kg/s

qm,a——空气的质量流量，kg/s

Asol——光伏板的表面积，m2

S——扫风截面面积，m2

Sh——热水罐的底面积，m2

Hh——热水罐内水的深度，m

Rsol——光伏板与环境间的换热热阻，K/W

Rwh——热水罐与环境间的换热热阻，K/W

Rwc——冷水罐与环境间的换热热阻，K/W

Rwcm——冷水机组与环境间的换热热阻，K/W

Rpre——前置换热器与环境间的换热热阻，K/W

Rev——蒸发器与环境间的换热热阻，K/W

Rco——冷凝器与环境间的换热热阻，K/W

csol——光伏板的比热容，J/(kg·K)

c——水的比热容，J/(kg·K)

cwh——热水罐金属壳体的比热容，J/(kg·K)

cwc——冷水罐金属壳体的比热容，J/(kg·K)

cwcm——冷水机组金属壳体的比热容，J/(kg·K)

ca——空气的比热容，J/(kg·K)

cpre——前置换热器金属壳体的比热容，J/(kg·K)

t——时间，s

Qpre——前置换热器的换热量，W

cev——蒸发器金属壳体的比热容，J/(kg·K)

cco——冷凝器金属壳体的比热容，J/(kg·K)

msol——光伏板的质量，kg

mwh——热水罐金属壳体的质量，kg

mh——热水罐内水的质量，kg

mwc——冷水罐金属壳体的质量，kg

mwcm——冷水机组金属壳体的质量，kg

mpre——前置换热器金属壳体的质量，kg

mev——蒸发器金属壳体的质量，kg

mco——冷凝器金属壳体的质量，kg

α——光伏板吸收率

Cp——风轮效率

k——空调的制冷能效比

Cp——风轮效率

η1——电加热器的效率

ε1——热回收换热器的效能

ε2c——热水罐内换热器冷侧的换热效能

ε2h——热水罐内换热器热侧的换热效能

ε3c——冷水罐内换热器冷侧的换热效能

ε3h——冷水罐内换热器热侧的换热效能

ε4c——前置换热器冷侧的换热效能

ε4h——前置换热器热侧的换热效能

εev——蒸发器的换热效能

εco——冷凝器的换热效能

k2——冷水机组的制冷能效比

v——风速，m/s

随着经济的发展，家庭能源正在快速转型，从传统的薪材、木炭到电力、天然气，有效缓解了森林退化、室外烟雾和室内环境污染等众多问题；从依靠单一能源到多种能源混合使用，避免了单一燃料易受到能源价格变化及不可靠服务影响的局限，增加了能源安全感[1]。目前，能源消耗带来的环境问题日益严重，化石能源作为主流供电来源，会排放大量温室气体，同时伴随一些烟气的产生，这对环境造成了极大危害。在低碳趋势下，太阳能、风能等低碳能源逐渐走进家庭能源领域，家庭能源正向着低碳、多能源混合运用的方向发展。

自20世纪70年代开始，美国及部分欧洲国家就开始了提高家庭能量系统用电效率的探索[2]。实际上，围绕家庭供电、供热和供冷需求，电负荷和热负荷的转换、多能源的混合供能及存储已成为热门课题。Erdil等[3]提出了一个由光伏模块和太阳能集热器组成的混合系统；Litjens等[4]提出了一种结合地源热泵、光伏发电和电池存储的住宅供暖系统；Ghenai等[5]针对用于沙漠地区居民小区的，包含太阳能发电、燃料电池、电解槽制氢的离网分布式混合能源系统进行了仿真研究。国内外利用太阳能、固体废弃物和风能等可再生能源进行冷热电联供的低碳社区案例研究较多[6]，从现有研究可以看出，包含低碳能量的多能源混合系统在环保性、节能性和经济性方面都具有一定优势。

笔者提出了一种基于光-热混合利用和前置空调蓄能的家庭能量管理系统，并通过数学建模对系统性能进行仿真分析。该系统以水为主要储能介质，系统结构简单易实现，在满足家庭用能需求的同时具有可观的节能和环保效益，为低碳趋势下家庭能源保障与管理新模式提供了思路。

1 多能并用、多能联蓄的低碳家庭能源管理新模式

1.1 系统功能与总体集成模式

基于多能并用、多能联蓄的思路，设计了一种包含多能量收集与生产、冷热电协同存储及末端能量综合利用的家庭能量管理系统。图1给出了该系统的能流图。在能量的收集和供应上，系统采用电网集中式供电与太阳能、风能低碳能源分布式供电相结合，相比电网单一供电模式更加低碳；在能量的存储上，该系统以水为储能介质，热量和冷量的收集、存储都以水为载体，工质简单可靠，设备成本较低，电量的存储则通过储能电池来实现；在末端能量的利用上，前置蓄能空调系统与冷水罐和热水罐相连，实现对空调送风的预冷却或预加热，从而降低空调负荷，达到节能的效果。

1.2 多能并用的能量收集与生产

现代城镇楼宇之间往往存在天然的风口，可采用在建筑侧墙或者屋顶放置家用小型风力发电机的方式，将风能转化为扇叶转动的机械能，最后转化为电能。家庭太阳能光伏板则常常安装在阳光最充足、没有建筑遮挡的屋顶，利用光伏效应将光能转化为电能。

图1 低碳家庭能源管理系统能流图Fig.1 Energy flow diagram of low carbon household energy management system

由于光伏板长期处于太阳暴晒下，往往电池板表面的温度很高，如果将这部分余热利用起来，可以提升太阳能的利用率。光-热混合模块由光伏板和热回收换热器组成，从水网泵入的冷水通过热回收换热器与高温的电池板表面进行换热，然后将热水存储在热水罐内，从而实现对太阳能的光-热混合利用。

1.3 以家庭为单元的冷热电协同存储

在家庭中，一般通过储能电池储存电量、热水罐和冷水罐储存热水和冷水的方式，来实现冷热电的协同存储。储能电池储存的电量来自光伏板、风力发电机及电网输送过剩的电能，热水罐存储的热量来自光伏板热回收换热器和电加热器，冷水罐存储的冷量则来自冷水机组。

热水罐和冷水罐储存的热量和冷量，除了用于淋浴、洗菜等生活用水，还参与空间环境的温度调节。罐内换热器与空调送风罩内的前置换热器相连，图1中描述了冷(热)水罐与家庭末端能量利用环节的能量交换关系：夏季时，冷水罐内的换热器工作，将冷水罐中储存的冷量用于空间供冷；冬季时，热水罐内的换热器工作，将热水罐中储存的热量用于空间供暖。

1.4 末端的能量综合利用

围绕家庭的供电、供热和供冷需求，家庭末端用能主要来源于生活用水、室内温度调节以及洗衣机、电视、冰箱等家用电器。如图1所示，系统在空调送风罩中增加了以水为介质的前置换热器，通过管道与热水罐和冷水罐内换热器相连。夏季时，蒸发器充当室内换热器的角色，前置换热器与冷水罐内换热器流道接通，利用冷水罐储存的冷量对空调送风进行预冷却；冬季时，冷凝器充当室内换热器的角色，前置换热器与热水罐内换热器流道接通，利用热水罐储存的热量对空调送风进行预加热。因此，不同于传统空调仅通过消耗电能来实现制热/制冷，加入前置空调蓄能环节利用了热水罐和冷水罐内的热能和冷能，在相同负荷下节约了电能。

2 家庭能源管理系统的仿真建模

2.1 能量收集环节的数学模型

2.1.1 太阳能光-热混合利用模块的数学模型

在太阳能光-热混合利用模块的建模中，以光伏板为研究对象，根据能量守恒原理，光伏板自身能量的变化等于输入能量的总和与输出能量总和的差值，包括太阳辐照能量、换热器带来的能量、与环境的换热及转换为电能的能量。光伏板表面温度的变化可表示为：

(1)

热回收换热器出口温度可表示为：

Tout=Tin+ε1(Tsol-Tin)

(2)

太阳能辐照能量及光伏发电量随环境变化而变化。Erdil等[3]对一日内太阳能辐照及光-热混合系统的光伏发电量进行了实验测定。结果表明，正午时的阳光最强烈，晚间和凌晨的时候没有阳光，清晨和傍晚的时候由于阳光较弱、气温较低，光伏板表面的温度较低，因此设定太阳能光-热混合模块仅在9:00—17:00工作。仿真计算参考了广州市当地的气象数据，选取了典型四日(夏季晴天、夏季阴天、冬季晴天、冬季阴天)的太阳辐照强度的日变化曲线，如图2所示。

2.1.2 风力发电模块的数学模型

风力发电量与风轮效率、空气密度、扫风截面面积和风速的三次方成正比[7]，表达式如下：

(a) 工况1，夏季晴天

(3)

风速是一个随环境变化的量，一般而言，夜间和凌晨的风速较高，白天的风速相对较低。仿真计算参考了广州市当地的气象数据，选取了典型四日(夏季晴天、夏季阴天、冬季晴天、冬季阴天)的风速日变化曲线，如图3所示。

(a) 工况1，夏季晴天

2.2 能量存储环节的数学模型

2.2.1 热水罐的数学模型

热水罐用于储存从太阳能光-热混合利用模块收集的热水，实现热量的存储。夏季时，热水罐内换热器不工作，热水罐收集的热水直接用于淋浴、洗衣等生活用水；冬季时，热水罐内换热器与空调前置换热器相连，热水罐收集的热量除了用于生活用水，还可与空调前置换热器换热。以热水罐壳体为研究对象，其能量守恒方程为：

夏季

(4)

冬季

ε2ccqm,h(Tin2-Twh)+η1P1-

(5)

数学建模时将热水罐金属壳体看成一个换热器：在夏季换热器不工作时，可将其看成单流体换热器，与式(2)相似，根据热水罐内水与金属壳体间的换热效能即可求得热水罐出口温度，也是用于生活热水的温度Tmix,h；在冬季换热器工作时，可将其看成双流体换热器：

(6)

热水罐内水的质量和水位可表示为：

(7)

2.2.2 冷水罐及冷水机组的数学模型

冷水罐内换热器与空调系统送风罩内的前置换热器相连，主要工作于夏季。冷水罐的建模与热水罐相似，不同于热水罐采用电加热器进行补充加热，冷水罐的冷量来自于冷水机组输送的冷水。冷水罐壳体的能量守恒方程如下：

(8)

冷水机组的建模以冷水机组金属壳体为研究对象，能量守恒方程如下：

(9)

同样，根据冷水机组内水与金属壳体间的换热效能，可求得冷水机组的出口温度Tin3。

2.2.3 储能电池的数学模型

对于整个家庭能量管理系统而言，储能电池储存的电量等于总发电量与总用电量的差值：

(10)

经调研，普通单户家庭的用电负荷在工作日和休息日有所不同。在工作日，电力负荷在晚间的18:00—22:00达到高峰；在休息日，存在正午10:00—14:00及晚间18:00—22:00 2个用电高峰[8]。仿真工况参考了文献[8]的数据，如图4所示。

(a) 工作日单户家庭日负荷

储能电池系统在家庭用电低峰时蓄电，在家庭用电高峰时放电，从而起到削峰填谷的作用，减小了电网的负荷波动。

2.3 能量利用与环境控制环节的数学模型

前置蓄能空调系统包含2个主要的换热环节：一是空调送风与前置换热器的换热；二是经过前置换热器预冷却(加热)后的空气与蒸发器(冷凝器)进行换热。前置换热器内的换热过程可表达如下：

夏季

(11)

冬季

(12)

经前置换热器预冷却(加热)后空气的温度为：

(13)

夏季时，经预冷却后的空气与蒸发器的换热过程如下：

(14)

已知蒸发器的换热效能εev，可求得空气出口温度为：

Ta,out=Ta,mid+εev(Tev-Ta,mid)

(15)

与夏季相似，冬季经预加热后的空气与冷凝器的换热过程如下：

(16)

同式(15)，可由冷凝器的换热效能εco求得空气出口温度。

3 仿真研究及讨论

3.1 仿真参数及算法设置

主要仿真参数设置见表1，假设环境温度保持不变。采用Rkfix4积分求解算法，仿真时间86 400 s，求解步长0.1 s，仿真计算24 h内各参数随时间的变化情况。

表1 主要仿真参数设置Tab.1 Main settings for simulation parameters

3.2 仿真结果与分析

3.2.1 低碳能源的产量

所建立的系统在传统电网集中供电的基础上，加入了太阳能和风能进行分布式发电，发电效果显著。而电网集中供电多来自化石能源，太阳能、风能低碳能源的加入带来了环保效益。表2给出了4个0.611 m2的太阳能光-热混合利用模块和扫风面积1 m2的风力发电装置在夏季晴天、夏季阴天、冬季晴天和冬季阴天4种工况下一天内生产的电能。

图5给出了4种工况下一天内低碳能源的发电量和光伏板的余热回收情况。从图5可以看出，光伏发电量受光照影响，正午时达到最大值；风力发电量受风速影响，不同工况下差异较大，一般而言晚间和凌晨的风力资源较丰富。夏季的光照普遍强于冬季，冬季的风量普遍高于夏季；晴天的光照普遍强于阴天，阴天的风量普遍高于晴天。因此，夏季晴天时以光伏发电为主，风力发电机几乎不工作，光-热混合利用模块出口水温较高，最高可达50 ℃；夏季阴天时以光伏发电为主，风力发电为辅，混合利用模块的出口水温可达31 ℃。冬季太阳辐照较弱，气温较低，光-热混合利用模块出口水温较低，需要另外借助电加热器进行辅助加热，然而冬季的风力资源普遍较丰富，风力发电的产量较为可观。

表2 4种工况下低碳能源的产量Tab.2 Low-carbon energy production under four operating conditions 单位：kW·h

由第2.2.3节可知，工作日及休息日的家庭用电负荷存在较大的波峰。假设储能电池的充放电功率恒定：在工作日，储能电池系统在用电负荷低谷期以200 W的功率储能，在用电负荷高峰期以400 W的功率释能；在休息日，用电负荷低谷期以200 W的功率储能，用电负荷高峰期以240 W的功率释能。经计算可知，工作日日净蓄电量为2.2 kW·h，休息日日净蓄电量为1.07 kW·h。采用同样的蓄电方案，图6为一天内低碳综合能源利用系统与传统电网供能系统电网输入的电量曲线对比，可以看出低碳能源综合系统能给电网全面减压。

3.2.2 前置蓄能空调系统的节能效益

在夏季制冷模式下，假设空调制冷量恒定为1 200 W。图7给出了夏季制冷模式下前置蓄能空调系统的空气温度及换热器内介质温度的变化情况，并与传统空调系统进行了比较。在送风空气质量流量为0.226 kg/s的情况下，空调前置换热器能将空气入口温度预冷却近1 K；在换热器内水质量流量为0.01 kg/s的情况下，换热器换热温差为5.06 K。在相同空气入口温度的情况下，相比传统系统，前置蓄能空调系统的出风温度明显下降。

在冬季制热模式下，以冬季晴天工况为例，假设空调制热量恒定为2 000 W。如图8所示，冬季制热模式不同于夏季制冷模式，由于太阳能热回收受天气影响不稳定，空气出口温度会有2 K左右的波动。在送风空气质量流量为0.226 kg/s的情况下，空调前置换热器最多能将空气入口温度预加热近5K，对应换热器换热温差最大为27 K。相比传统空调系统，前置蓄能空调系统的空气出口温度明显上升，且相较夏季制冷模式，冬季制热模式前置换热器的介质温差更大，换热效果更好，节能效果更显著。

(a) 工况1，夏季晴天

(a) 工作日电网负荷

3.2.3 生活用水保障

假设一家三口在20:00—22:00时间段洗澡，电加热器提前对热水罐内收集的热水进行补充加热，20:00时热水罐开始以0.02 kg/s的恒定质量流量向淋浴间供应热水。如图9所示，在夏季，电加热器的功率为1 500 W，可为用户提供70 ℃左右的生活用水；在冬季，电加热器的功率为3 000 W，可为用户提供60 ℃以上的生活用水。

(a) 夏季制冷模式下前置蓄能空调温度变化

(a) 冬季制热模式下前置蓄能空调空气温度变化

(a) 工况1，夏季晴天

4 结 论

(1) 包含低碳能量的多能源混合系统能大幅降低电网压力。不同于电网采用化石能源集中供能，太阳能、风能低碳能量的加入，对环境更加友好。

(2) 当单户家庭采用太阳能光-热混合利用系统收集太阳能时，可回收最高近50 ℃的热水，用于空间供暖和生活用水。

(3) 在制冷(制热)耗电功率一定的情况下，前置蓄能空调系统的制冷(制热)效果优于传统空调系统，且在冬季制热模式下的节能效果更佳。