武汉农村别墅太阳能-空气能耦合应用研究

张春枝,雷赢昌,李 涛,2,吴宇红,毛前军

(1.武汉科技大学 城市建设学院,湖北 武汉 430065;2安徽建筑大学 建筑节能安徽省工程技术研究中心,安徽 合肥 230022)

0 引言

我国农村住宅能耗占全国建筑总能耗的25%,且有逐年递增的趋势[1-2]。随着生活水平不断提高,农村地区百姓对于空调、供暖、生活热水需求进一步增加[3]。此外,农村地区较大比例运用煤炭等化石燃料作为能源,引发了温室效应、雾霾等[4-5]众多环境问题,可再生能源成了解决能源和环境双重挑战的重要途径之一[6]。太阳能和空气能作为两种广泛应用的可再生能源,在未来的能源转型中将扮演越来越重要的角色[7-8]。

国内外有关太阳能与空气源热泵耦合供能的研究有很多。Wang[9]将当前太阳能与空气能耦合系统分为三类:光热-热泵(ST-ASHP)、光伏-热泵(PV-ASHP)、光伏/热-热泵(PV/T-ASHP)。Carbonell等[10-11]对串并联太阳能热泵系统进行了仿真模拟,针对中欧气候的分析结果表明,系统较空气源热泵节能性更高。Jardi等[12]将光伏与热泵耦合起来,通过土壤在夏季蓄电蓄热,冬季释放满足建筑电力和热水需求,得出联合光伏-热泵性能远高于独立光伏系统。Raghad等[13-14]通过搭建TRNSYS仿真模型证明了集成的光伏/热-空气源热泵系统性能系数高于单一系统且大大降低了建筑能耗。李楠[15-17]等就北方农村建筑空气源热泵辅助太阳能供暖进行研究,结果证明耦合系统性能就单一热泵有较大提升,证实了系统在农村地区的可利用性。张露[18]等搭建一种间接式光伏/热-热泵热水平台,通过不同环境下实验表明:耦合系统在产热发电性能上与传统集热器与光伏相比更有优势,且在夏季可实现系统离网使用。

但是现有研究主要集中对冬季供暖及供生活热水居多,而针对光伏及光热组件分别与热泵耦合在我国农村地区住宅应用的研究相对较少。本文以太阳能光热与光伏组件分别与空气源热泵耦合供能展开研究,选取武汉地区一别墅建筑,其中光伏发电并网运行,采取“优先自用,余电上网”的原则为系统提供电力需求,耦合系统满足别墅全年供暖、供冷、热水及用电需求。通过优化集热器与光伏面积配比,实现对太阳能的最大利用,使系统兼具节能、高效、环保,为后续太阳能光伏光热-空气源热泵耦合系统在农村别墅建筑中的应用提供理论依据。

1 典型建筑概况及负荷

以位于武汉近郊一栋两层别墅建筑为研究对象,其中一层层高3.6 m,二层层高3.3 m。建筑面积252 m2,空调面积168 m2,建筑平面如图1所示,其实测围护结构热工性能参数如表1所示。

表1 围护结构热工性能参数

图1 别墅建筑平面图

家庭成员共六人,人数决定了家庭日用热水量,从而直接影响该系统的集热器面积选取。夏热冬冷地区住宅内供冷供暖需求通常采用“部分时间、部分空间”的间歇供能模式来满足,既保障了舒适性又起到节能减排的作用。通过TRNbuild软件导入各个功能房间人员在室时间和用能模式参数,天气文件则调用Meteonorm软件中武汉地区典型年的全年气象参数,房间室内温度设定为冬季20 ℃,夏季26 ℃,求得建筑室内全年动态负荷如图2所示。由图2确定供热供冷季及过渡季,其中供冷时间为每年的6月1日至9月15日,供暖时间为每年的11月15日至次年的3月15日,其他时间则定义为过渡季。

图2 建筑全年动态负荷及室外干球温度

2 耦合系统原理设计及评价

2.1 系统设计

针对上述别墅建筑及家庭用能模式,设计了如图3所示太阳能-空气源热泵耦合供能系统。其中太阳能集热器与热泵并联运行,集热器为主,热泵为辅。光伏阵列与国家电网并网运行,为系统运行提供电力。

图3 太阳能-空气源热泵耦合供能系统原理图

(1)供热季(光伏发电+国家电网+集热器+热泵制热+电辅热):空气源热泵制取热水,热水进入缓冲水箱经负荷侧水泵分配至各房间空调末端换热,满足室内热负荷需求。当安装在集热器进出口的温度控制器检测到水温温差大于8 ℃时,集热泵便会开启,集热器制取热水流入蓄热水箱(生活热水用),其中蓄热水箱控制温度设定为55 ℃,当水箱顶部温度低于45 ℃时,空气源热泵热水便会经过分流三通1部分流入蓄热水箱辅助升温,当水箱顶部温度低于35 ℃时,水箱电加热便会开启,直至将水箱顶部温度加热至55 ℃,此时电加热和源侧泵2便会关机停止运行。补水侧随时根据用户末端用水量对蓄热水箱进行等量补水,保持水箱满水状态。光伏阵列将太阳能经控制器及逆变器作用后转化为电能为耦合系统实时供电,多余电量经由并网系统输入到国家电网,夜间及阴雨天气,系统运行则由国家电网直接供电。

(2)供冷季(光伏发电+国家电网+集热器+热泵制冷+电辅热):由于夏季室内冷负荷较大,空气源热泵始终设定为制冷状态,逻辑同(1)。集热器满足生活热水需求,在大多数情况下,太阳能集热器在经过一天的工作后,水箱顶部温度可达到80 ℃以上,甚至在傍晚,集热泵停止运行时,水箱顶部温度仍维持在40 ℃左右,足以达到夏季用热水温度要求,在极少数阴雨天气或太阳辐射强度不足的情况下,手动开启电辅热辅助加热水箱即可。系统用电供应逻辑同(1)。

(3)过渡季(光伏发电+国家电网+集热器+热泵制热):过渡季不开空调,只需满足生活热水需求即可,故建筑用能将会大大降低。每日生活用水的使用时间集中在早中晚三个阶段,此时集热器照常运行,当水箱顶部温度低于45 ℃时,开启热泵进行快速补热,达到55 ℃时热泵停止运行,源侧泵2关闭。系统用电供应逻辑同(1)。

2.2 系统评价指标

2.2.1 系统效率评价指标

(1)

其中EER为系统能效比;QHP为热泵机组制冷制热量,Qcol和Qelec分别代表集热器的有效集热量和电加热器的加热量,单位均为kW·h;Wcomp、Wfan、Wpump和Welec分别代表各用电部件总的耗电量,单位kW·h。相比于热泵机组性能系数COP,系统能效比EER更能够反映耦合系统整体的节能性能,系统能效比越高,表明该系统越节能高效。

2.2.2 太阳能效率评价指标

集热器的有效集热量与集热器接收到的总太阳辐射量之比定义为集热效率ηcol,同样的,光伏转换的电量与光伏所接收到的全部辐射量之比定义为光伏发电效率ηPV,分别由下式可得

(2)

(3)

式中Qth——集热器所收集到的有效集热量/kW·h;

Acol——平板型集热器面积/m2;

Eelec——光伏发电量/kW·h;

APV——多晶硅光伏面积/m2;

G1——太阳辐射强度/W·m-2。

有关太阳能保证率f的计算公式如下

(4)

式中QHP′——空气源热泵为供热水箱补充的热量;

Qelec——电辅助加热器输入给供热水箱的热量;

Qtank——水箱总的集热量/kW·h。

3 耦合供能系统模型

3.1 TRNSYS模型搭建及组件选型

基于TRNSYS软件,搭建了该别墅建筑用太阳能-空气源热泵耦合供能系统的仿真模型,如图4所示,所选各组件名称及参数如表2所示。

图4 太阳能-空气源热泵耦合供能系统TRNSYS仿真模拟图

集热器面积选取参照规范[19]

(5)

式中各部分物理含义在规范[19]中均有详细介绍,此处便不再赘述。带入本次实验参数,求得集热器面积A=6.98≈7 m2。研究发现单位集热面积匹配水箱容积为70 L时,系统拥有最大的集热效率[20],故本系统参照其选用水箱容积为0.5 m3进行初始设计。太阳能光伏初始设计容量依据系统年耗电量选取,将光伏装机容量定为8 kW,光伏相关设计参数来源于国内厂商提供的标准样本。模拟所用组件如表2所示。

3.2 模型验证

模型验证采用模拟数据与实测数据对比的方式进行,通过两者之间的误差对比,可从侧面佐证仿真模拟软件的可靠性。其中数据采集实验平台的主要设备有:保温水箱一台,容积1 m3;平板型集热器四块,每一块面积为1.78 m2,总面积为7.12 m2;增压泵一台,型号WL24-13.5H,最大流量18 L/min,最大扬程13.5 m,功率100 W;流量计一台,用于测量总管水流量;热电偶温度计八个,分别用于记录每块板进出口温度,方便计算集热器的有效得热量;TBS-4全自动太阳光度计一台,用于测量太阳总辐射及日照时数;数据采集器针对以上数据以1min为间隔采集一次,确保试验数据的准确性。

图5所示为太阳光度计监测典型建筑所处位置全年逐月的太阳辐射总量。依据规范GBT50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[21]选取四个典型日的数据采集,其中太阳能辐射强度分布在3～24 MJ/(m2·d)之间。实测数据与模拟数据对比如图6所示。

图5 逐月太阳辐射总量

如图6所示:实验测试的太阳能集热效率与日辐射总量之间的变化关系与TRNSYS软件模拟的数据变化趋势基本一致。误差范围控制在5.5%～10.6%之间,平均误差为8.8%。据分析,误差主要来源为实验过程中采集数据的精确度和系统的散热造成的热损失引起的,但是整体与模拟软件计算出的数据相比在合理范围之内,证明本研究所建立的太阳能-空气源热泵耦合系统是可靠的。

4 数据分析及优化

4.1 能耗分析

本文所建立别墅建筑用太阳能-空气源热泵耦合系统,集供暖、供冷、生活热水及发电于一体,主要的用电设备有空气源热泵机组、各功能水泵、室内末端设备及电辅热设备。系统各季节按对应策略运行,以月为积分区间统计该系统在各个运行阶段总的耗电量及各组件分别耗电量。

如图7所示,系统在七、八月的设备耗电量最大,总耗电量分别达到了1 639 kW·h和1 518 kW·h,其中空气源热泵的耗电量为1 546 kW·h和1 430 kW·h,分别占比94.3%和94.2%。在供热季,一月的系统耗电量最大,总耗电量达到了1 105 kW·h,热泵消耗980 kW·h,占比88.7%,由此可见,建筑冷热负荷是影响系统耗电量的最大因素,空气源热泵耗电占比最大。过渡季由于没有室内冷热负荷,系统耗电量呈断崖式下降,在整个过渡季系统耗电量仅为277.6 kW·h。系统全年总耗电量为8 272 kW·h,其中电加热器能耗为374.8 kW·h,占总能耗4.53%,说明空气源热泵在优先满足室内冷热负荷前提下,作为辅助热源与太阳能集热器联合能满足绝大多数情况下的家庭生活热水需求,整个系统具有良好的节能性。

图7 耦合系统全年运行能耗

4.2 光伏光热效率

如图8示,集热器有效集热量与太阳辐射量有直接关系。最大集热量为七月份的384.3 kW·h,该月太阳辐射为501.5 MJ/m2,最小集热量为二月份的140.9 kW·h,该月辐射量为236.7 MJ/m2。集热效率具有明显的季节差异性,其中四月份最大为45.88%,最小值在一月份仅为29.47%,过渡季和制冷季主要集中在40%左右。而在制热季仅分布在30%左右,一方面是由于供暖期间存在空气源热泵和电加热器辅助加热,水箱温度达到设定温度导致集热水泵关闭,集热器停止工作,另一方面由于武汉地区冬季太阳辐射强度低,集热器未能发挥最大效能。

图8 集热器集热量及集热效率

图9所示为太阳能光伏发电量与光伏效率,光伏发电量最大值出现在七月,为1 109.8 kW·h,最小值为二月份的490.7 kW·h。全年发电量9 867 kW·h,光伏效率稳定在16%～17%之间。多晶硅太阳能光伏的总转换效率为78.7%[22],光伏系统全年发电量为7 765.4 kW·h。

图9 太阳能光伏发电量及光伏效率

4.3 热泵及系统效率

图10示,太阳能保证率最大值出现在七月份,达到98.6%,最小值出现在一月份,为39.7%,全年均值为75.7%,耦合系统的太阳能热利用率及保证率均较高。

图10 系统各性能系数及太阳能保证率

六月与九月的热泵COP值最高,分别为3.45和3.51。四、五、十月COP值最低,仅为2.4左右,十一月至三月则稳定在2.8左右,总的来说,供冷季性能系数最大,供暖季次之,过渡季最差,主要是

因为在过渡季,没有建筑冷热负荷,热泵在较低水平下运行。耦合系统能效比EER在四、五、十月最大,分别为8.07、8.37、7.36,这是由于在过渡季,太阳辐射较强且温度较高,太阳能集热系统稳定运行,且系统耗电量少。经计算,系统全年能效比3.3,由此得,太阳能耦合空气源热泵耦合系统的效率和性能系数均在正常范围内,该系统整体是稳定可靠且节能的。

4.4 光伏光热面积配比优化

影响本系统节能性与经济性的一个重大因素为集热器与光伏面积配比。光伏系统的投入对耦合系统的初投资及维护保养成本影响巨大,且系统运行模式不同,耗电量及用电规律也不相同。集热器面积则对辅助热源的耗电有很大影响。因此,合理设计光伏光热面积十分重要。

典型建筑屋顶可用面积为60 m2,将以不同配比的集热器与光伏面积作为变量,以投资回收期、太阳能综合利用率(太阳能有效利用量比太阳总辐射量)作为目标函数综合考虑本系统最佳光伏光热面积配比,详细对比数据如表3所示。

表3 不同光伏光热面积配比

由表3知,随着不断增加光伏块数,年发电量也会递增,其中自发自用电量也会呈现小范围的增加,但此时集热器面积随之减少,导致系统年耗电量不断增加。当没有光伏电站时,系统全年耗电量为8 272 kW·h,由省发改委关于湖北电网最新居民用电收费标准:用户年用电量达4 801 kWh及以上,按0.858元/kWh收费,故用户一年需缴纳7 097元电费。在安装光伏发电设备后,家庭用电量部分由光伏发电直接供给,其余由国家电网供给,光伏系统所发多余电量由电网收购,收购价格由最新政策规定为0.416元/kWh,光伏安装市场终端价格约为3.5元/W,集热器面积为500元/m2。

计算可得,当光热光伏面积比为1∶14时,系统具有最短的回收期7年,此时年耗电量最大,达9 163 kW·h,但是光热利用程度不足,导致系统太阳能综合利用率与能效比较低;当两者配比为1∶4时,系统年耗电量最低,系统回收期最长,此时系统夏季集热过剩浪费,不能最大限度利用太阳能发电。综上,针对本文所选建筑,推荐集热器与光伏面积配比为1∶6.5,此时系统太阳能综合利用率最高,达19.80%,且回收期在合理范围内,系统兼顾经济、节能、高效及环保。

5 结论

针对上述基于TRNSYS的太阳能-空气源热泵耦合供能系统在武汉地区某两层别墅建筑全年运行模拟研究,可得出以下几点结论:

(1)在武汉及周边农村地区的独栋住宅建筑,当建筑面积和家庭用能人数与上述典型建筑情况接近时,安装太阳能集热器、光伏与空气源热泵耦合供能系统,集热器与光伏最优面积配比为1∶6.5,此时系统太阳能综合利用率最高,达19.80%。系统年耗电量为8 114 kW·h,投资回收期为7.37年。

(2)耦合系统全年耗电量8 272 kW·h,供冷季能耗最高,供暖季次之,过渡季最低;其中水箱电辅助加热全年耗电占总耗电量的4.53%。光伏自用电量2 854.70 kW·h,上网电量4 910.69 kW·h,购电量5 417.3 kW·h。有效缓解用电高峰期电网的供电压力。

(3)太阳能集热器全年的集热效率稳定在40%左右,年太阳能保证率为75.7%,热泵全年COP值为2.8,系统能效比EER达3.3,光伏发电效率16.4%,系统对太阳能利用率较高,兼顾经济、节能、高效。