光伏-光热-风冷热泵式供能植物工厂空调系统设计

薛金金 张龙 吴梁玉 张程宾 刘向东

DOI：10.20145/j.32.1894.20240202

基金项目：国家自然科学基金项目（52376077）。

作者简介：薛金金（1996—），女，硕士研究生；研究方向：建筑节能。jjxue2004@dingtalk.com

*通信作者：刘向东（1984—），男，教授，博士；研究方向：传热传质学。liuxd@yzu.edu.cn

刘向东，1984年6月生，博士研究生，扬州大学电气与能源动力工程学院教授，博士生导师。主持了国家自然科学基金、国防专项、江苏省优秀青年基金等多项课题，在国内外权威刊物上发表了SCI论文80多篇，出版教材/著作3部，获授权发明专利10余件。入选江苏省高校青蓝工程学术带头人、江苏省

“六大人才高峰”高层次人才、江苏省科协青年科技人才托举工程，兼任中国工程热物理学会传热传质分会青年委员会委员、中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事等职。

摘要：针对目前植物工厂供能方式单一、盈利性与可持续性差等问题，文章设计了太阳能光伏-光热-风冷热泵联合供能的植物工厂空调系统。该系统采用风冷热泵为植物工厂提供冷量，太阳能集热为植物工厂提供热量以及太阳能光伏供部分植物工厂的用电。通过确定植物工厂的冷热负荷，选型制热量和制冷量分别为8.5 kW和7.2 kW的风冷热泵，通过计算集热器的集热面积确定光伏光热一体化组件的数量，确定了光伏光热一体化组件的发电量及光伏能够提供的植物工厂电耗百分比，最后分析了配置光伏光热一体化组件的植物工厂投资经济性与碳减排潜力。

关键词：植物工厂；空调；节能降耗；光伏光热一体化

中图分类号： TK51；TU111  文献标志码：  A

0  引言

植物工厂通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产，是一种污染小、空间利用率高、产出品质高和易推广的农业技术［1］。在“双碳”目标、乡村振兴和共同富裕等多重政策的驱动下，创新现代设施农业供能方案，解决目前植物工厂存在的供能方式单一、传统能源依赖性高、盈利性与可持续性差的问题，实现绿色生态农业和清洁能源互补互促成了现代农业发展的一个重要途径。我国拥有丰富的太阳能资源，太阳能光伏供电已经在建筑物空调［2］、照明［3］、电动汽车［4］等领域获得了广泛的应用，对建筑物碳排放的降低［5］、运行能耗的降低以及用电高峰期电网压力的降低［6］都具有积极作用。光伏光热一体化技术［7-8］的应用能够进一步提升太阳能的综合利用效率。光伏光热一体化技术通过在光伏组件背面铺设流体通道，由流体内冷却工质带走部分热量并加以利用，能够有效降低光伏组件温度，继而提高光电转换效率。

目前，许多研究者在建筑的光伏光热一体化技术方面开展了深入的研究。文献［9］研究了在严寒和寒冷地区利用光伏光热一体化技术为住宅供热的技术方案，结果表明光伏光热一体化技术极大地促进了建筑的节能减排。文献［10］对光伏光热组件倾角、方位角等多个关键参数进行了优化设计，结果显示，优化后的光伏光热组件光电转换率由27.03%增至28.32%，CO2减排量提高23.88%，发电量提高了8.35%。文献［11］以5个不同气候的典型城市的气象数据为基础，对比分析了光伏光热一体化（PV/T）系统和光伏（PV）系统的节能特性，结果表明，PV/T系统的综合效率更高，能量偿还时间更短，碳减排量更高，相比于传统的PV系统具有更好的应用前景。文献［12］对不同太阳辐照度、环境温度条件下，PV/T系统的热效率、电效率进行对比分析表明：PV/T系统与常规组件相比，有效降低了光伏组件背板温度，提高了光伏组件的发电效率，平均效率提升约5%。同时，PV/T系统的光电光热综合效率达60%。

然而，目前太阳能光伏/光热的应用研究主要集中于住宅、办公楼等常规建筑物，在封闭/半封闭小型功能性建筑中的研究罕见报道。尤其是植物工厂的冷、热负荷特性与常规建筑有较大差异，对其光伏/光热的供能设计需要进一步的定量研究。因此，本文提出将太阳能光伏光热技术与风冷热泵结合，通过光伏为植物工厂提供电能，通过光热在需要供暖的季节为植物工厂提供热能，实现可持续节能减排效果。

新能源科技

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1  工程基本资料

1.1  工程概况

采用太阳能光伏-光热-风冷热泵式空调系统的植物工厂位于江苏省扬州市，占地面积29.72 m2，长12.192 m，宽2.438 m，高2.896 m，包含操作区、种植区和动力设备区3部分。其中，操作区包括环境控制面板、操作臺；种植区包括种植架、种植篮、生菜、植物生长LED灯等；动力设备区包括EC、pH控制器、营养液储存等，如图1所示。围护结构采用50 mm厚聚氨酯夹芯金属壁板，金属壁板的内外层钢板厚度为0.5 mm。

1.2  气象资料

植物工厂所在地的室外气象参数［13］如表1所示。植物工厂由于用途的特殊性，冬、夏季的室内设计参数相同，本文所研究的植物工厂用途为生菜种植，其设置温度为18 ℃，设计湿度为70%。

2  植物工厂负荷计算

2.1  植物工厂空调冷负荷

本文采用负荷系数法计算夏季空调冷负荷，通过冷负荷温度与冷负荷系数直接从各种干扰量值求得各分项逐时冷负荷，各项逐时冷负荷之和的最大值即为植物工厂的冷负荷［13-15］。

（1）围护结构传热引起的冷负荷Q1为：

Q1=K·F［（t1+td）-tn］

式中：K为围护结构传热系数，W/（m2·K），取0.57；

F为围护结构表面积，m2；

t1为围护结构冷负荷温度的逐时值，℃；

td为逐时冷负荷温度的地点修正值，扬州地区为0 ℃；

tn为植物工厂内设计温度，取18 ℃。

（2）人体散热形成的冷负荷Q2。取植物工厂栽培区2人，进入房间时刻13：00，进入后小时数为1。

（3）照明散热形成的冷负荷Q3。供植物生长的LED灯具每平方米功率80 W，其中60%以热量或辐射形式散失到室内。

（4）新风冷负荷Q4。新风量应取下列2项的最大值：

补偿室内排风量和保持室内正压值所需新风量之和；

保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40 m3。

植物工厂空调冷负荷QC=Q1+Q2+Q3+Q4，汇总如表2所示。

计算得植物工厂总冷负荷QC为6306 W，冷负荷指标为212 W/m2。

2.2  植物工廠空调热负荷

植物工厂空调热负荷［13-14］包括围护结构耗热量Qf以及照明散热量Qg。

（1）围护结构基本耗热量：

Qj=αFK（tn-tw）

（2）附加耗热量：

Qf=Qj（1+βch+βf+βlang）·（1+βfg）·（1+βjan）

（3）照明散热量Qg：植物灯具每平方米功率80 W，其中60%以热量或辐射形式散失到室内。

植物工厂空调总热负荷Qr=Qf-Qg，则植物工厂总热负荷Qr为270 W。

3  设备选型

3.1  风冷热泵机组选型

根据植物工厂的冷热负荷选风冷热泵机组，并考虑一定的富裕量，取富裕系数1.1，则热泵机组制冷量为6.94 kW，制热量为0.297 kW。选择厂家为德州科纳环境科技的1台风冷热泵，型号为CKLR-10H，制冷量7.2 kW、输入功率为2.5 kW，制热量8.5 kW、输入功率2.1 kW。

3.2  循环水泵选型

设备阻力包含沿程阻力加局部阻力、风冷热泵阻力以及空调末端阻力。计算总和H为7 m。

循环水泵水流量［16］：

G=1.1×QC1.161·（t1-t2）

式中：G为循环水泵流量，m3/h；

QC为热泵机组制冷量，kW；

t1为热泵使用侧出水温度，℃；

t2为热泵使用侧回水温度，℃。

使用侧循环水泵流量G为1.19 m3/h。选择型号为40-160，扬程8 m，流量3.2 m3/h的水泵2台，1用1备，功率为0.75 kW。

4  光伏光热一体化设计

4.1  太阳辐射量和安装倾角确定

扬州地区水平面年平均太阳辐射量约1328.09 kW·h/m2，峰值日照小时数3.69 h/d。

从一年四季尽可能均衡发电考虑，则PV/T组件安装角度取37°为宜，这种情况下，PV/T组件方阵的冬季投影面积相差不大，如果太阳辐照量一年四季是均匀分布的，就可以达到均衡发电的目的，但是扬州地区冬季太阳辐射量较弱，且阴雨天较多，而夏季太阳辐射量较强，即使冬夏季实际发电面积相同，发电量仍相差很大。从全年多发电角度考虑，PV/T组件安装角度取22°为宜［18］。此时，冬季PV/T组件方阵的投影面积较小，夏季投影面积较大。这种牺牲冬季发电面积、提升夏季发电面积的设计，有利于在太阳辐射量最大的夏季获得较大的发电量，从而使全年发电量增加。

4.2  光热

当前市场采用的太阳能集热器主要有平板集热器和真空管集热器。平板集热器集热温度一般为30 ℃～70 ℃，可以承压运行，安全性能较好，能以多种方式和建筑结合；真空管集热器防冻性好，但是抗压能力差。本文采用的PV/T集热组件是基于平板集热器改进的一种新型集热器。组件尺寸为1640 mm×992 mm×35 mm，额定发电效率20%，额定功率310 W，额定电流9.36 A，额定电压33.1 V，光电转换效率23 %。由于采用短期蓄热直接式换热系统，根据《太阳能供热采暖工程技术标准》（GB 50495—2019）［17］，直接系统集热器面积按下式计算：

AC=86400QFHfJTηZ（1-ηL）

式中：QFH为供暖计算负荷，取270 W；

f为太阳能保证率，取30%；

JT为集热器采光面上12月平均日太阳辐照量，扬州取12.047 MJ/（m2·d）；

ηL为管路及储热装置热损失率，取10%；

ηZ为基于总面积的集热器平均集热效率。

根据本研究所采用的PV/T组件的热性能，设计用集热器基于总面积的瞬时效率曲线方程为：

ηZ=0.34－6.04Ti-0.022G（Ti）2

式中：Ti为进口归一化温差，Ti=ti-taG；

G为集热器采光面上总日辐射照度，取670 W/m2；

ti为工质进口温度，取30 ℃；

tɑ为供暖期平均环境温度，取3.4 ℃。

根据以上公式计算，可得进口归一化温差Ti = 0.04，集热器集热效率ηZ = 7%，直接系统集热器面积AC=9.2 m2。本设计用PV/T组件单块面积为1.63 m2，则需要PV/T组件6块，总面积9.78 m2，满足热负荷需求。

4.3  光伏

光伏月发电量［18］为：

P=H·A·ζ·K

式中：H为当地水平面月总辐射能，kW·h/m2；

A为光伏方阵面积，m2；

ζ为光伏组件转换效率；

K为修正系数。

其中：

K=K1·K2·K3·K4·K5·K6·K7·K8

式中：K1为光伏组件类型修正系数，取1；

K2为灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正系数，取0.95；

K3为光伏组件长期运行性能衰降修正系数，取0.9；

K4为光伏方阵朝向与倾斜角修正系数；

K5为光照利用率系数，取0.99；

K6为光伏发电系统可用率系数，取0.99；

K7为线路损耗修正系数，取0.99；

K8为逆变器效率修正系数，取0.98。

光伏方阵朝向与倾斜角的修正系数如表3所示。

采用6块尺寸为1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T组件放置于植物工厂的屋顶时，夏季（6、7、8月）发电量为758.03 kW·h，冬季（12、1、2月）发电量为403.76 kW·h。植物工厂的主要组件耗电量如表4所示［19］，可以看到，夏季的光伏发电量能够满足植物工厂8%的电耗，冬季光伏发电量能满足植物工厂7%的电耗。

5  节能减排效果分析

5.1  经济性分析

PV/T组件的价格按1880元/块计，当植物工厂在其屋顶配置了6块PV/T组件后，年总发电量为2447.60 kW·h。由于PV/T组件提供的热水能够完全满足植物工厂冬季供暖需求，因此可节省3780 kW·h耗电量（按照风冷热泵以功率2.1 kW冬季运行90天、每天运行20 h计算）所产生的冬季供暖费用。而夏季，PV/T组件能够提供植物工厂8%的电耗。因此，每年将节约6227.6 kW·h，按照0.6 元/kW·h计算，即节约3736.56元的电费，能够在3.02年内收回投资。

5.2  CO2减排量

中国CO2排放指数EI［20-21］为0.814 kg/kW·h，生产6片尺寸为1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T组件消耗的电能Q是1.86 kW·h，光伏光热减排潜力按照下式计算：

PM=（P+R-Q）×EI×N

式中：PM为光伏光热减排潜力，kg；

P为PV/T组件的年总发电量，kW·h；

R为冬季供暖节约电量，kW·h；

Q为生产PV/T组件消耗的电能，kW·h；

EI为中国CO2排放指数，kg/kW·h；

N为寿命周期，年。

使用6片尺寸为1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T组件，在其寿命周期（22年）内，可以减少CO2排放量111.49 t。

6  结语

针对植物工厂供能形式单一、能耗高的问题，本文对太阳能光伏-光热-风冷热泵供能的植物工厂开展了研究，提出了光伏-光热联合的供电、供热方式，并计算了这一供能方式的经濟性与减排效果，为植物工厂的供电及取暖提供新途径，结果表明：

（1）根据气象数据和植物工厂参数进行计算可知，植物工厂总冷负荷QC为6306 W，冷负荷指标为212 W/m2，总热负荷Qr为270 W。

（2）为满足植物工厂的需求，所选用的风冷热泵制冷量7.2 kW、输入功率为2.5 kW，制热量8.5 kW、输入功率2.1 kW，所选用的PV/T组件数量为6块，总面积9.78 m2。

（3）采用6块PV/T组件的植物工厂可节省3780 kW·h的冬季供暖费用，并在夏季提供植物工厂8%的电耗，每年将节约3756.56元的电费，可在3.02年回收投资，在PV/T寿命周期内能够减少CO2排放量111.49 t。

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（编辑  王雪芬）

Design of an integrated energy supply system based on photovoltaic-thermal-

air-cooled-heat-pump for air conditioning of plant factory

Xue  Jinjin1，  Zhang  Long2，  Wu  Liangyu1，  Zhang  Chengbin3，  Liu  Xiangdong1*

（1.College of Electrical， Energy and Power Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， China;

2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China;

3.School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：  This work addresses the limitations of typical plant factories， such as their reliance on single energy sources， low profitability， and limited sustainability. An air conditioning system based on combined solar photovoltaic-thermal-air-cooled-heat-pump for plant factory is proposed. Air-cooled heat pump and solar photothermal is utilized for cooling and heating of the plant factory， respectively. And solar photovoltaic covers the factorys electricity consumption partially. Based on the cooling and heating load of the plant factory， an air-cooled heat pump with 8.5 kW heating capacity and 7.2 kW cooling capacity is selected. The required number of photovoltaic-thermal （PV/T） modules is determined by calculating the collection area of the PV/T collector. The output power of PV/T modules and the percentage of plant factory power consumption that the PV/T modules can cover were calculated. Additionally， the economic viability and carbon reduction potential of the plant factory system equipped with PV/T modules is analyzed in this work.

Key words： plant factory; air conditioning; energy-saving and cost-reducing; PV/T