楊潤月 孔佳樹 楊藝超 王 靜

（山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250000）

1 電與太陽能集熱輔助空氣源熱泵對于節(jié)能

隨著科技的發(fā)展與社會的進步，能源短缺和環(huán)境污染形式愈發(fā)嚴峻，建筑能耗作為我國能源消耗的重要組成部分，已經(jīng)成為不可小覷的問題。在實際的建筑節(jié)能中，可以從圍護結(jié)構(gòu)，能源來源，能源利用方式等多種方面進行節(jié)能優(yōu)化。本文主要研究不同的能源利用方式，即光伏發(fā)電與太陽能集熱輔助空氣源熱泵對于節(jié)能的優(yōu)化程度。

本文基于山東建筑大學科技樓六樓的現(xiàn)有系統(tǒng)，分別對多聯(lián)機太陽能集熱輔助空氣源熱泵系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電輔助空氣源熱泵進行模擬計算，分析對比這兩種系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1.1 地理環(huán)境

濟南市地處北緯36°36′，東經(jīng)117°03′，海拔170.3m，屬于溫帶大陸性季風氣候，日照時間充足，年平均氣溫13.6°C，1 月氣溫最低，平均氣溫約為-1.9°C，7 月氣溫最高，平均氣溫約為27°C，年平均降雨量614 毫米。濟南市的自然氣候條件具有光照時間長，氣候環(huán)境溫度高，天空狀況良好等特點，濟南市太陽能資源豐富，熱狀況優(yōu)越，太陽能利用具有極大的發(fā)展空間。

濟南地區(qū)太陽能資源豐富，年內(nèi)太陽總輻射強度大于100W/m2的日照時數(shù)占全年近90%，因此，在濟南地區(qū)應(yīng)充分利用太陽能資源優(yōu)勢。

首先，光伏發(fā)電與太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)均基于太陽輻射等參數(shù)，因此通過查取《濟南市太陽能能源評估初探》[1]]，得到濟南市關(guān)于太陽能資源在冬季三個月份內(nèi)（12月，1 月，2 月） 的各參數(shù)信息。

表1 濟南地區(qū)太陽輻射實測值

分析上表數(shù)據(jù)，得到濟南冬季平均日照時長為168.27h，太陽能輻射量平均值為350.67MJ/m2，日照百分率平均值為55.67%。

1.2 項目背景

通過實地測量集熱器尺寸，得到科技樓樓頂?shù)奶柲苡行Ъ療岚迕娣e公式：

計算可得太陽能集熱器有效集熱面積為42.0552m2，由于太陽能集熱器為圓柱形水管緊密排列組成，實際集熱面積還需考慮圓弧處，故實際集熱面積會比計算結(jié)果要大，因此可類比假設(shè)光伏板有效面積為48m2。

圖1 太陽能集熱器尺寸

在本文中，取山東建筑大學5 樓現(xiàn)有設(shè)備2019 年1 月14 日-1 月18 日的實測值作為典型數(shù)據(jù)進行分析。取這五天內(nèi)同時刻太陽輻射量的平均值，利用matlab 編程得到圖2：

圖2 1 月14 日至1 月18 日逐小時太陽輻射量平均值

圖2 即為在所取時間段內(nèi)逐小時太陽輻射量的平均值，通過分析得到，太陽輻射量在冬季一標準天內(nèi)存在波動和峰值，叢7AM 開始逐漸上升，10AM 左右達到接近峰值，然后在峰值附近波動，一直到3PM，太陽輻射量開始逐漸降低直至夜晚。

2 太陽能輔助空氣源熱泵分析

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)位于山東建筑大學六樓，主要包含熱管太陽能水管集熱器，空氣源熱泵室外機組，制冷劑—水換熱器，集熱水箱，集熱水泵，毛細管輻射末端，閥門部件和控制系統(tǒng)。

通過對該系統(tǒng)的實測，可得太陽能集熱系統(tǒng)運行期間[2]，太陽能集熱器內(nèi)水溫在35～75°C 不等，經(jīng)系統(tǒng)循環(huán)使蓄熱水箱內(nèi)水溫維持在32°C 以上，通過末端散熱后，室內(nèi)溫度能夠維持在18～22°C，因此太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)可以達到長時間為科技樓六樓進行穩(wěn)定供暖。故在常規(guī)（即非雨雪，多云） 天氣下，太陽能集熱系統(tǒng)可以對室內(nèi)進行穩(wěn)定供暖，基本滿足要求。

太陽能集熱供暖為即時的，蓄熱能力較小，故供熱時間長短受到日出日落時刻的影響，且十分受天氣條件限制。

科技樓使用時間多為白天，夜晚熱負荷較小，故利用太陽能集熱系統(tǒng)能夠滿足要求。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)分析

由于實際情況的限制，科技樓只存在現(xiàn)有太陽能輔助空氣源熱泵集熱部分，因此我們利用Pvsyst 對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行仿真模擬。

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成。

通過對該系統(tǒng)的模擬計算，可知在運行期間，光伏發(fā)電面板若采用晶硅光伏系統(tǒng)，則冬季發(fā)電量為5917.68MJ/a，即1643.8KWh/a；若采用薄膜光伏系統(tǒng)，則冬季發(fā)電量為2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

因此光伏發(fā)電系統(tǒng)可以達到長時間為科技樓六樓進行較為穩(wěn)定供暖。故在常規(guī)（即非雨雪，多云） 天氣下，光伏發(fā)電系統(tǒng)也可以對室內(nèi)進行穩(wěn)定供暖，基本滿足要求。

利用太陽能這種低品位能源所轉(zhuǎn)化成的電能屬于高品味能源，利用電能來取暖是一種較為消耗能源的方式。

科技樓使用時間多為白天，夜晚熱負荷較小，故利用光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠勉強滿足要求。

4 太陽能輔助空氣源熱泵與光伏發(fā)電系統(tǒng)對比分析

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，科技樓六樓屋頂太陽能放置區(qū)域布置了太陽能水管集熱器，安裝傾角31.6°，有效集熱面積42.0552m2，根據(jù)本文研究內(nèi)容，假設(shè)在該區(qū)域覆蓋同等面積光伏板，考慮集熱器水管存在部分自身遮擋，取光伏發(fā)電面積為48m2。由太陽能輔助空氣源熱泵產(chǎn)生的熱水和光伏發(fā)電板產(chǎn)生的電力均供給六樓多聯(lián)機系統(tǒng)。

4.1 太陽能輔助空氣源熱泵節(jié)能分析

太陽能系統(tǒng)季節(jié)產(chǎn)熱量計算公式：

式中：AZj——太陽能系統(tǒng)有效集熱面積（m2）；

JT——集熱器表面（安裝傾角32°，方位角正南） 上年太陽能輻照總量[MJ/(m2·a)]，根據(jù)查取相關(guān)資料取4079 [MJ/(m2·a)]；

ηcd——集熱器的年平均集熱效率（%），按不同品牌集熱 器實際產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)所得，國家標準區(qū)間為45% ～55%，本文取48%；

ηL——熱水經(jīng)管路和貯水箱的熱損失率（%），經(jīng)驗值約取15% ～30%，本文取20%；

ηd——太陽輻射量冬季系數(shù)（%），根據(jù)冬季（12、1、2 三個月份） 輻射總量與全年輻射總量之比求得，此處取12.3%。

計算可得，冬季太陽能系統(tǒng)產(chǎn)熱量為8152.11MJ/a，即2264.48KWh/a。

4.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能分析

太陽能光伏系統(tǒng)冬季發(fā)電量計算公式；

式中：A——太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板面積；

ηd——太陽能光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換率（%），參考山東省《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標準》，取3 級系統(tǒng)效率，即晶硅光伏系統(tǒng)ηd=10%，薄膜光伏系統(tǒng)ηd=4%；

Ha——光伏板表面（安裝傾角32°，方向角正南） 上單位面積年太陽輻照總量[MJ/(m2·a)]，取4079 [MJ/(m2·a)]。

ηD——光伏板接收太陽輻射量冬季系數(shù)（%），根據(jù)冬季（12、1、2 三個月份） 輻射總量與全年輻射總量之比求得，此處取12.3%。

計算得出，若采用晶硅光伏系統(tǒng)，則冬季發(fā)電量為5917.68MJ/a，即1643.8WKh/a；若采用薄膜光伏系統(tǒng)[4]，則冬季發(fā)電量為2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

將光伏系統(tǒng)年發(fā)電量折算成標煤并與熱能相比較，電的折標煤系數(shù)為0.3kgce/（KWh），熱力的折標煤系數(shù)為0.0341kgce/MJ，即0.1228kgce/（KWh），因此電力的節(jié)能量為熱力的2.44 倍。則：晶硅光伏系統(tǒng)季節(jié)節(jié)能量約為1643.8 ；薄膜光伏系統(tǒng)季節(jié)節(jié)能量約為613.52 。

4.3 對比結(jié)果

通過理論計算與建模計算，分別得到了科技采用太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的年節(jié)能量，具體數(shù)值見下表。

表1 科技樓采用太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的季節(jié)節(jié)能量對比

由上表可知，若在該建筑物屋頂太陽能布置區(qū)域放置相同面積的熱水管集熱器或光伏板（晶硅/薄膜） 時，系統(tǒng)的年節(jié)能量表現(xiàn)出較大的差異。太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)（熱水管） 的年節(jié)能量約為太陽能晶硅光伏系統(tǒng)年節(jié)能量的1.57倍，約為太陽能薄膜光伏系統(tǒng)年節(jié)能量的4.21 倍。對于太陽能光伏系統(tǒng)，晶硅系統(tǒng)的年節(jié)能量約為薄膜系統(tǒng)的2.68 倍。

5 結(jié)語

該建筑物（地處濟南，山東建筑大學科技樓） 屋頂?shù)奶柲茌椪樟控S富，大部分區(qū)域都適合安裝太陽能集熱器或光伏電池組件。太陽能集熱器或光伏電池組件應(yīng)安裝在屋頂可利用屋面區(qū)域，即扣除建筑必要功能區(qū)域以外的區(qū)域。太陽能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量最為顯著，太陽能晶硅光伏系統(tǒng)次之，薄膜光伏系統(tǒng)最低?？紤]到教室、辦公室、實驗室較多且分布集中，同時，綜合考慮系統(tǒng)成本等因素，推薦該建筑優(yōu)先采用太陽能集熱系統(tǒng)[5]。

通過對該建筑屋頂太陽能輻照量模擬分析，及其采用太陽能集熱系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)年節(jié)能量的理論計算，可為其更加充分利用太陽能資源提供依據(jù)，并為濟南市同類建筑太陽能熱水系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的利用及推廣提供了參考。