王麗文 呂 建 霍雨霞 李 營

（1天津大學建筑設計研究院 天津 300073 2天津城建大學 天津 300384）

引言

由于空調(diào)的使用給公用電網(wǎng)帶來了巨大的負擔。然而，太陽輻射量相當豐富，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以成為滿足空調(diào)系統(tǒng)重負荷需求的理想選擇[1]，并可能降低公用電網(wǎng)的峰值負荷功率[2]。

SANYO于1993年開發(fā)了第一臺將PV與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)品[3]，實驗表明，該系統(tǒng)可以提供50%的空調(diào)夏季用電[4]。當光伏發(fā)電效率不高時，空調(diào)可能會切換到電網(wǎng)。

以往研究都是關(guān)于光伏空調(diào)系統(tǒng)僅有基礎(chǔ)的系統(tǒng)性能模擬，對光伏空調(diào)的研究主要集中在住宅建筑的單體和小型系統(tǒng)，對于光伏空調(diào)系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的辦公建筑類型的光伏空調(diào)的適用性和使用性能、缺乏深入的實驗研究。

1 實驗研究

1.1 實驗系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)主要包含了控制器、逆變器、PV板、以及太陽輻照測試儀、鉑熱電阻、等用于測試相關(guān)參數(shù)的測量儀器。實驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

表1 PV模塊性能參數(shù)

實驗中使用TBQ-2C型總輻射表進行太陽輻射強度的測量以及對PV模塊背板溫度、室外環(huán)境溫度以及室內(nèi)溫度進行了測量和采集，PV模塊背板溫度測點布置圖如圖2所示。自動氣象站系統(tǒng)由氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)采集儀和計算機氣象軟件三部分組成。

圖2 背板溫度測點布置圖

表2 光伏環(huán)境檢測測量儀參數(shù)

1.2 系統(tǒng)的工作模式

根據(jù)表3定義的天氣模式分析了三個典型的日子，如晴天，多云、以及陰天或雨天。為了減少環(huán)境溫度變化的影響，選擇三個典型天數(shù)盡可能接近。其操作結(jié)果分析如下型。

表3 天氣模式

1.3 系統(tǒng)性能的評價指標

在空調(diào)需求特定的情況下，空調(diào)的驅(qū)動供應可以來自兩個來源：PV板（直接）和電網(wǎng)。同樣，PV系統(tǒng)產(chǎn)生的能量可以Eload有兩個目的地：光伏空調(diào)和電網(wǎng)。用于評估太陽能空調(diào)系統(tǒng)性能的標準指標稱為太陽能保證率（SF）。在并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)中，SF可以定義為：

在上述公式中，EPV-load在并網(wǎng)系統(tǒng)情況下不等于EPV，因為PV面板提供的能量沒有完全用來運行空調(diào)；而是將其中的一部分發(fā)送給電網(wǎng)。因此，與通過光伏陣列提供所有電力的獨立系統(tǒng)不同，EPV-load被定義為用于驅(qū)動空調(diào)的光伏發(fā)電部分。SF表示將光伏系統(tǒng)集成到空調(diào)系統(tǒng)時的節(jié)能比。

當考慮產(chǎn)生和消耗能量的平衡時，EPV除以Eload也是有意義的。因此，一個新的指標凈太陽能分數(shù)（NSF）可以被定義為：

NSF代表了用于評估可再生能源系統(tǒng)的能量匹配水平的指數(shù)。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 晴天情況下系統(tǒng)性能分析

圖3顯示了2018年8月4日這個典型的晴天的天氣狀況和運行數(shù)據(jù)。如圖3所示，日出時間早上大約6點半。6時30分至8時，空調(diào)未使用光伏發(fā)電，全部上網(wǎng)。8點，空調(diào)開始工作，負載能力迅速上升到最高值，然后下降。這個順序是因為建筑結(jié)構(gòu)有一個很大的熱惰性。因此，從上午8點到10點，負載功率高于發(fā)電功率，并且由電網(wǎng)提供不足的電力。從12：00到13：00，由于員工中午休息，負載功率急劇下降，負載功率受到限制。同時發(fā)電功率在13：00達到峰值，發(fā)電功率大于10時至15時的負荷功率。剩余電量輸送到電網(wǎng)。從15：00到18：30，隨著光照強度的減弱，發(fā)電量在減少，而此時負載功率也在減小并且一直小于發(fā)電量。電網(wǎng)不需要提供額外的電力。從圖中也可以看出，發(fā)電功率的峰值比太陽輻照強度的峰值稍晚。這種現(xiàn)象是由于太陽能電池板溫度的影響。此外，負載功率隨著環(huán)境溫度的下降而下降，直到空調(diào)關(guān)閉的時結(jié)束運轉(zhuǎn)。

圖3 典型天氣狀況—晴天情況下光伏空調(diào)的性能

2.2 多云情況下系統(tǒng)性能分析

光伏空調(diào)系統(tǒng)在高峰期（2018年8月5日）的瞬時性能如圖4所示。由于云層的輻射阻擋作用，所產(chǎn)生的電量在陰天顯著波動并保持在較低的值。因此，從8點到18點30分，負載耗電量總是高于發(fā)電量——除了中午的兩點到三點的一段時間。

圖4 典型天氣狀況—多云情況下光伏空調(diào)的性能

2.3 陰天情況下系統(tǒng)性能分析

在下雨天，如圖5所示，由于在空調(diào)啟動時輻照度較低，發(fā)電量低于負載的耗電量。因此，大部分耗電量電由電網(wǎng)提供。

圖5 典型天氣狀況—陰天情況下光伏空調(diào)的性能

2.4 不同天氣狀況的能量性能比較

表4表明晴天發(fā)電量在三個典型日最大，而下雨日發(fā)電量最低。三個典型日的負荷耗電量值是相似的。在雨天，太陽輻照度和環(huán)境溫度較低，建筑物負荷相應減少。因此，下雨天的負荷耗電量比其他日子略低。對于SF和NSF來說，趨勢是相似的：隨著天氣的改善，數(shù)值會增加，意味著在陽光明媚的日子里，PV空調(diào)機組性能最好，而在雨天則表現(xiàn)最差。SF表示光伏板提供的驅(qū)動空調(diào)的那部分能源消耗與總能耗的比值，NSF表示光伏板所產(chǎn)生的總能量，包括并入電網(wǎng)的能量與總能耗的比值。但是，SF和NSF不成比例。在陽光充沛時，NSF和SF之間的差異大于雨天。這種差異意味著在晴天有更多的電力傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，如果能量存儲被納入系統(tǒng)，SF可以增加。實際上NSF可以看作是儲能裝置建成時SF達到的最大值。

表4 不同天氣模式系統(tǒng)性能比較

3 模擬研究

基于上述的TRNSYS仿真模擬軟件建立系統(tǒng)的仿真模型，模擬了制冷季并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)的性能、供暖季并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)的性能以及過渡季節(jié)并網(wǎng)光伏空調(diào)的性能。

3.1 系統(tǒng)模型建立

系統(tǒng)中包含了光伏模塊、空氣源熱泵、建筑模塊等部件，結(jié)合TRNSYS軟件中各模塊功能及特點調(diào)用對應模塊，并依據(jù)各模塊間關(guān)系搭建系統(tǒng)模型，其中最主要的部分是用于模擬PV組件的Type194模塊。使用Type109-TMY2模塊讀取格式為TM2的氣象數(shù)據(jù)文件，并調(diào)用其中參數(shù)至PV模塊。所搭建系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 TRNSYS軟件中的系統(tǒng)仿真模型示意圖

4 模擬結(jié)果分析與討論

系統(tǒng)性能模擬分析，包括每個月光照強度的在不同方位角、不同傾角下的輻射量的分析，進而得到每個月的輻射量，根據(jù)每月的輻射量，可以確定全年輻射量最大時，全年最佳安裝傾角、不同季節(jié)的最佳安裝傾角。

4.1 方位角和安裝傾角的分析

圖7 一月份全方位角、不同傾角的太陽輻射量

圖8 七月份全方位角、不同傾角的太陽輻射量

以供暖季和供冷季的一月和七月為例，得出不同方位角、不同傾角下太陽輻射量的大小，如圖7和圖8所示。由圖7可知，在一月份，當傾角為0°時即光伏板水平放置的時候，光伏板所接收到的太陽輻射強度都處于黃色區(qū)域（七月份處于紫色區(qū)域），而數(shù)據(jù)也顯示是恒定不變的。當方位角一定時，傾斜面上接收到的平均日輻射量隨傾角的增大表現(xiàn)都是先增加再減小。對于某一固定的傾角，方位角為0°時接收到的平均日輻射量最大，而后其值隨著方位角的增大逐漸減小。進而得到一月份的最佳方位角為面向南，安裝傾角為60°。此時太陽輻射量最大，值為3.324 kWh/m2·d；七月份的最佳方位角為面向南，安裝傾角為10°。此時太陽輻射量最大，值為4.832 kWh/m2·d。

4.2 季節(jié)最佳傾角的分析

光伏與空調(diào)進行結(jié)合，具有季節(jié)性，過渡季節(jié)空調(diào)并不開啟，考慮到這一特點，同時也為了使得光伏與空調(diào)更好的結(jié)合，提高光伏與空調(diào)的匹配指數(shù)，進而考慮季節(jié)最佳傾角。

圖9 不同傾角下光伏板的發(fā)電量

圖9表示了不同季節(jié)在不同傾角下光伏板的發(fā)電量。對于供暖季而言，發(fā)電量先增大后減小，在60°時達到最大值，此時傾角較大；對于制冷季而言，發(fā)電量在10°達到最大值，此時傾角較小，這與全年太陽高度角的變化有較好的對應。夏季太陽高度角較大時，傾角越小接收到日輻射量越多；冬季太陽高度角較小時，傾角越大越有利于太陽輻射的接收。不同季節(jié)在朝向正南方向的時候最佳安裝傾角，供暖季的最佳安裝傾角為60°；由春天向夏天的過渡季節(jié)的最佳安裝傾角為20°；制冷季最佳安裝傾角為10°；由夏季向秋季的過渡季節(jié)的最佳安裝傾角為40°。

4.3 匹配指數(shù)的性能分析

在整個供暖季，按照季節(jié)最佳安裝傾角時，并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)63%都可以完全由光伏發(fā)電帶動空調(diào)運轉(zhuǎn)（按照全年最佳傾角時51%）；在整個制冷季的并網(wǎng)光伏空調(diào)系統(tǒng)75%都可以完全由光伏發(fā)電帶動空調(diào)運轉(zhuǎn)（按照全年最佳傾角時65%），而且制冷季除了不能正常滿足運行，在能滿足正常運行的時候，發(fā)電量遠遠大于空調(diào)的耗電量，此時按照季節(jié)最佳安裝傾角時，制冷季的SF的平均值為1.14，供暖季的SF的平均值為0.9。

圖10、11分別表示了供暖季—季節(jié)最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數(shù)、制冷季—季節(jié)最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數(shù)在一個月中的對比。由圖10可知，在全年最佳安裝傾角時，低于匹配水平的百分比為：37%，采用季節(jié)最佳傾角時，低于匹配水平的百分比為：20%；相對降低了46%；由圖11可知，在全年最佳安裝傾角時，低于匹配水平的百分比為：53%，采用季節(jié)最佳傾角時，低于匹配水平的百分比為：23%；相對降低了57%。

圖10 供暖季—季節(jié)最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數(shù)對比分析

圖11 制冷季—季節(jié)最佳傾角與全年最佳傾角匹配指數(shù)對比分析

4.4 季節(jié)最佳傾角的與全年最佳傾角全年性能分析

圖12 全年最佳傾角和季節(jié)最佳傾角情況下不同季節(jié)發(fā)電量對比

由圖12可知，春天向夏天過渡時，兩種傾角的發(fā)電量差別不大，主要差別在供暖季與制冷季以及秋向冬的過渡季。按照季節(jié)最佳安裝傾角進行光伏板的安裝時，全年的發(fā)電量為：21481.32 KWh/y；按照全年輻射量最大即全年發(fā)電量最大時的安裝傾角進行光伏陣列的安裝時，全年發(fā)電量為：20447.57 KWh/y；按照季節(jié)最佳傾角時的全年發(fā)電量比按照全年最佳安裝傾角時的全年發(fā)電量大1033.75 KWh/y。

結(jié)語

本文圍繞寒冷氣候區(qū)辦公建筑，采用理論研究、模型建立和實驗驗證的方法，對光伏空調(diào)系統(tǒng)季節(jié)傾角進行了研究，得到的結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)光電效率隨輻射強度增大而增大，基于寒冷地區(qū)辦公建筑，分析空調(diào)系統(tǒng)在不同季節(jié)不同天氣狀況下（晴天，陰天，多云等天氣）的負荷需求與太陽能光伏功率輸出之間的匹配關(guān)系，實驗數(shù)據(jù)表明，晴天發(fā)電量可以達到87.27 kWh，匹配指數(shù)可以達到1.032。

（2）通過對系統(tǒng)全年性能進行模擬，得到光伏空調(diào)系統(tǒng)在全年最佳安裝傾角時全年發(fā)電量為77211.25MJ，而按照季節(jié)最佳傾角最佳安裝傾角時全年發(fā)電量為80932.75 MJ，相比于全年最佳安裝傾角的發(fā)電量提高了5%。

（3）通過對不同季節(jié)在朝向正南方向的時候安裝傾角的模擬，得出季節(jié)最佳安裝傾角，即供暖季安裝傾角為60°；由春天向夏天過渡季節(jié)的安裝傾角為20°；制冷季安裝傾角為10°；由夏季向秋季過渡季節(jié)的安裝傾角為40°。在采暖季季節(jié)傾角的匹配指數(shù)可以達到1.65，相比于全年最佳傾角的1.36提高了21.32%；在制冷季的匹配指數(shù)可以達到1.96，相比于全年最佳傾角的1.85提高了5.95%。