劉 芳, 趙國云, 邢永杰

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京102616;2.北京科技創(chuàng)新促進(jìn)中心,北京100142)

1 概述

建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵著力點(diǎn)。近年來,裝配式建筑、熱泵、光伏光熱(PV/T)等技術(shù)的發(fā)展為建筑節(jié)能帶來了新的機(jī)遇[1]。集裝箱房屬于裝配式建筑的一種形式,模塊化強(qiáng),方便運(yùn)輸,主要用于災(zāi)后重建、工地宿舍、辦公建筑、郊外值守等,是綠色建筑背景下的新型建筑形式之一,有很大的利用潛力[2]。

PV/T集熱器是太陽能光熱、光電技術(shù)的綜合利用,以提高太陽能綜合利用率[3-5]。PV/T集熱器一方面可以直接向建筑供熱,另一方面產(chǎn)生的電能可以驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵及循環(huán)泵運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)自給自足的全工況的建筑供熱。因此,PV/T集熱器為集裝箱建筑向近零能耗發(fā)展提供了可能。目前,對(duì)PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)的研究有很多。周偉等人[6]研究了一種PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵熱水系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)方式對(duì)熱水系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,與單純太陽能模式、單純空氣源熱泵模式相比,PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能有所提升,制備熱水時(shí)間縮短,光電轉(zhuǎn)換效率比單純光伏系統(tǒng)提升25.8%。曲明璐等人[7]對(duì)PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)的全年火用損進(jìn)行了模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)全年火用損小于單純光伏系統(tǒng)、單純空氣源熱泵系統(tǒng)。王崗[8]對(duì)PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)性能優(yōu)越,在寒冷地區(qū)有一定推廣價(jià)值。

本文針對(duì)集裝箱建筑供暖、生活熱水需求,以熱負(fù)荷自給自足為目標(biāo),搭建離網(wǎng)式(不具備電網(wǎng)接入條件)PV/T集熱器聯(lián)合空氣源熱泵供熱系統(tǒng)(簡稱聯(lián)合供熱系統(tǒng))。以單個(gè)集裝箱房為例,限定聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間,采用Hooke-Jeeves算法,以最小費(fèi)用年值為目標(biāo),對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化。

2 建筑概況及負(fù)荷分析

2.1 建筑概況

設(shè)置于北京市大興區(qū)的集裝箱房外觀見圖1。集裝箱房采用國際通用的尺寸標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)部可利用面積為14.25 m2,屋面可利用面積為18 m2,外形尺寸(長×寬×高)為6.055 m×2.990 m×2.796 m,內(nèi)部尺寸(長×寬×高)為5.845 m×2.780 m×2.490 m。外門(朝正西)為鋼制保溫門,尺寸(寬×高)為0.840 m×2.035 m,傳熱系數(shù)為3.0 W/(m2·K)。東向、西向外窗尺寸相同,實(shí)際尺寸(寬×高)為1.15 m×1.10 m,窗框?yàn)樗茕摬馁|(zhì),玻璃采用5 mm厚玻璃+9 mm厚中空層+5 mm厚玻璃的中空玻璃,傳熱系數(shù)為2.75 W/(m2·K)。實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法、傳熱系數(shù)見表1。集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可抵抗長距離運(yùn)輸對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為20 a。PV/T集熱器安裝在屋面,根據(jù)屋面有效利用面積,最大可敷設(shè)7塊尺寸(長×寬)為2 094 mm×1 038 mm的PV/T板(即光伏光熱板),有效集熱面積取15.19 m2。PV/T集熱器安裝傾角(與水平面夾角)為30°。單塊光伏板最大發(fā)電功率為450 W。

圖1 集裝箱房外觀

表1 實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 負(fù)荷計(jì)算

該集裝箱房作為臨時(shí)辦公用房,滿足兩人的供暖和生活熱水需求,不考慮非供暖時(shí)間的防凍需求。采用DeST動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件對(duì)供暖期(11月15日至次年3月15日)供暖負(fù)荷進(jìn)行模擬,設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。模擬氣象數(shù)據(jù)來源于Energy Plus數(shù)據(jù)庫北京地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果顯示,尖峰熱負(fù)荷為3.0 kW,全年累積熱負(fù)荷量12 72.81 kW·h。

辦公建筑對(duì)生活熱水溫度要求較低,只用于洗手池等用熱水設(shè)備,根據(jù)GB 50015—2019《建筑給排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,人均用水量為5～10 L/(d·人),本文設(shè)置為8 L/(d·人),集裝箱房設(shè)計(jì)人數(shù)為2人,計(jì)算可得日總用水量為16 L/d,生活熱水設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為46.8 W。生活熱水逐時(shí)用水率見表3。時(shí)間編號(hào)1表示[0:00,1:00),編號(hào)2表示[1:00,2:00),以此類推。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 生活用熱水逐時(shí)用水率

3 聯(lián)合供熱系統(tǒng)與仿真模型

3.1 聯(lián)合供熱系統(tǒng)

聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程見圖2。循環(huán)介質(zhì)流經(jīng)PV/T集熱器吸收太陽能并將熱量儲(chǔ)存在蓄熱水箱中,由蓄熱水箱為用戶供暖、供生活熱水。為保證寒冷地區(qū)供暖期系統(tǒng)正常運(yùn)行,循環(huán)介質(zhì)采用冰點(diǎn)為-35 ℃、體積分?jǐn)?shù)為50%的丙二醇防凍液。PV/T集熱器發(fā)電優(yōu)先滿足供熱系統(tǒng)用電,剩余電量可供集裝箱房用電設(shè)備使用。PV/T集熱器發(fā)電效率易受環(huán)境溫度、太陽輻照度影響,為使聯(lián)合供熱系統(tǒng)與建筑負(fù)荷特性協(xié)同,配備蓄電池和蓄熱水箱,以提高太陽能利用率。

采用PID控制器調(diào)節(jié)PV/T集熱器流量,控制PV/T集熱器出水溫度為45 ℃,當(dāng)太陽輻照度減弱,PV/T集熱器流量小于額定流量5%時(shí),集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行。當(dāng)蓄熱水箱溫度低于40 ℃時(shí),熱泵機(jī)組、熱泵循環(huán)泵啟動(dòng),加熱水箱,直至水箱溫度高于45 ℃,熱泵機(jī)組、熱泵循環(huán)泵停止運(yùn)行。

圖2 聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程

根據(jù)集裝箱房的尖峰熱負(fù)荷及聯(lián)合供熱系統(tǒng)逐時(shí)能量平衡計(jì)算結(jié)果,完成主要裝置選型。7塊光伏板串聯(lián),額定發(fā)電功率為3.0 kW。聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要設(shè)備額定參數(shù)見表4。蓄電池電壓為24 V,額定電量為400 A·h,即額定電能為9.6 kW·h。為方便分析與計(jì)算,本文將蓄電池額定電能稱為蓄電池容量。

表4 聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要設(shè)備額定參數(shù)

3.2 仿真模型

聯(lián)合供熱系統(tǒng)仿真模型見圖3。外部氣象文件調(diào)用Type15-3模塊,PV/T集熱器調(diào)用Type50b模塊,空氣源熱泵調(diào)用Type941模塊,蓄熱水箱調(diào)用Type534模塊,集熱循環(huán)泵調(diào)用Type110模塊,熱泵循環(huán)泵、供暖循環(huán)泵調(diào)用Type114模塊,逆變控制器調(diào)用Type48b模塊,蓄電池調(diào)用Type47a模塊,集熱循環(huán)泵PID控制器調(diào)用Type22模塊,熱泵循環(huán)泵控制器調(diào)用Type2b模塊。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

PV/T集熱器日集熱效率ηh的計(jì)算式為:

(1)

式中ηh——PV/T集熱器日集熱效率

Qu——集熱器日得熱量,J

n——7:00—17:00有太陽輻射時(shí)段(每時(shí)段1 h)數(shù)量

Ei——入射到PV/T集熱器傾斜表面的逐時(shí)太陽輻照度,W/m2

A——PV/T集熱器有效集熱面積,m2

式(1)中,集熱器日得熱量根據(jù)循環(huán)介質(zhì)質(zhì)量流量、進(jìn)出口溫差、計(jì)算時(shí)間(1 d)計(jì)算得到。循環(huán)介質(zhì)比定壓熱容取3 628 J/(kgK)。

光伏板日光電轉(zhuǎn)換效率ηpv的計(jì)算式為:

(2)

式中ηpv——光伏板日光電轉(zhuǎn)換效率

Pi——PV/T板逐時(shí)發(fā)電功率,W

圖3 聯(lián)合供熱系統(tǒng)仿真模型(軟件截圖)

選取熱泵機(jī)組日制熱性能系數(shù)評(píng)價(jià)熱泵機(jī)組制熱性能。采用日太陽能保證率評(píng)價(jià)聯(lián)合供熱系統(tǒng)太陽能利用程度,日太陽能保證率為PV/T集熱器日得熱量與聯(lián)合供熱系統(tǒng)日供熱量的比。

4 性能分析及系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 性能分析

供暖期PV/T集熱器日集熱效率隨時(shí)間的變化見圖4。由圖4可知,PV/T集熱器最大日集熱效率為31.78%,供暖期平均日集熱效率為20.6%。供暖期PV/T板日光電轉(zhuǎn)換效率隨時(shí)間的變化見圖5。由圖5可知,PV/T板最大日光電轉(zhuǎn)換效率為16.52%,供暖期平均日光電轉(zhuǎn)換效率為12.76%。供暖期熱泵機(jī)組日制熱性能系數(shù)分布見圖6。由圖6可知,熱泵機(jī)組日制熱性能系數(shù)均分布在2.4以上,供暖期平均日制熱性能系數(shù)為2.94。

圖4 供暖期PV/T集熱器日集熱效率隨時(shí)間的變化

圖5 供暖期PV/T板日光電轉(zhuǎn)換效率隨時(shí)間的變化

圖6 供暖期熱泵機(jī)組日制熱性能系數(shù)分布

PV/T集熱器日供熱量、熱泵機(jī)組日供熱量隨時(shí)間的變化見圖7。由圖7可知,在供暖期,PV/T集熱器發(fā)揮了主要作用。由模擬結(jié)果可知,供暖期平均日太陽能保證率為81.89%。

圖7 PV/T集熱器、熱泵機(jī)組日供熱量隨時(shí)間的變化

供暖期聯(lián)合供熱系統(tǒng)日發(fā)電量、日耗電量隨時(shí)間的變化見圖8。由圖8可知,除嚴(yán)寒期部分時(shí)間外,供暖期聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量可滿足自身用電需求,富裕電量可儲(chǔ)存在蓄電池中。經(jīng)計(jì)算,考慮蓄電池作用后,聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間為31.36 h。

圖8 供暖期聯(lián)合供熱系統(tǒng)日發(fā)電量、日耗電量 隨時(shí)間的變化

4.2 系統(tǒng)優(yōu)化

以最小費(fèi)用年值為目標(biāo)函數(shù),采用TRNSYS軟件中的TRNOPT插件調(diào)用Genopt優(yōu)化程序,對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化變量包括PV/T集熱器安裝傾角、PV/T集熱器有效集熱面積、蓄熱水箱容積、蓄電池容量、熱泵機(jī)組額定制熱量,優(yōu)化變量的取值范圍及迭代步長見表5。以最小費(fèi)用年值為目標(biāo)函數(shù)對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,允許聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間為48 h。聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要設(shè)備單位購置費(fèi)見表6。循環(huán)泵購置費(fèi)、管道材料購置費(fèi)以及設(shè)備安裝費(fèi)按主要設(shè)備總購置費(fèi)的10%計(jì)算,并與主要設(shè)備總購置費(fèi)構(gòu)成系統(tǒng)造價(jià)。年維護(hù)費(fèi)按系統(tǒng)造價(jià)的1%計(jì)算。

表5 優(yōu)化變量的取值范圍及迭代步長

表6 聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要設(shè)備單位購置費(fèi)

費(fèi)用年值Z的計(jì)算式為:

(3)

式中Z——費(fèi)用年值,元/a

i——利率,取0.05

m——聯(lián)合供熱系統(tǒng)壽命,a,取15 a

F——系統(tǒng)造價(jià),元

C——年維護(hù)費(fèi)與年懲罰費(fèi),元/a

當(dāng)聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間超過48 h時(shí),年懲罰費(fèi)為104元/a。

由仿真結(jié)果可知,優(yōu)化后聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間37.9 h,滿足限定條件,未產(chǎn)生懲罰費(fèi)。優(yōu)化變量的優(yōu)化結(jié)果見表7。優(yōu)化前后系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表8。由表7可知,優(yōu)化前后PV/T集熱器安裝傾角、熱泵機(jī)組額定制熱量未發(fā)生變化,PV/T集熱器有效集熱面積、蓄熱水箱容積、蓄電池容量有不同程度降低。由表8可知,優(yōu)化后各項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo)合理。與優(yōu)化前相比,費(fèi)用年值減少12.2%。

表7 優(yōu)化變量的優(yōu)化結(jié)果

表8 優(yōu)化前后系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)論

① 優(yōu)化后聯(lián)合供熱系統(tǒng)發(fā)電量不滿足耗電量的時(shí)間37.9 h,可基本實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷自給自足。

② 優(yōu)化后,主要設(shè)備容量保持不變或有不同程度降低,各項(xiàng)系統(tǒng)性能指標(biāo)合理。與優(yōu)化前相比,費(fèi)用年值減少12.2%。