薛金金 張龍 吳梁玉 張程賓 劉向東

DOI：10.20145/j.32.1894.20240202

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52376077）。

作者簡介：薛金金（1996—），女，碩士研究生；研究方向：建筑節(jié)能。jjxue2004@dingtalk.com

*通信作者：劉向東（1984—），男，教授，博士；研究方向：傳熱傳質(zhì)學(xué)。liuxd@yzu.edu.cn

劉向東，1984年6月生，博士研究生，揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主持了國家自然科學(xué)基金、國防專項(xiàng)、江蘇省優(yōu)秀青年基金等多項(xiàng)課題，在國內(nèi)外權(quán)威刊物上發(fā)表了SCI論文80多篇，出版教材/著作3部，獲授權(quán)發(fā)明專利10余件。入選江蘇省高校青藍(lán)工程學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省

“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程，兼任中國工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)分會(huì)青年委員會(huì)委員、中國高等教育學(xué)會(huì)工程熱物理專業(yè)委員會(huì)理事等職。

摘要：針對目前植物工廠供能方式單一、盈利性與可持續(xù)性差等問題，文章設(shè)計(jì)了太陽能光伏-光熱-風(fēng)冷熱泵聯(lián)合供能的植物工廠空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用風(fēng)冷熱泵為植物工廠提供冷量，太陽能集熱為植物工廠提供熱量以及太陽能光伏供部分植物工廠的用電。通過確定植物工廠的冷熱負(fù)荷，選型制熱量和制冷量分別為8.5 kW和7.2 kW的風(fēng)冷熱泵，通過計(jì)算集熱器的集熱面積確定光伏光熱一體化組件的數(shù)量，確定了光伏光熱一體化組件的發(fā)電量及光伏能夠提供的植物工廠電耗百分比，最后分析了配置光伏光熱一體化組件的植物工廠投資經(jīng)濟(jì)性與碳減排潛力。

關(guān)鍵詞：植物工廠；空調(diào)；節(jié)能降耗；光伏光熱一體化

中圖分類號： TK51；TU111? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

0? 引言

植物工廠通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)，是一種污染小、空間利用率高、產(chǎn)出品質(zhì)高和易推廣的農(nóng)業(yè)技術(shù)［1］。在“雙碳”目標(biāo)、鄉(xiāng)村振興和共同富裕等多重政策的驅(qū)動(dòng)下，創(chuàng)新現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)供能方案，解決目前植物工廠存在的供能方式單一、傳統(tǒng)能源依賴性高、盈利性與可持續(xù)性差的問題，實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)和清潔能源互補(bǔ)互促成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。我國擁有豐富的太陽能資源，太陽能光伏供電已經(jīng)在建筑物空調(diào)［2］、照明［3］、電動(dòng)汽車［4］等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，對建筑物碳排放的降低［5］、運(yùn)行能耗的降低以及用電高峰期電網(wǎng)壓力的降低［6］都具有積極作用。光伏光熱一體化技術(shù)［7-8］的應(yīng)用能夠進(jìn)一步提升太陽能的綜合利用效率。光伏光熱一體化技術(shù)通過在光伏組件背面鋪設(shè)流體通道，由流體內(nèi)冷卻工質(zhì)帶走部分熱量并加以利用，能夠有效降低光伏組件溫度，繼而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，許多研究者在建筑的光伏光熱一體化技術(shù)方面開展了深入的研究。文獻(xiàn)［9］研究了在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)利用光伏光熱一體化技術(shù)為住宅供熱的技術(shù)方案，結(jié)果表明光伏光熱一體化技術(shù)極大地促進(jìn)了建筑的節(jié)能減排。文獻(xiàn)［10］對光伏光熱組件傾角、方位角等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的光伏光熱組件光電轉(zhuǎn)換率由27.03%增至28.32%，CO2減排量提高23.88%，發(fā)電量提高了8.35%。文獻(xiàn)［11］以5個(gè)不同氣候的典型城市的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比分析了光伏光熱一體化（PV/T）系統(tǒng)和光伏（PV）系統(tǒng)的節(jié)能特性，結(jié)果表明，PV/T系統(tǒng)的綜合效率更高，能量償還時(shí)間更短，碳減排量更高，相比于傳統(tǒng)的PV系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)［12］對不同太陽輻照度、環(huán)境溫度條件下，PV/T系統(tǒng)的熱效率、電效率進(jìn)行對比分析表明：PV/T系統(tǒng)與常規(guī)組件相比，有效降低了光伏組件背板溫度，提高了光伏組件的發(fā)電效率，平均效率提升約5%。同時(shí)，PV/T系統(tǒng)的光電光熱綜合效率達(dá)60%。

然而，目前太陽能光伏/光熱的應(yīng)用研究主要集中于住宅、辦公樓等常規(guī)建筑物，在封閉/半封閉小型功能性建筑中的研究罕見報(bào)道。尤其是植物工廠的冷、熱負(fù)荷特性與常規(guī)建筑有較大差異，對其光伏/光熱的供能設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步的定量研究。因此，本文提出將太陽能光伏光熱技術(shù)與風(fēng)冷熱泵結(jié)合，通過光伏為植物工廠提供電能，通過光熱在需要供暖的季節(jié)為植物工廠提供熱能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)節(jié)能減排效果。

新能源科技

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1? 工程基本資料

1.1? 工程概況

采用太陽能光伏-光熱-風(fēng)冷熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的植物工廠位于江蘇省揚(yáng)州市，占地面積29.72 m2，長12.192 m，寬2.438 m，高2.896 m，包含操作區(qū)、種植區(qū)和動(dòng)力設(shè)備區(qū)3部分。其中，操作區(qū)包括環(huán)境控制面板、操作臺；種植區(qū)包括種植架、種植籃、生菜、植物生長LED燈等；動(dòng)力設(shè)備區(qū)包括EC、pH控制器、營養(yǎng)液儲(chǔ)存等，如圖1所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用50 mm厚聚氨酯夾芯金屬壁板，金屬壁板的內(nèi)外層鋼板厚度為0.5 mm。

1.2? 氣象資料

植物工廠所在地的室外氣象參數(shù)［13］如表1所示。植物工廠由于用途的特殊性，冬、夏季的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)相同，本文所研究的植物工廠用途為生菜種植，其設(shè)置溫度為18 ℃，設(shè)計(jì)濕度為70%。

2? 植物工廠負(fù)荷計(jì)算

2.1? 植物工廠空調(diào)冷負(fù)荷

本文采用負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算夏季空調(diào)冷負(fù)荷，通過冷負(fù)荷溫度與冷負(fù)荷系數(shù)直接從各種干擾量值求得各分項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷，各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷之和的最大值即為植物工廠的冷負(fù)荷［13-15］。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的冷負(fù)荷Q1為：

Q1=K·F［（t1+td）-tn］

式中：K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K），取0.57；

F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積，m2；

t1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷溫度的逐時(shí)值，℃；

td為逐時(shí)冷負(fù)荷溫度的地點(diǎn)修正值，揚(yáng)州地區(qū)為0 ℃；

tn為植物工廠內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，取18 ℃。

（2）人體散熱形成的冷負(fù)荷Q2。取植物工廠栽培區(qū)2人，進(jìn)入房間時(shí)刻13：00，進(jìn)入后小時(shí)數(shù)為1。

（3）照明散熱形成的冷負(fù)荷Q3。供植物生長的LED燈具每平方米功率80 W，其中60%以熱量或輻射形式散失到室內(nèi)。

（4）新風(fēng)冷負(fù)荷Q4。新風(fēng)量應(yīng)取下列2項(xiàng)的最大值：

補(bǔ)償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓值所需新風(fēng)量之和；

保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時(shí)的新鮮空氣量不小于40 m3。

植物工廠空調(diào)冷負(fù)荷QC=Q1+Q2+Q3+Q4，匯總?cè)绫?所示。

計(jì)算得植物工廠總冷負(fù)荷QC為6306 W，冷負(fù)荷指標(biāo)為212 W/m2。

2.2? 植物工廠空調(diào)熱負(fù)荷

植物工廠空調(diào)熱負(fù)荷［13-14］包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量Qf以及照明散熱量Qg。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量：

Qj=αFK（tn-tw）

（2）附加耗熱量：

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

（3）照明散熱量Qg：植物燈具每平方米功率80 W，其中60%以熱量或輻射形式散失到室內(nèi)。

植物工廠空調(diào)總熱負(fù)荷Qr=Qf-Qg，則植物工廠總熱負(fù)荷Qr為270 W。

3? 設(shè)備選型

3.1? 風(fēng)冷熱泵機(jī)組選型

根據(jù)植物工廠的冷熱負(fù)荷選風(fēng)冷熱泵機(jī)組，并考慮一定的富裕量，取富裕系數(shù)1.1，則熱泵機(jī)組制冷量為6.94 kW，制熱量為0.297 kW。選擇廠家為德州科納環(huán)境科技的1臺風(fēng)冷熱泵，型號為CKLR-10H，制冷量7.2 kW、輸入功率為2.5 kW，制熱量8.5 kW、輸入功率2.1 kW。

3.2? 循環(huán)水泵選型

設(shè)備阻力包含沿程阻力加局部阻力、風(fēng)冷熱泵阻力以及空調(diào)末端阻力。計(jì)算總和H為7 m。

循環(huán)水泵水流量［16］：

G=1.1×QC1.161·（t1-t2）

式中：G為循環(huán)水泵流量，m3/h；

QC為熱泵機(jī)組制冷量，kW；

t1為熱泵使用側(cè)出水溫度，℃；

t2為熱泵使用側(cè)回水溫度，℃。

使用側(cè)循環(huán)水泵流量G為1.19 m3/h。選擇型號為40-160，揚(yáng)程8 m，流量3.2 m3/h的水泵2臺，1用1備，功率為0.75 kW。

4? 光伏光熱一體化設(shè)計(jì)

4.1? 太陽輻射量和安裝傾角確定

揚(yáng)州地區(qū)水平面年平均太陽輻射量約1328.09 kW·h/m2，峰值日照小時(shí)數(shù)3.69 h/d。

從一年四季盡可能均衡發(fā)電考慮，則PV/T組件安裝角度取37°為宜，這種情況下，PV/T組件方陣的冬季投影面積相差不大，如果太陽輻照量一年四季是均勻分布的，就可以達(dá)到均衡發(fā)電的目的，但是揚(yáng)州地區(qū)冬季太陽輻射量較弱，且陰雨天較多，而夏季太陽輻射量較強(qiáng)，即使冬夏季實(shí)際發(fā)電面積相同，發(fā)電量仍相差很大。從全年多發(fā)電角度考慮，PV/T組件安裝角度取22°為宜［18］。此時(shí)，冬季PV/T組件方陣的投影面積較小，夏季投影面積較大。這種犧牲冬季發(fā)電面積、提升夏季發(fā)電面積的設(shè)計(jì)，有利于在太陽輻射量最大的夏季獲得較大的發(fā)電量，從而使全年發(fā)電量增加。

4.2? 光熱

當(dāng)前市場采用的太陽能集熱器主要有平板集熱器和真空管集熱器。平板集熱器集熱溫度一般為30 ℃～70 ℃，可以承壓運(yùn)行，安全性能較好，能以多種方式和建筑結(jié)合；真空管集熱器防凍性好，但是抗壓能力差。本文采用的PV/T集熱組件是基于平板集熱器改進(jìn)的一種新型集熱器。組件尺寸為1640 mm×992 mm×35 mm，額定發(fā)電效率20%，額定功率310 W，額定電流9.36 A，額定電壓33.1 V，光電轉(zhuǎn)換效率23 %。由于采用短期蓄熱直接式換熱系統(tǒng)，根據(jù)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50495—2019）［17］，直接系統(tǒng)集熱器面積按下式計(jì)算：

AC=86400QFHfJTηZ（1-ηL）

式中：QFH為供暖計(jì)算負(fù)荷，取270 W；

f為太陽能保證率，取30%；

JT為集熱器采光面上12月平均日太陽輻照量，揚(yáng)州取12.047 MJ/（m2·d）；

ηL為管路及儲(chǔ)熱裝置熱損失率，取10%；

ηZ為基于總面積的集熱器平均集熱效率。

根據(jù)本研究所采用的PV/T組件的熱性能，設(shè)計(jì)用集熱器基于總面積的瞬時(shí)效率曲線方程為：

ηZ=0.34－6.04Ti-0.022G（Ti）2

式中：Ti為進(jìn)口歸一化溫差，Ti=ti-taG；

G為集熱器采光面上總?cè)蛰椛湔斩龋?70 W/m2；

ti為工質(zhì)進(jìn)口溫度，取30 ℃；

tɑ為供暖期平均環(huán)境溫度，取3.4 ℃。

根據(jù)以上公式計(jì)算，可得進(jìn)口歸一化溫差Ti = 0.04，集熱器集熱效率ηZ = 7%，直接系統(tǒng)集熱器面積AC=9.2 m2。本設(shè)計(jì)用PV/T組件單塊面積為1.63 m2，則需要PV/T組件6塊，總面積9.78 m2，滿足熱負(fù)荷需求。

4.3? 光伏

光伏月發(fā)電量［18］為：

P=H·A·ζ·K

式中：H為當(dāng)?shù)厮矫嬖驴傒椛淠?，kW·h/m2；

A為光伏方陣面積，m2；

ζ為光伏組件轉(zhuǎn)換效率；

K為修正系數(shù)。

其中：

K=K1·K2·K3·K4·K5·K6·K7·K8

式中：K1為光伏組件類型修正系數(shù)，取1；

K2為灰塵遮擋玻璃及溫度升高造成組件功率下降修正系數(shù)，取0.95；

K3為光伏組件長期運(yùn)行性能衰降修正系數(shù)，取0.9；

K4為光伏方陣朝向與傾斜角修正系數(shù)；

K5為光照利用率系數(shù)，取0.99；

K6為光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率系數(shù)，取0.99；

K7為線路損耗修正系數(shù)，取0.99；

K8為逆變器效率修正系數(shù)，取0.98。

光伏方陣朝向與傾斜角的修正系數(shù)如表3所示。

采用6塊尺寸為1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T組件放置于植物工廠的屋頂時(shí)，夏季（6、7、8月）發(fā)電量為758.03 kW·h，冬季（12、1、2月）發(fā)電量為403.76 kW·h。植物工廠的主要組件耗電量如表4所示［19］，可以看到，夏季的光伏發(fā)電量能夠滿足植物工廠8%的電耗，冬季光伏發(fā)電量能滿足植物工廠7%的電耗。

5? 節(jié)能減排效果分析

5.1? 經(jīng)濟(jì)性分析

PV/T組件的價(jià)格按1880元/塊計(jì)，當(dāng)植物工廠在其屋頂配置了6塊PV/T組件后，年總發(fā)電量為2447.60 kW·h。由于PV/T組件提供的熱水能夠完全滿足植物工廠冬季供暖需求，因此可節(jié)省3780 kW·h耗電量（按照風(fēng)冷熱泵以功率2.1 kW冬季運(yùn)行90天、每天運(yùn)行20 h計(jì)算）所產(chǎn)生的冬季供暖費(fèi)用。而夏季，PV/T組件能夠提供植物工廠8%的電耗。因此，每年將節(jié)約6227.6 kW·h，按照0.6 元/kW·h計(jì)算，即節(jié)約3736.56元的電費(fèi)，能夠在3.02年內(nèi)收回投資。

5.2? CO2減排量

中國CO2排放指數(shù)EI［20-21］為0.814 kg/kW·h，生產(chǎn)6片尺寸為1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T組件消耗的電能Q是1.86 kW·h，光伏光熱減排潛力按照下式計(jì)算：

PM=（P+R-Q）×EI×N

式中：PM為光伏光熱減排潛力，kg；

P為PV/T組件的年總發(fā)電量，kW·h；

R為冬季供暖節(jié)約電量，kW·h；

Q為生產(chǎn)PV/T組件消耗的電能，kW·h；

EI為中國CO2排放指數(shù)，kg/kW·h；

N為壽命周期，年。

使用6片尺寸為1640 mm×992 mm×35 mm的PV/T組件，在其壽命周期（22年）內(nèi)，可以減少CO2排放量111.49 t。

6? 結(jié)語

針對植物工廠供能形式單一、能耗高的問題，本文對太陽能光伏-光熱-風(fēng)冷熱泵供能的植物工廠開展了研究，提出了光伏-光熱聯(lián)合的供電、供熱方式，并計(jì)算了這一供能方式的經(jīng)濟(jì)性與減排效果，為植物工廠的供電及取暖提供新途徑，結(jié)果表明：

（1）根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和植物工廠參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可知，植物工廠總冷負(fù)荷QC為6306 W，冷負(fù)荷指標(biāo)為212 W/m2，總熱負(fù)荷Qr為270 W。

（2）為滿足植物工廠的需求，所選用的風(fēng)冷熱泵制冷量7.2 kW、輸入功率為2.5 kW，制熱量8.5 kW、輸入功率2.1 kW，所選用的PV/T組件數(shù)量為6塊，總面積9.78 m2。

（3）采用6塊PV/T組件的植物工廠可節(jié)省3780 kW·h的冬季供暖費(fèi)用，并在夏季提供植物工廠8%的電耗，每年將節(jié)約3756.56元的電費(fèi)，可在3.02年回收投資，在PV/T壽命周期內(nèi)能夠減少CO2排放量111.49 t。

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（編輯? 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