熱管式PV/T熱泵系統在農村住宅建筑中的應用研究

欒丹明　陳紅兵　王　起

(1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京　100044；　2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京　100082)

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熱管式PV/T熱泵系統在農村住宅建筑中的應用研究

欒丹明1陳紅兵1王起2

(1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京100044；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082)

根據北京地區的氣候條件及太陽能資源情況，提出了熱管式PV/T熱泵系統在北京農村地區典型住宅建筑中的三種應用方案，并對不同應用方案的全年工況進行了對比分析，選出了最經濟合理的方案。

農村住宅，熱管式PV/T熱泵系統，太陽能，采暖

1　概述

熱管式PV/T熱泵系統通過熱泵機組將蒸發側熱管式PV/T熱水系統以及冷凝側末端用戶相結合，利用熱管式PV/T熱水系統輸出電量并收集太陽能輻射熱量，然后通過熱泵提取熱量以供給用戶生活熱水或冬季采暖。熱管式PV/T熱泵系統既能提高太陽能綜合利用率，又能保證輸出熱能的穩定性。

我國北方農村冬季采暖能耗大，據統計2015年供暖能耗已經達到1.05億tec，約占生活總能耗的53.6%；生活熱水方面，由于冬季集熱器防凍性能差，導致農戶仍然依靠爐灶燒水來提供生活熱水；近幾年隨著農戶生活水平提高以及消費觀念轉變，農村用電量不斷攀升，目前農村每年消耗的電量約為2 045億kWh。

2　農村典型住宅建筑及用能需求

2.1農村典型住宅建筑介紹

北京農村現有住宅建筑大部分為平房，夏季采用空調制冷，冬季采用地板采暖。根據抽樣調查農宅居住面積一般為100 m2左右，且多數為磚混結構，基本沒有保溫措施。本文研究農村典型住宅建筑，平面圖如圖1所示。

2.2用能需求分析

1)采暖用能需求。采暖耗熱量計算公式：

(1)

根據式(1)可計算出農村典型住宅建筑采暖季耗熱量為21.94 GJ。

2)熱水用能需求。熱水負荷計算公式：

Qh=Cw·V·ρw·(Tend-Ti)

(2)

其中，Qh為加熱熱水需要熱量，kJ；V為用水量，m3，北京農村住宅使用人數取3人/戶，用水定額取40 L/(人·d)；ρw為水密度，kg/m3；Cw為水的定壓比熱，kJ/(kg·K)；Ti為水箱初始水溫，根據相關規范取285 K；Tend為水箱終止水溫，根據節能標準取318 K。

根據式(2)可計算出農村典型住宅建筑年平均日總熱水負荷為16.55 MJ。

3)電用能需求。根據住宅建筑照明負荷及設備負荷計算公式，可得出基本用電負荷，如表1所示。

表1　農村住宅建筑日用電負荷　kWh

3　熱管式PV/T熱泵系統方案分析

3.1方案介紹

本文根據側重不同的負荷需求設計了三種系統運行方案。

1)側重滿足采暖季熱水負荷需求。在采暖季利用熱管式PV/T熱泵系統滿足50%采暖季月平均日總熱水負荷需求。為保證循環水溫相對恒定，需將熱泵機組的理論蒸發換熱量等效于熱管式PV/T集熱器的集熱量來計算。集熱器面積的計算公式如下：

3）出廠前管材檢驗：檢驗內容有20℃靜液壓強度（100h）試驗、80℃靜液壓強度（165h）試驗、80℃靜液壓強度（1000h）試驗、斷裂伸長率、氧化誘導時間、縱向回縮率。以上試驗均合格后出具相應的試驗報告，方能裝箱海運。

(3)

其中，HT為集熱器單位面積上月平均日總太陽輻射量，kJ/m2；ηt為熱泵系統冬季日平均集熱效率，取0.15；ηL為管路及集熱水箱熱損失率，取0；fw為太陽能保證率，取50%；COP為熱泵機組日平均性能系數，取3；Qcond為熱泵機組日總冷凝換熱量，MJ。

根據式(3)可以得出此方案系統的集熱面積為2.33 m2。需要2塊英利YL200P-23b型號的PV組件。總光伏電池面積2.34 m2，總集熱面積為2.47 m2。

2)側重滿足冬季采暖負荷需求。采暖季利用熱管式PV/T熱泵系統滿足50%采暖季月平均日總采暖負荷和熱水負荷需求。根據式(3)可以得出此方案系統的集熱面積為24.89 m2，需要25塊英利YL200P-23b型號的PV組件。總光伏電池面積為29.20 m2，總集熱面積為30.82 m2。

3)側重滿足全年電負荷需求。利用熱管式PV/T熱泵系統滿足100%年平均日總電負荷需求。光伏電池面積計算公式如下：

(4)

其中，fe為電負荷太陽能保證率，取1；Qe為建筑日總耗電量，MJ；HT為集熱器斜面上月平均日總太陽輻射量，kJ/m2；ηpv為光伏板年平均電效率，根據實驗測試，取0.11。

根據式(4)可以得出此方案系統的光伏面積為5.00 m2，需要4塊英利YL200P-23b型號的PV組件。總光伏電池面積為4.67 m2，總集熱面積為4.93 m2。

3.2方案分析與比較

表2　北京地區月平均日總輻射量　MJ/m2

1)熱性能分析。熱管式PV/T熱水系統太陽能保證率的計算公式如下：

(5)

其中，ηt為集熱器平均集熱效率，根據實驗測試，取0.3。

根據三種方案系統不同的總集熱面積，分別代入公式計算，可得出三種方案的熱負荷太陽能保證率，見表3。

表3　全年熱負荷太陽能保證率　%

從表3可以看出，方案一8月份熱負荷太陽能保證率最高，4月份最低，全年平均值為55.7%；方案二PV組件數量較多，系統的熱負荷太陽能保證率可達到上限值，全年平均值為62%；方案三系統設備容量較大，熱負荷太陽能保證率變化較大，全年平均值為62%。

2)電負荷太陽能保證率。電負荷太陽能保證率的計算公式如下：

(6)

根據式(6)計算出系統全年電負荷太陽能保證率，結果見表4。

表4　全年電負荷太陽能保證率　%

從表4可以看出，方案一2月份電負荷太陽能保證率最高，12月份最低，全年平均值為46.8%；方案二全年電負荷太陽能保證率非常高，幾乎都在500%以上；方案三電負荷太陽能保證率2月份最高，12月份最低，全年平均值為94%。

3)方案比較。對以上方案分析可以發現：方案二系統需要PV/T集熱器數量最多但僅能保證50%的冬季采暖負荷和熱水負荷。在過渡季和空調季，生活熱水供給量大大超過需求量，且系統占地面積較大，初投資較高，安裝不便。方案三系統僅用4塊PV/T集熱器即可基本滿足全年電負荷需求，但采暖季最大熱負荷太陽能保證率僅為10%，冬季供暖效果不夠理想。且在過渡季和空調季也同樣存在供給過量生活熱水的問題。而方案一系統僅使用2塊PV/T集熱器就可基本滿足采暖季50%的熱水負荷需求，同時還可以保證全年平均46.8%的電負荷需求。因此經過綜合比較，認為方案一系統最經濟可行、太陽能利用最有效、最便于實際利用。

4　經濟效益分析

選擇側重滿足采暖季熱水負荷需求的方案，采用附加投資回收年限法確定投資回收期。

1)應用方案初投資計算。熱管式PV/T集熱器選型均相同，根據住宅面積計算，戶均初投資約為65元/m2。

2)年節約能源費用計算。根據系統熱負荷太陽能保證率可計算出各月平均日總集熱量和輸出電量，見表5。

表5　月平均日總集熱量和輸出電量　MJ

綜上可以計算出方案一系統的年總集熱量為3 368.8 MJ，年輸出電量424.4 kWh。

系統的能耗主要包括水泵和熱泵機組兩部分，年總耗電量為549.3 kWh。本系統采用電能作為輔助熱源，耗電量為1 039.8 kWh，則系統的年總節省電量為914.9 kWh。根據北京地區0.48元/kWh電價計算，可以計算出年節約能源費用約為439元。

3)回收年限計算。按附加投資回收年限法可計算出系統的回收年限為14.8年。

5　結語

本文提出了三種側重不同負荷需求的熱管式PV/T熱泵系統在北京農村住宅建筑中的應用方案，并進行了全年工況分析。對比可知，系統PV/T集熱器數量過多會導致過渡季和空調季供給過量生活熱水，且初投資較高。PV/T集熱器數量適當時，綜合對比全年熱負荷及電負荷太陽能保證率，對于面積約為100 m2的典型農宅，側重滿足采暖季熱水負荷需求方案的太陽能利用率更高。

一般太陽能系統使用壽命為20年，投資回收期在20年內就被認為經濟可行。方案一系統回收期為14.8年，相對較長，這主要是由于熱管式PV/T熱泵系統目前技術仍不成熟，熱效率較低，成本高。

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The application research on heat pipe PV/T heat pump system in rural residential buildings

Luan Danming1Chen Hongbing1Wang Qi2

(1.EnvironmentalandEnergyEngineeringSchool,BeijingArchitectureUniversity,Beijing100044,China;2.BeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100082,China)

According to the climate conditions and solar energy resources in Beijing area, this paper proposed three application schemes of heat pipe type PV/T heat pump system in Beijing rural area typical residential buildings, and made comparative analysis on full year work situation to different application schemes, selected the most economic and reasonable scheme.

rural residence, heat pipe PV/T heat pump system, solar energy, heating

1009-6825(2016)19-0109-02

2016-04-23

欒丹明(1992- )，女，在讀碩士；陳紅兵(1977- )，男，副教授；王起(1989- )，男，助理工程師

TU833

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