西藏高原離網光伏供暖系統容量配置優化研究

張睿超，王登甲，劉艷峰，王慧琳，王小軍

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院，陜西 西安 710055；3.拉薩市設計集團有限公司，西藏 拉薩 850030)

西藏高原常規能源匱乏，當地供暖需求迫切，長期以來，當地多采用燃燒牛糞等生物質能源采暖或無采暖.但是，西藏高原太陽能、水電等可再生能源十分豐富，具備利用可再生能源進行零碳化供暖的先決條件、先試先行，在西部高原建筑供暖領域率先實現區域性“碳中和”，為我國其他地區零碳建筑發展起到示范引領作用.

太陽能在建筑中利用主要分為光熱和光電等利用形式.目前，西藏高原太陽能供暖以光熱利用居多，已開展大量科研研究和工程落地示范.李玥等[1]對日喀則市某辦公建筑太陽能供暖系統建立了TRNSYS模型，對其系統性能進行了優化.王磊等[2]采用f圖法對不同的太陽能與水源熱泵聯合供暖系統保證率進行了分析比較.白旭升等[3]對空氣式太陽能供暖系統在西藏地區的應用進行了測試分析.在蓄熱水箱容積與輔助熱源方面，劉艷峰、王登甲團隊對太陽能地面采暖系統各種蓄熱溫差下對應的蓄熱水箱容積進行了模擬分析與優化設計[4]，對西藏高原不同地區采用不同的輔助熱源的技術經濟性進行了研究分析，得到不同輻射資源區最佳輔助熱源類型[5].在工程應用方面，近些年，在西藏高原陸續建成了以浪卡子、仲巴縣太陽能集中供暖工程為代表的系列太陽能供暖示范項目[6-8].

近些年，光伏成本逐年下降，加之長距離輸配損耗小、建筑用能電氣化支撐程度高等優勢，光伏在建筑中的應用受到空前重視.ZENG等[9]對冷熱電聯產、地源熱泵、光伏光熱耦合系統建立了優化模型，分析了不同負荷比下的設備容量.太陽能光伏+空氣源熱泵系統相比其他形式系統具有系統結構簡單，能效比高等優勢[10-11].張瑞丹等[12]針對青海西寧住宅提出了多種光伏清潔供暖方式，并對其經濟效益了進行分析.王良等[13]探討了光伏直驅空氣源熱泵系統冬季供暖性能及系統各部件間的匹配特性.趙學林等[14]提出了太陽能光伏光熱耦合地源熱泵機組的供熱系統，對系統進行了仿真動態模擬.Ozcan等[15]對太陽能光伏驅動的空氣源熱泵系統建立了數值模型，并通過實驗對模型進行了驗證.

綜上所述，西藏高原太陽能光熱供暖盡管存在一些不同程度的“高原病”[16]，但針對不同類型的單戶、分布式、集中式太陽能供暖技術形式已基本確定，后期運行控制、維護管理則是關鍵.西藏高原光伏供暖相關研究與成功案例則相對較少，基于此，本文針對西藏高原一些特殊的獨立區域條件，提出了離網光伏+空氣源熱泵+蓄電、光伏+空氣源熱泵+蓄熱、光伏+電采暖設備+蓄電三種綜合能源供熱系統形式；以日喀則市某孤立型居住建筑為研究對象，對上述光伏供暖系統光伏場面積、蓄能設備容量進行了優化匹配分析.

1 “光伏+”供暖系統原理及模型

1.1 系統原理描述

西藏高原阿里、日喀則等地區地域遼闊、住區分散，部分鄉鎮、軍隊哨所位置偏遠且相對孤立，完善的市政電網無法覆蓋.在上述地區發展離網型分布式光伏尤為關鍵.基于上述情況，本文對西藏高原某孤立地區居住建筑采用三種離網型“光伏+”供暖系統進行了性能對比分析：系統一：光伏+空氣源熱泵+蓄電供熱系統，系統二：光伏+空氣源熱泵+蓄熱供熱系統，系統三：光伏+電采暖設備+蓄電池供熱系統.

系統一：太陽能光伏+空氣源熱泵+蓄電綜合能源供熱技術方案原理圖如圖1所示.系統由太陽能光伏發電系統以及熱源系統構成.太陽能光伏系統主要由太陽能光伏發電場、逆變穩壓器以及蓄電池構成.熱源系統為空氣源熱泵.根據藏區建筑室內溫度要求及供暖負荷特征確定空氣源熱泵的供水溫度，再通過熱泵將熱水加熱到指定溫度后供給熱用戶.針對該離網光伏供熱系統，在連續陰雨天或極端天氣下光伏系統供能不足時，可考慮與當地實際相符的柴油發電等形式滿足短缺電負荷.

圖1 光伏+空氣源熱泵+蓄電供暖系統原理圖

系統二：太陽能光伏+空氣源熱泵+儲熱綜合能源供熱技術方案原理如圖2所示.該系統由太陽能光伏發電系統，空氣源熱泵以及蓄熱水箱構成.太陽能光伏發電系統為空氣源熱泵提供驅動電力.空氣源熱泵將水加熱后，儲存到蓄熱水箱中，根據藏區建筑室內溫度要求及供暖負荷特征確定水箱供水溫度，然后供給熱用戶采暖.

圖2 光伏+空氣源熱泵+儲熱供暖系統原理圖

系統三：太陽能光伏+建筑電采暖設備綜合能源供熱技術方案原理如圖3所示.系統由太陽能光伏發電場，逆變穩壓器以及蓄電池構成.用戶末端采用電熱膜或電加熱器采暖，實現了從光伏系統產生的電能直接向室內散熱的轉化過程.

圖3 太陽能光伏+建筑電采暖設備供暖系統原理圖

1.2 系統仿真模型建立

使用TRNSYS 18建立上述三種綜合能源供熱技術方案模型，主要部件包括太陽能光伏組件、逆變器組件、蓄電池組件、空氣源熱泵/鍋爐組件、蓄熱水箱組件，不同組件的數學模型如下.

1.2.1 太陽能光伏系統

對于太陽能光伏組件模型，其電流-電壓方程如公式(1)所示[17].

(1)

式中：I為模塊輸出電流，A；V為模塊輸出電壓，V;IL為模塊光電流，A；Io為二極管反向飽和電流，A；q為電子電荷常數，取1.6×10-19C；γ為經驗PV曲線擬合參數；k為玻爾茲曼常數，1.380 649×10-23J/K；Tc為模塊溫度，K；Rs為模塊串聯電阻，Ω.

公式(1)中，模塊光電流IL與二極管反向飽和電流Io分別用公式(2)與公式(3)表示[17].

(2)

(3)

其中：IL,ref與I0,ref為參考條件下模塊光電流與二極管反向飽和電流，其具體計算方法可參見文獻[17]；GT,ref與Tc,ref為參考輻射值與參考溫度值，分別為1 000 W/m2與40 ℃.

1.2.2 逆變器與蓄電池

對于逆變器與蓄電池模型，在光伏系統運行時間T內，逆變器與蓄電池模塊的能量守恒關系用公式(4)表示.

(4)

式中：PPV表示光伏組件的實際發電功率，kW；Poth表示其他電力資源補充電量，kW；Pload表示用電設備耗電量，kW；Qsto表示蓄電池蓄電量，kW·h.

1.2.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵加熱量與其效率相關，用公式(5)表示.

qhp=Php×COP

(5)

式中：qhp表示空氣源熱泵的加熱量，kW；Php表示空氣源熱泵的加熱功率，kW；COP表示空氣源熱泵能效系數，用公式(6)表示[18].

COP=2.762 5+0.062 5×Tzf

(6)

式中：Tzf表示空氣源熱泵蒸發器中制冷劑蒸發溫度，℃.蒸發溫度與環境空氣溫度Ta的關系用公式(7)表示.

Tzf=0.798 4×Ta-7.200 6

(7)

1.2.4 蓄熱水箱

對于蓄熱水箱模型，能量平衡關系用公式(8)表示[17].

(8)

式中，Ttank,j表示水箱節點j的溫度，℃；qin,tank,j表示節點j的輔助加熱量，kW;qloss,j表示節點j的熱損失，kW；qcond,j表示節點j與其他節點的熱傳導換熱量，kW；qflow,i,j表示負荷端冷流股摻混導致節點間的換熱量，kW；qmix,j表示節點間消除摻混導致的熱不穩定性的熱量，kW；Ctank,j表示節點的蓄熱量，用公式(9)表示.

Ctank,j=cp,w×ρw×Vtank,j

(9)

式中：cp,w表示水的熱容，4.19 kJ/kg·K；ρw表示水的密度，1 000 kg/m3；Vtank,j表示節點j的容積，m3.

1.3 評價指標

對于離網型光伏供暖系統，系統應盡量減少對其他電力資源的依賴，因此可靠程度是首先需要關注的問題.基于此，本文采用太陽能保證率對系統性能進行評價.用公式(10)表示.在本文中，太陽能保證率定義為太陽能及空氣能等可再生能源供熱量占建筑總供熱量的比例，該參數表征了系統對其他電力的依賴程度，太陽能保證率越大，系統對其他電力資源的依賴程度越小.

(10)

式中，Qload表示供暖季建筑總供熱量，kW·h；Qoth表示供暖季其他電力資源供電量，kW·h.

2 “光伏+”供暖案例分析

2.1 建筑對象信息

西藏高原阿里、日喀則等地區部分城鎮偏遠，無完善的市政電力體系.基于此，選擇西藏自治區日喀則市某孤立型兩層居住建筑為分析對象，總建筑面積為468 m2.該建筑平面布局及尺寸如圖4所示，建筑圍護結構熱工參數見表1.

圖4 建筑平面圖

表1 建筑圍護結構熱工參數

2.2 建筑供暖熱負荷

日喀則市供暖日期為10月22日至3月30日.根據西藏地區建筑室內采暖溫度設定要求，建筑采暖室內設計溫度為18 ℃，建筑日總負荷如圖5所示.

圖5 采暖期建筑日總負荷變化規律

從圖5可以看出，在供暖期內，建筑最大日總負荷達到240.3 kW·h，最小值為14.3 kW·h，平均為101.3 kW·h.

3 “光伏+”供暖系統性能優化分析

針對上述建筑研究對象，對三種離網型“光伏+”供暖系統性能進行了模擬仿真與優化分析.

3.1 系統一：光伏+空氣源熱泵+蓄電池

當光伏場面積變化時，光伏、其他電力資源向系統的供電量以及太陽能保證率的變化如圖6所示.此處充分考慮了蓄電池的蓄電量，即當光伏發電量大于設備用電量時，多余的電力資源全部儲存在蓄電池中.從圖6可以看出，隨著光伏場面積的增大，光伏向系統的供電量逐漸增加，而系統對其他電力資源的需求量逐漸降低.當光伏場面積達到70 m2時，通過光伏的發電量，空氣源熱泵可完全滿足建筑熱負荷，此時太陽能保證率為100%.

圖6 太陽能保證率隨光伏場面積變化圖(系統一)

在上述分析中，充分考慮了蓄電池蓄電量，為了找到較合適的蓄電池容量，對蓄電池容量進行了優化.對于系統一，光伏場面積設定為70 m2.隨著蓄電池容量的變化，系統1中光伏、其他電力資源向系統的供電量以及太陽能保證率的變化如圖7所示.從圖7中可以看出，當電池容量為0時，即系統中不考慮蓄電池，光伏向系統中的供電量為2 153 kW·h，而其他電力資源的需求量為6 196 kW·h，太陽能保證率為61.54%.隨著電池容量的增加，太陽能保證率逐漸升高，當電池容量為100 kW·h時，太陽能保證率達到91.78%.此后，當電池容量再增加時，太陽能保證率變化緩慢，若使太陽能保證率達到100%，蓄電池容量需達到1 600 kW·h，以應對連續的極端天氣，此時經濟成本增加明顯.因此，可采用蓄電池容量為80～100 kW·h.

圖7 太陽能保證率隨電池容量變化圖(系統一)

3.2 系統二：光伏+空氣源熱泵+蓄熱

從前文模擬結果可以看出，對于光伏+空氣源熱泵系統，當光伏場面積達到70 m2時，空氣源熱泵的產熱量可完全滿足建筑熱負荷.用熱水蓄熱代替蓄電池蓄電后，對蓄熱水箱的容量進行優化，輔助電力資源量以及太陽能保證率變化如圖8所示：

圖8 供熱能力與水箱容積關系(系統二)

從圖8可以看出，對于光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統，當水箱容積為5 m3時，輔助熱源的耗電量為1 113 kW·h，太陽能保證率為93.1%.隨著水箱容積的進一步增大，太陽能保證率逐漸增大，當水箱容積達到15 m3時，太陽能保證率達到98.6%，再增加水箱容積，太陽能保證率變化較小.

3.3 系統三：光伏+電采暖設備+蓄電

對于系統三，假定電采暖末端的電熱轉化效率為90%，充分考慮了蓄電池的蓄電量.圖9表明了隨著光伏場面積增加，光伏、其他電力資源向系統的供電量以及太陽能保證率的變化.從圖9可以看出，隨著光伏場面積的增大，系統的供電量逐漸增加，而系統對其他電力資源的需求量逐漸降低.當光伏場面積達到152 m2時，通過光伏的發電量，建筑內電加熱末端可完全滿足建筑熱負荷，此時太陽能保證率為99.1%.

圖9 太陽能保證率隨光伏場面積變化圖(系統三)

為了給系統匹配合適的蓄電池容量，對蓄電池容量進行了優化.先設定光伏場面積為152 m2.隨著蓄電池容量的變化，系統三中光伏、其他電力資源向系統的供電量以及太陽能保證率的變化如圖10所示.

圖10 太陽能保證率隨電池容量變化圖(系統三)

從圖中可以看出，當電池容量為0時，光伏向系統中的供電量為4 384 kW·h，而其他電力資源的需求量為13 517 kW·h，太陽能保證率為16.1%.隨著電池容量的增加，太陽能保證率逐漸升高，當電池容量為200 kW·h時，太陽能保證率達到81.30%.此后再增加電池容量時，太陽能保證率變化緩慢.若使太陽能保證率達到100%，蓄電池容量需達到3 200 kW·h.因此，蓄電池容量推薦值為180～200 kW·h.

3.4 方案對比

針對西藏高原地區孤立型建筑，從光伏場面積、蓄能設備容積、太陽能保證率對比了優化后的上述三種離網型“光伏+”綜合能源供熱技術方案，結果如表2所示：

表2 不同光伏供暖系統方案對比

從表2可以看出，對于蓄電系統，光伏+空氣源熱泵綜合能源供熱系統所用光伏場面積小于光伏+建筑電氣化設備系統，蓄電池容量更小，太陽能保證率更高.對于光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統，將太陽能以熱水形式儲存，建議蓄熱水箱容積15 m3，太陽能保證率可達98.6%.從經濟性上分析，蓄熱設備投資遠低于蓄電設備，可見對于孤立地區，在本文所述的三種離網型“光伏+”綜合能源供熱系統中，光伏+空氣源熱泵+蓄熱綜合能源供熱系統具有更高的經濟性與可靠性.

4 結論

本文對日喀則市某孤立地區居住建筑使用以離網型“光伏+”綜合能源供暖技術方案進行了對比.分別建立了光伏+空氣源熱泵+蓄電、光伏+空氣源熱泵+蓄熱、光伏+電采暖設備+蓄電的模型進行模擬分析.以太陽能保證率作為評價指標，得到結論如下：

(1)在本文提出的三種能源系統形式中，光伏+空氣源熱泵的熱源系統形式具有明顯的優勢.由于該系統所需的光伏場面積小，能源利用效率與系統可靠程度高，更適宜在青藏高原建筑供暖領域推廣應用；

(2)在建筑供暖領域，與蓄電形式相比，將太陽能以熱水的形式儲存具有更大的優勢.通過本文研究發現，對于光伏+空氣源熱泵系統形式，當光伏場面積不變時，采用蓄熱水箱方式蓄能會使系統具有更高的太陽能保證率，投資與運行費用較低；

(3)光伏+電采暖設備系統形式簡單，但是該系統太陽能保證率低，所需蓄電池容量大，導致系統能源利用效率與經濟性較差，是次于上述兩種系統形式的方案選擇.

總體而言，對于青藏高原孤立地區居住建筑，在光伏離網條件下，光伏+空氣源熱泵+蓄熱系統形式具有明顯的經濟性與可靠性.然而，在動態熱負荷變化需求特性下，光伏系統控制器的穩壓、逆變過程造成的電損失以及電流相位變化對設備的沖擊不可忽略，因此，研究攻關光伏直流驅動型空氣熱泵機組是未來發展的趨勢之一.