低碳趨勢下的家庭能源保障與管理模式研究

2022-11-16 08:42:08習宴澳明江海昊黃招彬李運澤

動力工程學報 2022年11期

習宴澳明，江海昊，黃招彬，李運澤

(1．北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100083；2．廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山 528311)

符號說明：

Tsol——光伏板表面溫度，℃

Tamb——環境溫度，℃

Tin——熱回收換熱器入口水溫，℃

Twh——熱水罐金屬殼體溫度，℃

Tout——熱回收換熱器出口水溫，℃

Tmix,h——熱水罐出口水溫，℃

Tin2——熱水罐內換熱器介質入口溫度，℃

Tout2——熱水罐內換熱器介質出口溫度，℃

Tin3——從冷水機組進入冷水罐的水溫，℃

Twc——冷水罐金屬殼體溫度，℃

Tin4——冷水罐內換熱器介質入口溫度，℃

Tout4——冷水罐內換熱器介質出口溫度，℃

Twcm——冷水機組金屬殼體溫度，℃

Tpre——前置換熱器金屬殼體溫度，℃

Ta,in——空氣進入空調送風罩的入口溫度，℃

Ta,mid——空氣通過室內換熱器的入口溫度，℃

Ta,out——空氣出空調送風罩的溫度，℃

Tev——蒸發換熱器殼體溫度，℃

Tco——冷凝器殼體溫度，℃

P1——電加熱器功率，W

P2——冷水機組功率，W

Pe——空調制冷電功率，W

Pc——空調制熱電功率，W

Qe——空調制冷量，W

Qc——空調制熱量，W

Qbatt——儲能電池中儲存的電量，J

P——家庭總用電負荷，W

G——太陽能輻射率，W/m2

Esol——光伏板轉換的電能，W

Ewin——風力發電機發電量，W

Egri——從電網采集的電能，W

ρ——水的密度，kg/m3

ρa——空氣密度，kg/m3

qm,s——熱回收換熱器水質量流量，kg/s

qm,h——熱水罐內換熱器介質的質量流量，kg/s

qm,mix——熱水罐出口水質量流量，kg/s

qm,c0——冷水罐入口水質量流量，kg/s

qm,c——冷水罐內換熱器介質質量流量，kg/s

qm,a——空氣的質量流量，kg/s

Asol——光伏板的表面積，m2

S——掃風截面面積，m2

Sh——熱水罐的底面積，m2

Hh——熱水罐內水的深度，m

Rsol——光伏板與環境間的換熱熱阻，K/W

Rwh——熱水罐與環境間的換熱熱阻，K/W

Rwc——冷水罐與環境間的換熱熱阻，K/W

Rwcm——冷水機組與環境間的換熱熱阻，K/W

Rpre——前置換熱器與環境間的換熱熱阻，K/W

Rev——蒸發器與環境間的換熱熱阻，K/W

Rco——冷凝器與環境間的換熱熱阻，K/W

csol——光伏板的比熱容，J/(kg·K)

c——水的比熱容，J/(kg·K)

cwh——熱水罐金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

cwc——冷水罐金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

cwcm——冷水機組金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

ca——空氣的比熱容，J/(kg·K)

cpre——前置換熱器金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

t——時間，s

Qpre——前置換熱器的換熱量，W

cev——蒸發器金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

cco——冷凝器金屬殼體的比熱容，J/(kg·K)

msol——光伏板的質量，kg

mwh——熱水罐金屬殼體的質量，kg

mh——熱水罐內水的質量，kg

mwc——冷水罐金屬殼體的質量，kg

mwcm——冷水機組金屬殼體的質量，kg

mpre——前置換熱器金屬殼體的質量，kg

mev——蒸發器金屬殼體的質量，kg

mco——冷凝器金屬殼體的質量，kg

α——光伏板吸收率

Cp——風輪效率

k——空調的制冷能效比

Cp——風輪效率

η1——電加熱器的效率

ε1——熱回收換熱器的效能

ε2c——熱水罐內換熱器冷側的換熱效能

ε2h——熱水罐內換熱器熱側的換熱效能

ε3c——冷水罐內換熱器冷側的換熱效能

ε3h——冷水罐內換熱器熱側的換熱效能

ε4c——前置換熱器冷側的換熱效能

ε4h——前置換熱器熱側的換熱效能

εev——蒸發器的換熱效能

εco——冷凝器的換熱效能

k2——冷水機組的制冷能效比

v——風速，m/s

隨著經濟的發展，家庭能源正在快速轉型，從傳統的薪材、木炭到電力、天然氣，有效緩解了森林退化、室外煙霧和室內環境污染等眾多問題；從依靠單一能源到多種能源混合使用，避免了單一燃料易受到能源價格變化及不可靠服務影響的局限，增加了能源安全感[1]。目前，能源消耗帶來的環境問題日益嚴重，化石能源作為主流供電來源，會排放大量溫室氣體，同時伴隨一些煙氣的產生，這對環境造成了極大危害。在低碳趨勢下，太陽能、風能等低碳能源逐漸走進家庭能源領域，家庭能源正向著低碳、多能源混合運用的方向發展。

自20世紀70年代開始，美國及部分歐洲國家就開始了提高家庭能量系統用電效率的探索[2]。實際上，圍繞家庭供電、供熱和供冷需求，電負荷和熱負荷的轉換、多能源的混合供能及存儲已成為熱門課題。Erdil等[3]提出了一個由光伏模塊和太陽能集熱器組成的混合系統；Litjens等[4]提出了一種結合地源熱泵、光伏發電和電池存儲的住宅供暖系統；Ghenai等[5]針對用于沙漠地區居民小區的，包含太陽能發電、燃料電池、電解槽制氫的離網分布式混合能源系統進行了仿真研究。國內外利用太陽能、固體廢棄物和風能等可再生能源進行冷熱電聯供的低碳社區案例研究較多[6]，從現有研究可以看出，包含低碳能量的多能源混合系統在環保性、節能性和經濟性方面都具有一定優勢。

筆者提出了一種基于光-熱混合利用和前置空調蓄能的家庭能量管理系統，并通過數學建模對系統性能進行仿真分析。該系統以水為主要儲能介質，系統結構簡單易實現，在滿足家庭用能需求的同時具有可觀的節能和環保效益，為低碳趨勢下家庭能源保障與管理新模式提供了思路。

1 多能并用、多能聯蓄的低碳家庭能源管理新模式

1.1 系統功能與總體集成模式

基于多能并用、多能聯蓄的思路，設計了一種包含多能量收集與生產、冷熱電協同存儲及末端能量綜合利用的家庭能量管理系統。圖1給出了該系統的能流圖。在能量的收集和供應上，系統采用電網集中式供電與太陽能、風能低碳能源分布式供電相結合，相比電網單一供電模式更加低碳；在能量的存儲上，該系統以水為儲能介質，熱量和冷量的收集、存儲都以水為載體，工質簡單可靠，設備成本較低，電量的存儲則通過儲能電池來實現；在末端能量的利用上，前置蓄能空調系統與冷水罐和熱水罐相連，實現對空調送風的預冷卻或預加熱，從而降低空調負荷，達到節能的效果。

1.2 多能并用的能量收集與生產

現代城鎮樓宇之間往往存在天然的風口，可采用在建筑側墻或者屋頂放置家用小型風力發電機的方式，將風能轉化為扇葉轉動的機械能，最后轉化為電能。家庭太陽能光伏板則常常安裝在陽光最充足、沒有建筑遮擋的屋頂，利用光伏效應將光能轉化為電能。

圖1 低碳家庭能源管理系統能流圖Fig.1 Energy flow diagram of low carbon household energy management system

由于光伏板長期處于太陽暴曬下，往往電池板表面的溫度很高，如果將這部分余熱利用起來，可以提升太陽能的利用率。光-熱混合模塊由光伏板和熱回收換熱器組成，從水網泵入的冷水通過熱回收換熱器與高溫的電池板表面進行換熱，然后將熱水存儲在熱水罐內，從而實現對太陽能的光-熱混合利用。

1.3 以家庭為單元的冷熱電協同存儲

在家庭中，一般通過儲能電池儲存電量、熱水罐和冷水罐儲存熱水和冷水的方式，來實現冷熱電的協同存儲。儲能電池儲存的電量來自光伏板、風力發電機及電網輸送過剩的電能，熱水罐存儲的熱量來自光伏板熱回收換熱器和電加熱器，冷水罐存儲的冷量則來自冷水機組。

熱水罐和冷水罐儲存的熱量和冷量，除了用于淋浴、洗菜等生活用水，還參與空間環境的溫度調節。罐內換熱器與空調送風罩內的前置換熱器相連，圖1中描述了冷(熱)水罐與家庭末端能量利用環節的能量交換關系：夏季時，冷水罐內的換熱器工作，將冷水罐中儲存的冷量用于空間供冷；冬季時，熱水罐內的換熱器工作，將熱水罐中儲存的熱量用于空間供暖。

1.4 末端的能量綜合利用

圍繞家庭的供電、供熱和供冷需求，家庭末端用能主要來源于生活用水、室內溫度調節以及洗衣機、電視、冰箱等家用電器。如圖1所示，系統在空調送風罩中增加了以水為介質的前置換熱器，通過管道與熱水罐和冷水罐內換熱器相連。夏季時，蒸發器充當室內換熱器的角色，前置換熱器與冷水罐內換熱器流道接通，利用冷水罐儲存的冷量對空調送風進行預冷卻；冬季時，冷凝器充當室內換熱器的角色，前置換熱器與熱水罐內換熱器流道接通，利用熱水罐儲存的熱量對空調送風進行預加熱。因此，不同于傳統空調僅通過消耗電能來實現制熱/制冷，加入前置空調蓄能環節利用了熱水罐和冷水罐內的熱能和冷能，在相同負荷下節約了電能。

2 家庭能源管理系統的仿真建模

2.1 能量收集環節的數學模型

2.1.1 太陽能光-熱混合利用模塊的數學模型

在太陽能光-熱混合利用模塊的建模中，以光伏板為研究對象，根據能量守恒原理，光伏板自身能量的變化等于輸入能量的總和與輸出能量總和的差值，包括太陽輻照能量、換熱器帶來的能量、與環境的換熱及轉換為電能的能量。光伏板表面溫度的變化可表示為：

(1)

熱回收換熱器出口溫度可表示為：

Tout=Tin+ε1(Tsol-Tin)

(2)

太陽能輻照能量及光伏發電量隨環境變化而變化。Erdil等[3]對一日內太陽能輻照及光-熱混合系統的光伏發電量進行了實驗測定。結果表明，正午時的陽光最強烈，晚間和凌晨的時候沒有陽光，清晨和傍晚的時候由于陽光較弱、氣溫較低，光伏板表面的溫度較低，因此設定太陽能光-熱混合模塊僅在9:00—17:00工作。仿真計算參考了廣州市當地的氣象數據，選取了典型四日(夏季晴天、夏季陰天、冬季晴天、冬季陰天)的太陽輻照強度的日變化曲線，如圖2所示。

2.1.2 風力發電模塊的數學模型

風力發電量與風輪效率、空氣密度、掃風截面面積和風速的三次方成正比[7]，表達式如下：

(a) 工況1，夏季晴天

(3)

風速是一個隨環境變化的量，一般而言，夜間和凌晨的風速較高，白天的風速相對較低。仿真計算參考了廣州市當地的氣象數據，選取了典型四日(夏季晴天、夏季陰天、冬季晴天、冬季陰天)的風速日變化曲線，如圖3所示。

(a) 工況1，夏季晴天

2.2 能量存儲環節的數學模型

2.2.1 熱水罐的數學模型

熱水罐用于儲存從太陽能光-熱混合利用模塊收集的熱水，實現熱量的存儲。夏季時，熱水罐內換熱器不工作，熱水罐收集的熱水直接用于淋浴、洗衣等生活用水；冬季時，熱水罐內換熱器與空調前置換熱器相連，熱水罐收集的熱量除了用于生活用水，還可與空調前置換熱器換熱。以熱水罐殼體為研究對象，其能量守恒方程為：

夏季

(4)

冬季

ε2ccqm,h(Tin2-Twh)+η1P1-

(5)

數學建模時將熱水罐金屬殼體看成一個換熱器：在夏季換熱器不工作時，可將其看成單流體換熱器，與式(2)相似，根據熱水罐內水與金屬殼體間的換熱效能即可求得熱水罐出口溫度，也是用于生活熱水的溫度Tmix,h；在冬季換熱器工作時，可將其看成雙流體換熱器：

(6)

熱水罐內水的質量和水位可表示為：

(7)

2.2.2 冷水罐及冷水機組的數學模型

冷水罐內換熱器與空調系統送風罩內的前置換熱器相連，主要工作于夏季。冷水罐的建模與熱水罐相似，不同于熱水罐采用電加熱器進行補充加熱，冷水罐的冷量來自于冷水機組輸送的冷水。冷水罐殼體的能量守恒方程如下：

(8)

冷水機組的建模以冷水機組金屬殼體為研究對象，能量守恒方程如下：

(9)

同樣，根據冷水機組內水與金屬殼體間的換熱效能，可求得冷水機組的出口溫度Tin3。

2.2.3 儲能電池的數學模型

對于整個家庭能量管理系統而言，儲能電池儲存的電量等于總發電量與總用電量的差值：

(10)

經調研，普通單戶家庭的用電負荷在工作日和休息日有所不同。在工作日，電力負荷在晚間的18:00—22:00達到高峰；在休息日，存在正午10:00—14:00及晚間18:00—22:00 2個用電高峰[8]。仿真工況參考了文獻[8]的數據，如圖4所示。

(a) 工作日單戶家庭日負荷

儲能電池系統在家庭用電低峰時蓄電，在家庭用電高峰時放電，從而起到削峰填谷的作用，減小了電網的負荷波動。

2.3 能量利用與環境控制環節的數學模型

前置蓄能空調系統包含2個主要的換熱環節：一是空調送風與前置換熱器的換熱；二是經過前置換熱器預冷卻(加熱)后的空氣與蒸發器(冷凝器)進行換熱。前置換熱器內的換熱過程可表達如下：

夏季

(11)

冬季

(12)

經前置換熱器預冷卻(加熱)后空氣的溫度為：

(13)

夏季時，經預冷卻后的空氣與蒸發器的換熱過程如下：

(14)

已知蒸發器的換熱效能εev，可求得空氣出口溫度為：

Ta,out=Ta,mid+εev(Tev-Ta,mid)

(15)

與夏季相似，冬季經預加熱后的空氣與冷凝器的換熱過程如下：

(16)

同式(15)，可由冷凝器的換熱效能εco求得空氣出口溫度。

3 仿真研究及討論

3.1 仿真參數及算法設置

主要仿真參數設置見表1，假設環境溫度保持不變。采用Rkfix4積分求解算法，仿真時間86 400 s，求解步長0.1 s，仿真計算24 h內各參數隨時間的變化情況。

表1 主要仿真參數設置Tab.1 Main settings for simulation parameters

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 低碳能源的產量

所建立的系統在傳統電網集中供電的基礎上，加入了太陽能和風能進行分布式發電，發電效果顯著。而電網集中供電多來自化石能源，太陽能、風能低碳能源的加入帶來了環保效益。表2給出了4個0.611 m2的太陽能光-熱混合利用模塊和掃風面積1 m2的風力發電裝置在夏季晴天、夏季陰天、冬季晴天和冬季陰天4種工況下一天內生產的電能。

圖5給出了4種工況下一天內低碳能源的發電量和光伏板的余熱回收情況。從圖5可以看出，光伏發電量受光照影響，正午時達到最大值；風力發電量受風速影響，不同工況下差異較大，一般而言晚間和凌晨的風力資源較豐富。夏季的光照普遍強于冬季，冬季的風量普遍高于夏季；晴天的光照普遍強于陰天，陰天的風量普遍高于晴天。因此，夏季晴天時以光伏發電為主，風力發電機幾乎不工作，光-熱混合利用模塊出口水溫較高，最高可達50 ℃；夏季陰天時以光伏發電為主，風力發電為輔，混合利用模塊的出口水溫可達31 ℃。冬季太陽輻照較弱，氣溫較低，光-熱混合利用模塊出口水溫較低，需要另外借助電加熱器進行輔助加熱，然而冬季的風力資源普遍較豐富，風力發電的產量較為可觀。

表2 4種工況下低碳能源的產量Tab.2 Low-carbon energy production under four operating conditions 單位：kW·h

由第2.2.3節可知，工作日及休息日的家庭用電負荷存在較大的波峰。假設儲能電池的充放電功率恒定：在工作日，儲能電池系統在用電負荷低谷期以200 W的功率儲能，在用電負荷高峰期以400 W的功率釋能；在休息日，用電負荷低谷期以200 W的功率儲能，用電負荷高峰期以240 W的功率釋能。經計算可知，工作日日凈蓄電量為2.2 kW·h，休息日日凈蓄電量為1.07 kW·h。采用同樣的蓄電方案，圖6為一天內低碳綜合能源利用系統與傳統電網供能系統電網輸入的電量曲線對比，可以看出低碳能源綜合系統能給電網全面減壓。

3.2.2 前置蓄能空調系統的節能效益

在夏季制冷模式下，假設空調制冷量恒定為1 200 W。圖7給出了夏季制冷模式下前置蓄能空調系統的空氣溫度及換熱器內介質溫度的變化情況，并與傳統空調系統進行了比較。在送風空氣質量流量為0.226 kg/s的情況下，空調前置換熱器能將空氣入口溫度預冷卻近1 K；在換熱器內水質量流量為0.01 kg/s的情況下，換熱器換熱溫差為5.06 K。在相同空氣入口溫度的情況下，相比傳統系統，前置蓄能空調系統的出風溫度明顯下降。

在冬季制熱模式下，以冬季晴天工況為例，假設空調制熱量恒定為2 000 W。如圖8所示，冬季制熱模式不同于夏季制冷模式，由于太陽能熱回收受天氣影響不穩定，空氣出口溫度會有2 K左右的波動。在送風空氣質量流量為0.226 kg/s的情況下，空調前置換熱器最多能將空氣入口溫度預加熱近5K，對應換熱器換熱溫差最大為27 K。相比傳統空調系統，前置蓄能空調系統的空氣出口溫度明顯上升，且相較夏季制冷模式，冬季制熱模式前置換熱器的介質溫差更大，換熱效果更好，節能效果更顯著。

(a) 工況1，夏季晴天

(a) 工作日電網負荷

3.2.3 生活用水保障

假設一家三口在20:00—22:00時間段洗澡，電加熱器提前對熱水罐內收集的熱水進行補充加熱，20:00時熱水罐開始以0.02 kg/s的恒定質量流量向淋浴間供應熱水。如圖9所示，在夏季，電加熱器的功率為1 500 W，可為用戶提供70 ℃左右的生活用水；在冬季，電加熱器的功率為3 000 W，可為用戶提供60 ℃以上的生活用水。