商場冷凝水耦合光伏/光熱系統的應用分析

徐航， 張長興*， 路希正， 彭冬根

(1. 山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室， 青島 266590; 2. 南昌大學工程建設學院， 南昌 330031)

煤炭等傳統化石燃料的短缺和日益嚴重的環境污染問題引起了人們對太陽能等可再生能源利用的重視。中國太陽能資源豐富，太陽能的推廣應用，對實現中國能源結構的優化、環境和社會的可持續發展具有重要的意義。隨著超低能耗建筑和凈零能耗建筑的發展，光伏建筑一體化成為解決近零能耗建筑用電需求的關鍵技術因素。

光伏(photovoltaic，PV)系統收集太陽能轉化成電能，其運行性能在很大程度上受到環境溫度和太陽輻射的影響[1]。夏季光伏電池板的溫度過高會導致光伏效率的降低，進而影響PV系統發電量，同時過高的溫度會加速電池板材料的降解和老化，影響光伏電池板的使用壽命[2-3]。對光伏組件進行冷卻是提高光伏效率的有效方法，光伏組件的溫度每降低1 ℃，光伏發電效率增加0.4%～0.5%[4]。光伏組件的冷卻技術包括：噴水冷卻[5-6]、脈動熱管冷卻[7-8]、蒸發冷卻[9-10]、相變材料冷卻[11-12]和循環水冷卻[13-14]。

光伏/光熱(photovoltaic/thermal，PV/T)系統是一種結合了光伏和光熱的混合能源轉換技術，系統吸收太陽能，在產生電能的同時回收熱量，通過循環流體降低了光伏電池板溫度，實現產電效率的提高[15]。相較于其他冷卻方式，水冷式PV/T系統具有結構簡單、高熱容量和無需二次換熱等優點，經過優化設計，可以達到17.79%的電轉化效率和76.13%熱轉化效率[16]。當前公共建筑中的空調系統多采用大溫差、機器露點送風，由于蒸發器或盤管溫度低于露點溫度，當空氣經過低溫的蒸發器或盤管時，會在其表面產生大量冷凝水[17]。商場空調負荷熱濕比大，產生大量低溫冷凝水。冷凝水回收用于PV/T集熱器的循環冷卻，可以有效降低電池板的表面溫度，提升PV/T系統的光伏效率。

肖文平等[18]利用管道液體對流傳熱理論，對水冷式PV/T系統的熱吸收能力和傳熱時延進行了初步分析，研究了流速對裝置性能的影響，PV/T系統的光伏光熱綜合效率約為52.56%， 較單一的PV系統或熱水器效率有明顯提高。Souliotis等[19]分析了一種安裝在建筑物屋頂上的PV/T熱水系統，對其進行了全壽命周期評價，結果表明，復合系統較傳統的太陽能熱水系統和單一的PV組件更高效。基于熱管式光伏光熱系統的能量流動過程，王瑞祥等[20]建立熱管式PV/T系統的數學模型，分析了集熱器傾角對于光伏光熱效率的影響，研究發現，將傾角設為當地緯度或者小于當地緯度1°～2°時，系統具有最優的運行效率。因此，本文研究以青島某商場為研究對象，根據人員密度、商場的工作時間和氣象參數，確定建筑逐時生成的冷凝水水量，以此為基礎，建立冷凝水水冷式PV/T系統模型，研究系統夏季的動態性能。通過與單一PV系統的運行特性進行比較，定量分析冷凝水水冷式PV/T系統的節能優勢和環境效益。

1 建筑概況與冷凝水量的確定

1.1 建筑概況

本文的研究對象為青島某2層商場，建筑面積為8 400 m2，空調系統為全空氣系統，夏季室內設計參數為26 ℃，相對濕度50%。商場內人員密度為0.25 person/m2，勞動程度為以站著或少量走動為主的輕度活動。制冷季時間為6月1日—10月1日，商場空調開啟時間為每天6:00—21:00。

1.2 空調冷凝水量確定

空調冷凝水量包括新風濕負荷形成的冷凝水和人員散濕產生的冷凝水[21]。需結合各自原理分別計算確定。

(1)新風系統冷凝水量。空調系統中，新風濕負荷形成的冷凝水量取決于新風量與室內外空氣的含濕量，用式(1)確定：

Mx=0.001ρQxτ(dwτ-dn)

(1)

式(1)中：Mx為新風濕負荷形成的冷凝水量，kg/h；ρ為新風密度，取為1.2 kg/m3；Qxτ為τ時刻新風風量，m3/h；dwτ為τ時刻室外空氣含濕量，g/kg；dn為室內空氣含濕量，取為10.5 g/kg。

Qxτ=Nfτv

(2)

式(2)中：N為設計室內最大人數，人；fτ為τ時刻室內人員在室率，%；v為商場設計新風量，該建筑功能為商場，取為20 m3/(h·person)[22]。商場室內人員在室率的設置如圖1所示，商場上午6:00開始營業，人員逐漸增多，到中午12:00人員在室率達到90%；12:00—19:00商場內人員先減少后增加，并于傍晚19:00商場內的人員在室率達到90%；20:00—21:00商場內的人員逐漸減少，直至晚上21:00商場停止營業，人員在室率降為0。

(2)室內人員散濕確定的冷凝水量。室內人員散濕量取決于人員數量和個體散濕量，計算公式[21]為

Mr=0.001φNfτg

(3)

式(3)中：Mr為人員散濕產生的冷凝水量，kg；φ為群集系數，取為0.89；g為成年男子的散濕量，取為184 g/h[22]。

(3)冷凝水量的確定。新風濕負荷形成的冷凝水量直接受當地氣象參數的影響，采用TRNSYS軟件建立實時的冷凝水量計算模型，確定該商場制冷季的逐時冷凝水量，模型通過輸入青島地區室外逐時的含濕量和動態的人員信息，根據式(1)和式(3)確定商場制冷季逐時的空調冷凝水量，如圖2所示。可以看出，該商場建筑逐時冷凝水量的最大值為876.53 kg/h，出現在7月18日，7月份和8月份回收的冷凝水量分別為195.28 t和191.89 t，6月份和9月份收集的冷凝水量相對較少，為122.32 t和109.37 t，商場制冷季總的冷凝水量為618.86 t。

圖1 人員在室率Fig.1 People in room rate

圖2 制冷季空調冷凝水量的逐時變化曲線Fig.2 Hourly curve of condensing water quantity of air-conditioning system in cooling season

2 冷凝水水冷式PV/T系統模型的建立

2.1 冷凝水水冷式PV/T系統模型

本文研究基于TRNSYS建立了冷凝水水冷式PV/T系統，包括計算器、天氣模塊、PV/T集熱器模塊、水泵模塊、水箱模塊、混流閥模塊、積分器模塊、顯示器模塊、時間函數模塊。系統通過天氣模塊輸入青島地區的實時氣象數據，可以輸出逐時的光伏效率和發電量。系統的模型如圖3所示。

2.2 系統各組件模型

2.2.1 PV/T集熱器

PV/T集熱器收集太陽能轉換成電能輸出的同時，能夠通過光伏電池板背面流道管中的流體帶走電池板產生的熱量，實現光伏組件降溫冷卻。光伏組件的光電轉換效率達到15%～20%，其余接收到的太陽能輻射轉化為了熱量或以電磁波的形式向外輻射[23]。Pang等[24]基于異質結電池，分別測試了有無玻璃蓋板的PV/T系統，結果表明，無玻璃蓋板PV/T系統的光伏效率為12.19%，高于有玻璃蓋板PV/T系統的11.68%。曲明璐等[25]通過實驗和模擬結果對比，驗證了TRNSYS軟件中水冷式PV/T集熱器模塊的可靠性。為了獲得更高的光伏效率，本文系統模型選取無玻璃蓋板PV/T集熱器模型Type560。PV/T集熱器模塊的主要參數設置如表1所示。

凈吸收太陽輻射量S(總吸收太陽輻射量-用于光伏發電量)，在PV/T模型中定義為

S=(τα)nIAMGT(1-ηpv)

(4)

式(4)中：(τα)n為在法向入射下直射的有效透射吸收積，取為0.85；IAM為入射角修正系數，取為0.92；GT為太陽輻射總量，W/m2；ηpv為光伏效率，%。

表1 PV/T集熱器的主要參數Table 1 Main parameters of the PV/T heat collector

圖3 冷凝水水冷式PV/T系統模型Fig.3 Condensate water-cooled PV/T system model

光伏效率與光伏電池板的溫度相關，在PV/T模型中定義為

ηpv=η[1-β(Tpv-Tref)]

(5)

式(5)中：ηpv為光伏組件的實際光伏效率；η為光伏組件在標準測試條件(standard test conditions，STC)下的光伏效率；β為光伏效率的溫度系數；Tpv為光伏電池板的溫度，℃；Tref為STC下的基準溫度(25 ℃)。太陽能光伏組件的STC被“歐洲委員會”定義為101號標準，其中電池溫度為25 ℃，光譜為AM1.5，光譜輻照度為1 000 W/m2。

光伏電池板的發電量Epv，在PV/T模型中可以定義為

Epv=(τα)nIAMGTApvtηpv

(6)

式(6)中：Apvt為PV/T集熱器的面積，m2。

因此，吸收板吸收的熱量Qabs可以表示為

Qabs=(τα)nIAMGTApvt(1-ηpv)

(7)

2.2.2 水箱模型

選取Type39作為水箱模型，該組件模型是一個具有恒定橫截面積的可變容積的混合罐。流體可以由熱源處經由單一入口流入混合罐，從混合罐的出口流向負載端，流入和流出混合罐的流量可以不相等，罐內的流體液面可以在最低液面水平和最高液面水平的限制之間變化。當混合罐內流體的體積超過上限值時，過剩的流體將從混合罐分流，分流流體的溫度與進入流體的溫度相等。水箱模型的主要參數設置如表2所示。

可變容積混合罐模型質量變化率的微分方程式為

(8)

(9)

表2 水箱模型的主要參數Table 2 Main parameters of the tank model

2.3 冷凝水水冷式PV/T系統的控制策略

冷凝水水冷式PV/T系統，控制方式為時間控制。在每日0:00—8:00時段和18:00—21:00時段光伏板的表面溫度較低不需要冷卻，因此，將該時段商場空調系統產生的冷凝水匯入水箱儲存起來，留作次日使用；每日9:00—17:00時段，室外溫度高，光伏電池板需要降溫冷卻，此時水泵運行，將該時段產生的逐時冷凝水和水箱中儲存的冷凝水在混流閥處完全混合，泵入PV/T集熱器的流道管，吸收熱量后排出。

3 運行特性與環境效益

利用TRNSYS建立一個單一的PV系統，系統組件的參數設置與冷凝水水冷式PV/T系統的PV/T集熱器保持一致，對兩個系統制冷季運行特性進行了逐時的模擬研究，在計算系統發電量和PV系統對應值的基礎上，對冷凝水水冷式PV/T系統與PV系統的光伏發電效率進行了比較。

3.1 冷凝水水冷式PV/T系統的光伏發電效率

(1)典型日光伏發電效率。選取7月18日為典型日，PV系統與PV/T系統的光伏電池板表面溫度和光伏效率如圖4所示。可以看出，在6:00—9:00時段，隨著太陽輻射的增強，PV系統與PV/T系統光伏板的溫度從初始的20.09 ℃升高到44.71 ℃，對應的光伏效率從初始的16.84%下降到15.3%；在10:00—17:00時段，太陽輻射先增強后減弱，PV系統光伏板的溫度與太陽輻射變化趨勢相同，在13:00時達到峰值72.41 ℃，對應的光伏效率降至谷值，為13.50%，PV/T系統光伏板的溫度在30.27～45.43 ℃的范圍內平穩變化，系統13:00時的光伏板溫度為45.34 ℃，較同時刻的PV系統低37.38%，光伏效率為15.90%，較同時刻的PV系統高17.78%；在18:00—20:00時段，隨著太陽輻射的減弱，光伏板的溫度降低到26.87 ℃，由于光伏板溫度的降低，光伏效率升高到16.23%；在0:00—5:00和21:00—24:00時段，由于沒有太陽輻射，PV系統與PV/T系統的光伏效率為0。在太陽輻射最強的10:00—17:00時段，由于沒有有效的冷卻手段，PV系統的光伏板溫度顯著升高，光伏效率明顯降低，而PV/T系統經過低溫冷凝水的水冷降溫，降低了光伏板的溫度，光伏效率得到了有效的提升。

圖4 PV/T系統和PV系統光伏板平均溫度和 光伏效率的比較Fig.4 Comparison of average PV panels temperature and PV efficiency between PV/T system and PV systems

(2)月平均光伏效率。月平均光伏效率是根據系統月總發電量和月總吸收太陽輻射量求解得出的。如圖5所示，制冷季月平均干球溫度先升高后降低，在8月份上升到最大值25.95 ℃，并于9月份降至最低值22.08 ℃。PV系統的月平均光伏效率與月平均干球溫度變化趨勢相反，在8月份降至最低值14.60%，隨著室外干球溫度的降低，PV系統的月平均光伏效率在9月份升至14.66%。PV/T系統由于有冷凝水的冷卻，制冷季光伏效率受環境溫度影響較小，月平均光伏效率的變化同PV系統相比更為穩定，最大值出現在6月份為16.04%，最小值為15.78%出現在9月份。PV/T系統與PV系統月平均光伏效率的差值與干球溫度的趨勢相同，且在8月份達到最大值，該月PV/T系統的月平均光伏效率較PV系統高9.52%。

圖5 PV/T系統和PV系統月平均光伏效率Fig.5 Monthly average efficiency of PV/T system and PV system

3.2 PV/T系統凈發電量與環境效益

(1)系統的凈發電量。PV/T系統的凈發電量等于每月的光伏發電量減去當月水泵的能耗，其中水泵的額定功率為0.18 kW，經計算6月份和9月份的水泵能耗為43.2 kW·h，7月份和8月份的水泵的電力消耗為44.64 kW·h。如圖6所示，6月份的太陽輻射量最大，該月PV/T系統和PV系統的凈發電達到最大值，分別為1 759.66 kW·h和1 687.34 kW·h。隨著太陽輻射量的降低，PV/T系統和PV系統的凈發電量逐步減少，在7月份均降至最低值，該月PV/T系統的凈發電量為1 691.84 kW·h，較PV系統增加了100.39 kW·h。隨著太陽輻射量的增加，在8月份PV/T系統的凈發電量升高到1 747.72 kW·h，較PV系統增加了111.10 kW·h。9月份，太陽輻射下降，PV/T系統的發電量降低，PV系統的發電量升高，造成該情況的原因是，PV系統沒有有效的冷卻方式，與太陽輻射相比，光伏發電量受溫度的影響更大。通過對PV/T系統和PV系統的模擬結果分析得出，在整個制冷季，PV/T系統的凈發電量較PV系統提高365.55 kW·h。

(2)環境效益。商業建筑通過節能改造，安裝可再生發電設備，可以增加可再生能源的使用比例，進而減少二氧化碳的排放量[26]。在整個制冷季，通過光伏發電，PV/T系統的凈發電量可以達到6 938.27 kW·h。因此，根據式(10)可以計算出，制冷季PV/T系統的二氧化碳總減排量為6.439 t，較單一的PV系統提高0.34 t。

PCO2=Epvκ

(10)

式(10)中：PCO2為二氧化碳的減排量，kg；Epv為光伏發電量，kW·h；κ為區域電網供電平均排放因子，青島屬于華東地區，κ取為0.928 kg/(kW·h)[27]。

圖6 PV/T系統和PV系統月發電量Fig.6 Monthly energy yield of the PV/T system and PV system

4 結論

以青島某2層商場為研究對象，提出一種冷凝水水冷式PV/T系統。通過建立實時的冷凝水量計算模型，確定商場的空調冷凝水的逐時水量。將冷凝水水冷式PV/T系統與單一的PV系統進行了性能對比，得出以下結論。

(1)PV/T系統通過利用回收的空調冷凝水，有效冷卻了光伏電池板，典型日(7月18日)13:00時的光伏板溫度為45.34 ℃，較同時刻的PV系統低37.38%，對應的光伏效率為15.90%，較同時刻的PV系統高17.78%。

(2)PV/T系統制冷季的總發電量較PV系統凈增加365.55 kW·h。PV/T系統與PV系統相比，月凈發電量的最大值提高72.32 kW·h，月凈發電量最小值增加100.39 kW·h； PV/T系統與PV系統月平均光伏效率的差值在8月份升至最大值，該月PV/T系統的月平均光伏效率較PV系統高9.52%。

(3)通過光伏發電，在整個制冷季，PV/T系統具有6 938.27 kW·h的節能效益，可以減排6.439 t的二氧化碳，較PV系統增加0.34 t的二氧化碳減排效益。