集裝箱房離網式PV/T聯合熱泵供熱系統仿真

劉 芳, 趙國云, 邢永杰

(1.北京建筑大學環境與能源工程學院,北京102616;2.北京科技創新促進中心,北京100142)

1 概述

建筑節能是實現碳達峰、碳中和的關鍵著力點。近年來,裝配式建筑、熱泵、光伏光熱(PV/T)等技術的發展為建筑節能帶來了新的機遇[1]。集裝箱房屬于裝配式建筑的一種形式,模塊化強,方便運輸,主要用于災后重建、工地宿舍、辦公建筑、郊外值守等,是綠色建筑背景下的新型建筑形式之一,有很大的利用潛力[2]。

PV/T集熱器是太陽能光熱、光電技術的綜合利用,以提高太陽能綜合利用率[3-5]。PV/T集熱器一方面可以直接向建筑供熱,另一方面產生的電能可以驅動空氣源熱泵及循環泵運行,從而實現自給自足的全工況的建筑供熱。因此,PV/T集熱器為集裝箱建筑向近零能耗發展提供了可能。目前,對PV/T集熱器聯合空氣源熱泵系統的研究有很多。周偉等人[6]研究了一種PV/T集熱器聯合空氣源熱泵熱水系統,通過實驗方式對熱水系統在不同運行模式下的性能進行了研究,結果表明,與單純太陽能模式、單純空氣源熱泵模式相比,PV/T集熱器聯合空氣源熱泵熱水系統的性能有所提升,制備熱水時間縮短,光電轉換效率比單純光伏系統提升25.8%。曲明璐等人[7]對PV/T集熱器聯合空氣源熱泵系統的全年火用損進行了模擬及實驗驗證,結果表明,PV/T集熱器聯合空氣源熱泵系統全年火用損小于單純光伏系統、單純空氣源熱泵系統。王崗[8]對PV/T集熱器聯合空氣源熱泵熱水系統進行了實驗研究,結果表明,PV/T集熱器聯合空氣源熱泵熱水系統性能優越,在寒冷地區有一定推廣價值。

本文針對集裝箱建筑供暖、生活熱水需求,以熱負荷自給自足為目標,搭建離網式(不具備電網接入條件)PV/T集熱器聯合空氣源熱泵供熱系統(簡稱聯合供熱系統)。以單個集裝箱房為例,限定聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間,采用Hooke-Jeeves算法,以最小費用年值為目標,對聯合供熱系統配置進行優化。

2 建筑概況及負荷分析

2.1 建筑概況

設置于北京市大興區的集裝箱房外觀見圖1。集裝箱房采用國際通用的尺寸標準,內部可利用面積為14.25 m2,屋面可利用面積為18 m2,外形尺寸(長×寬×高)為6.055 m×2.990 m×2.796 m,內部尺寸(長×寬×高)為5.845 m×2.780 m×2.490 m。外門(朝正西)為鋼制保溫門,尺寸(寬×高)為0.840 m×2.035 m,傳熱系數為3.0 W/(m2·K)。東向、西向外窗尺寸相同,實際尺寸(寬×高)為1.15 m×1.10 m,窗框為塑鋼材質,玻璃采用5 mm厚玻璃+9 mm厚中空層+5 mm厚玻璃的中空玻璃,傳熱系數為2.75 W/(m2·K)。實體圍護結構做法、傳熱系數見表1。集裝箱結構強度可抵抗長距離運輸對結構的影響,結構設計使用年限為20 a。PV/T集熱器安裝在屋面,根據屋面有效利用面積,最大可敷設7塊尺寸(長×寬)為2 094 mm×1 038 mm的PV/T板(即光伏光熱板),有效集熱面積取15.19 m2。PV/T集熱器安裝傾角(與水平面夾角)為30°。單塊光伏板最大發電功率為450 W。

圖1 集裝箱房外觀

表1 實體圍護結構參數

2.2 負荷計算

該集裝箱房作為臨時辦公用房,滿足兩人的供暖和生活熱水需求,不考慮非供暖時間的防凍需求。采用DeST動態能耗模擬軟件對供暖期(11月15日至次年3月15日)供暖負荷進行模擬,設計參數見表2。模擬氣象數據來源于Energy Plus數據庫北京地區典型年氣象數據。模擬結果顯示,尖峰熱負荷為3.0 kW,全年累積熱負荷量12 72.81 kW·h。

辦公建筑對生活熱水溫度要求較低,只用于洗手池等用熱水設備,根據GB 50015—2019《建筑給排水設計標準》,人均用水量為5～10 L/(d·人),本文設置為8 L/(d·人),集裝箱房設計人數為2人,計算可得日總用水量為16 L/d,生活熱水設計熱負荷為46.8 W。生活熱水逐時用水率見表3。時間編號1表示[0:00,1:00),編號2表示[1:00,2:00),以此類推。

表2 設計參數

表3 生活用熱水逐時用水率

3 聯合供熱系統與仿真模型

3.1 聯合供熱系統

聯合供熱系統流程見圖2。循環介質流經PV/T集熱器吸收太陽能并將熱量儲存在蓄熱水箱中,由蓄熱水箱為用戶供暖、供生活熱水。為保證寒冷地區供暖期系統正常運行,循環介質采用冰點為-35 ℃、體積分數為50%的丙二醇防凍液。PV/T集熱器發電優先滿足供熱系統用電,剩余電量可供集裝箱房用電設備使用。PV/T集熱器發電效率易受環境溫度、太陽輻照度影響,為使聯合供熱系統與建筑負荷特性協同,配備蓄電池和蓄熱水箱,以提高太陽能利用率。

采用PID控制器調節PV/T集熱器流量,控制PV/T集熱器出水溫度為45 ℃,當太陽輻照度減弱,PV/T集熱器流量小于額定流量5%時,集熱循環泵停止運行。當蓄熱水箱溫度低于40 ℃時,熱泵機組、熱泵循環泵啟動,加熱水箱,直至水箱溫度高于45 ℃,熱泵機組、熱泵循環泵停止運行。

圖2 聯合供熱系統流程

根據集裝箱房的尖峰熱負荷及聯合供熱系統逐時能量平衡計算結果,完成主要裝置選型。7塊光伏板串聯,額定發電功率為3.0 kW。聯合供熱系統主要設備額定參數見表4。蓄電池電壓為24 V,額定電量為400 A·h,即額定電能為9.6 kW·h。為方便分析與計算,本文將蓄電池額定電能稱為蓄電池容量。

表4 聯合供熱系統主要設備額定參數

3.2 仿真模型

聯合供熱系統仿真模型見圖3。外部氣象文件調用Type15-3模塊,PV/T集熱器調用Type50b模塊,空氣源熱泵調用Type941模塊,蓄熱水箱調用Type534模塊,集熱循環泵調用Type110模塊,熱泵循環泵、供暖循環泵調用Type114模塊,逆變控制器調用Type48b模塊,蓄電池調用Type47a模塊,集熱循環泵PID控制器調用Type22模塊,熱泵循環泵控制器調用Type2b模塊。

3.3 評價指標

PV/T集熱器日集熱效率ηh的計算式為:

(1)

式中ηh——PV/T集熱器日集熱效率

Qu——集熱器日得熱量,J

n——7:00—17:00有太陽輻射時段(每時段1 h)數量

Ei——入射到PV/T集熱器傾斜表面的逐時太陽輻照度,W/m2

A——PV/T集熱器有效集熱面積,m2

式(1)中,集熱器日得熱量根據循環介質質量流量、進出口溫差、計算時間(1 d)計算得到。循環介質比定壓熱容取3 628 J/(kgK)。

光伏板日光電轉換效率ηpv的計算式為:

(2)

式中ηpv——光伏板日光電轉換效率

Pi——PV/T板逐時發電功率,W

圖3 聯合供熱系統仿真模型(軟件截圖)

選取熱泵機組日制熱性能系數評價熱泵機組制熱性能。采用日太陽能保證率評價聯合供熱系統太陽能利用程度,日太陽能保證率為PV/T集熱器日得熱量與聯合供熱系統日供熱量的比。

4 性能分析及系統優化

4.1 性能分析

供暖期PV/T集熱器日集熱效率隨時間的變化見圖4。由圖4可知,PV/T集熱器最大日集熱效率為31.78%,供暖期平均日集熱效率為20.6%。供暖期PV/T板日光電轉換效率隨時間的變化見圖5。由圖5可知,PV/T板最大日光電轉換效率為16.52%,供暖期平均日光電轉換效率為12.76%。供暖期熱泵機組日制熱性能系數分布見圖6。由圖6可知,熱泵機組日制熱性能系數均分布在2.4以上,供暖期平均日制熱性能系數為2.94。

圖4 供暖期PV/T集熱器日集熱效率隨時間的變化

圖5 供暖期PV/T板日光電轉換效率隨時間的變化

圖6 供暖期熱泵機組日制熱性能系數分布

PV/T集熱器日供熱量、熱泵機組日供熱量隨時間的變化見圖7。由圖7可知,在供暖期,PV/T集熱器發揮了主要作用。由模擬結果可知,供暖期平均日太陽能保證率為81.89%。

圖7 PV/T集熱器、熱泵機組日供熱量隨時間的變化

供暖期聯合供熱系統日發電量、日耗電量隨時間的變化見圖8。由圖8可知,除嚴寒期部分時間外,供暖期聯合供熱系統發電量可滿足自身用電需求,富裕電量可儲存在蓄電池中。經計算,考慮蓄電池作用后,聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間為31.36 h。

圖8 供暖期聯合供熱系統日發電量、日耗電量 隨時間的變化

4.2 系統優化

以最小費用年值為目標函數,采用TRNSYS軟件中的TRNOPT插件調用Genopt優化程序,對聯合供熱系統進行優化。優化變量包括PV/T集熱器安裝傾角、PV/T集熱器有效集熱面積、蓄熱水箱容積、蓄電池容量、熱泵機組額定制熱量,優化變量的取值范圍及迭代步長見表5。以最小費用年值為目標函數對聯合系統進行優化,允許聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間為48 h。聯合供熱系統主要設備單位購置費見表6。循環泵購置費、管道材料購置費以及設備安裝費按主要設備總購置費的10%計算,并與主要設備總購置費構成系統造價。年維護費按系統造價的1%計算。

表5 優化變量的取值范圍及迭代步長

表6 聯合供熱系統主要設備單位購置費

費用年值Z的計算式為:

(3)

式中Z——費用年值,元/a

i——利率,取0.05

m——聯合供熱系統壽命,a,取15 a

F——系統造價,元

C——年維護費與年懲罰費,元/a

當聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間超過48 h時,年懲罰費為104元/a。

由仿真結果可知,優化后聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間37.9 h,滿足限定條件,未產生懲罰費。優化變量的優化結果見表7。優化前后系統評價指標見表8。由表7可知,優化前后PV/T集熱器安裝傾角、熱泵機組額定制熱量未發生變化,PV/T集熱器有效集熱面積、蓄熱水箱容積、蓄電池容量有不同程度降低。由表8可知,優化后各項系統性能指標合理。與優化前相比,費用年值減少12.2%。

表7 優化變量的優化結果

表8 優化前后系統評價指標

5 結論

① 優化后聯合供熱系統發電量不滿足耗電量的時間37.9 h,可基本實現熱負荷自給自足。

② 優化后,主要設備容量保持不變或有不同程度降低,各項系統性能指標合理。與優化前相比,費用年值減少12.2%。