杨润月 孔佳树 杨艺超 王 静

（山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250000）

1 电与太阳能集热辅助空气源热泵对于节能

随着科技的发展与社会的进步，能源短缺和环境污染形式愈发严峻，建筑能耗作为我国能源消耗的重要组成部分，已经成为不可小觑的问题。在实际的建筑节能中，可以从围护结构，能源来源，能源利用方式等多种方面进行节能优化。本文主要研究不同的能源利用方式，即光伏发电与太阳能集热辅助空气源热泵对于节能的优化程度。

本文基于山东建筑大学科技楼六楼的现有系统，分别对多联机太阳能集热辅助空气源热泵系统和太阳能光伏发电辅助空气源热泵进行模拟计算，分析对比这两种系统的节能潜力。

1.1 地理环境

济南市地处北纬36°36′，东经117°03′，海拔170.3m，属于温带大陆性季风气候，日照时间充足，年平均气温13.6°C，1 月气温最低，平均气温约为-1.9°C，7 月气温最高，平均气温约为27°C，年平均降雨量614 毫米。济南市的自然气候条件具有光照时间长，气候环境温度高，天空状况良好等特点，济南市太阳能资源丰富，热状况优越，太阳能利用具有极大的发展空间。

济南地区太阳能资源丰富，年内太阳总辐射强度大于100W/m2的日照时数占全年近90%，因此，在济南地区应充分利用太阳能资源优势。

首先，光伏发电与太阳能辅助空气源热泵系统均基于太阳辐射等参数，因此通过查取《济南市太阳能能源评估初探》[1]]，得到济南市关于太阳能资源在冬季三个月份内（12月，1 月，2 月） 的各参数信息。

表1 济南地区太阳辐射实测值

分析上表数据，得到济南冬季平均日照时长为168.27h，太阳能辐射量平均值为350.67MJ/m2，日照百分率平均值为55.67%。

1.2 项目背景

通过实地测量集热器尺寸，得到科技楼楼顶的太阳能有效集热板面积公式：

计算可得太阳能集热器有效集热面积为42.0552m2，由于太阳能集热器为圆柱形水管紧密排列组成，实际集热面积还需考虑圆弧处，故实际集热面积会比计算结果要大，因此可类比假设光伏板有效面积为48m2。

图1 太阳能集热器尺寸

在本文中，取山东建筑大学5 楼现有设备2019 年1 月14 日-1 月18 日的实测值作为典型数据进行分析。取这五天内同时刻太阳辐射量的平均值，利用matlab 编程得到图2：

图2 1 月14 日至1 月18 日逐小时太阳辐射量平均值

图2 即为在所取时间段内逐小时太阳辐射量的平均值，通过分析得到，太阳辐射量在冬季一标准天内存在波动和峰值，丛7AM 开始逐渐上升，10AM 左右达到接近峰值，然后在峰值附近波动，一直到3PM，太阳辐射量开始逐渐降低直至夜晚。

2 太阳能辅助空气源热泵分析

太阳能辅助空气源热泵系统位于山东建筑大学六楼，主要包含热管太阳能水管集热器，空气源热泵室外机组，制冷剂—水换热器，集热水箱，集热水泵，毛细管辐射末端，阀门部件和控制系统。

通过对该系统的实测，可得太阳能集热系统运行期间[2]，太阳能集热器内水温在35～75°C 不等，经系统循环使蓄热水箱内水温维持在32°C 以上，通过末端散热后，室内温度能够维持在18～22°C，因此太阳能辅助空气源热泵系统可以达到长时间为科技楼六楼进行稳定供暖。故在常规（即非雨雪，多云） 天气下，太阳能集热系统可以对室内进行稳定供暖，基本满足要求。

太阳能集热供暖为即时的，蓄热能力较小，故供热时间长短受到日出日落时刻的影响，且十分受天气条件限制。

科技楼使用时间多为白天，夜晚热负荷较小，故利用太阳能集热系统能够满足要求。

3 光伏发电系统分析

由于实际情况的限制，科技楼只存在现有太阳能辅助空气源热泵集热部分，因此我们利用Pvsyst 对光伏发电系统进行仿真模拟。

光伏发电系统由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。

通过对该系统的模拟计算，可知在运行期间，光伏发电面板若采用晶硅光伏系统，则冬季发电量为5917.68MJ/a，即1643.8KWh/a；若采用薄膜光伏系统，则冬季发电量为2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

因此光伏发电系统可以达到长时间为科技楼六楼进行较为稳定供暖。故在常规（即非雨雪，多云） 天气下，光伏发电系统也可以对室内进行稳定供暖，基本满足要求。

利用太阳能这种低品位能源所转化成的电能属于高品味能源，利用电能来取暖是一种较为消耗能源的方式。

科技楼使用时间多为白天，夜晚热负荷较小，故利用光伏发电系统能够勉强满足要求。

4 太阳能辅助空气源热泵与光伏发电系统对比分析

根据现有设备，科技楼六楼屋顶太阳能放置区域布置了太阳能水管集热器，安装倾角31.6°，有效集热面积42.0552m2，根据本文研究内容，假设在该区域覆盖同等面积光伏板，考虑集热器水管存在部分自身遮挡，取光伏发电面积为48m2。由太阳能辅助空气源热泵产生的热水和光伏发电板产生的电力均供给六楼多联机系统。

4.1 太阳能辅助空气源热泵节能分析

太阳能系统季节产热量计算公式：

式中：AZj——太阳能系统有效集热面积（m2）；

JT——集热器表面（安装倾角32°，方位角正南） 上年太阳能辐照总量[MJ/(m2·a)]，根据查取相关资料取4079 [MJ/(m2·a)]；

ηcd——集热器的年平均集热效率（%），按不同品牌集热 器实际产品测量数据所得，国家标准区间为45% ～55%，本文取48%；

ηL——热水经管路和贮水箱的热损失率（%），经验值约取15% ～30%，本文取20%；

ηd——太阳辐射量冬季系数（%），根据冬季（12、1、2 三个月份） 辐射总量与全年辐射总量之比求得，此处取12.3%。

计算可得，冬季太阳能系统产热量为8152.11MJ/a，即2264.48KWh/a。

4.2 太阳能光伏发电系统节能分析

太阳能光伏系统冬季发电量计算公式；

式中：A——太阳能光伏发电系统光伏板面积；

ηd——太阳能光伏系统光电转换率（%），参考山东省《可再生能源建筑应用测试评价标准》，取3 级系统效率，即晶硅光伏系统ηd=10%，薄膜光伏系统ηd=4%；

Ha——光伏板表面（安装倾角32°，方向角正南） 上单位面积年太阳辐照总量[MJ/(m2·a)]，取4079 [MJ/(m2·a)]。

ηD——光伏板接收太阳辐射量冬季系数（%），根据冬季（12、1、2 三个月份） 辐射总量与全年辐射总量之比求得，此处取12.3%。

计算得出，若采用晶硅光伏系统，则冬季发电量为5917.68MJ/a，即1643.8WKh/a；若采用薄膜光伏系统[4]，则冬季发电量为2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

将光伏系统年发电量折算成标煤并与热能相比较，电的折标煤系数为0.3kgce/（KWh），热力的折标煤系数为0.0341kgce/MJ，即0.1228kgce/（KWh），因此电力的节能量为热力的2.44 倍。则：晶硅光伏系统季节节能量约为1643.8 ；薄膜光伏系统季节节能量约为613.52 。

4.3 对比结果

通过理论计算与建模计算，分别得到了科技采用太阳能辅助空气源热泵系统或光伏系统的年节能量，具体数值见下表。

表1 科技楼采用太阳能辅助空气源热泵系统与光伏发电系统的季节节能量对比

由上表可知，若在该建筑物屋顶太阳能布置区域放置相同面积的热水管集热器或光伏板（晶硅/薄膜） 时，系统的年节能量表现出较大的差异。太阳能辅助空气源热泵系统（热水管） 的年节能量约为太阳能晶硅光伏系统年节能量的1.57倍，约为太阳能薄膜光伏系统年节能量的4.21 倍。对于太阳能光伏系统，晶硅系统的年节能量约为薄膜系统的2.68 倍。

5 结语

该建筑物（地处济南，山东建筑大学科技楼） 屋顶的太阳能辐照量丰富，大部分区域都适合安装太阳能集热器或光伏电池组件。太阳能集热器或光伏电池组件应安装在屋顶可利用屋面区域，即扣除建筑必要功能区域以外的区域。太阳能热水系统的年节能量最为显著，太阳能晶硅光伏系统次之，薄膜光伏系统最低。考虑到教室、办公室、实验室较多且分布集中，同时，综合考虑系统成本等因素，推荐该建筑优先采用太阳能集热系统[5]。

通过对该建筑屋顶太阳能辐照量模拟分析，及其采用太阳能集热系统和光伏系统年节能量的理论计算，可为其更加充分利用太阳能资源提供依据，并为济南市同类建筑太阳能热水系统与光伏系统的利用及推广提供了参考。