王丽文 吕 建 霍雨霞 李 营

（1天津大学建筑设计研究院 天津 300073 2天津城建大学 天津 300384）

引言

由于空调的使用给公用电网带来了巨大的负担。然而，太阳辐射量相当丰富，光伏并网发电系统可以成为满足空调系统重负荷需求的理想选择[1]，并可能降低公用电网的峰值负荷功率[2]。

SANYO于1993年开发了第一台将PV与空调系统结合的产品[3]，实验表明，该系统可以提供50%的空调夏季用电[4]。当光伏发电效率不高时，空调可能会切换到电网。

以往研究都是关于光伏空调系统仅有基础的系统性能模拟，对光伏空调的研究主要集中在住宅建筑的单体和小型系统，对于光伏空调系统在寒冷地区的办公建筑类型的光伏空调的适用性和使用性能、缺乏深入的实验研究。

1 实验研究

1.1 实验系统设计

实验系统主要包含了控制器、逆变器、PV板、以及太阳辐照测试仪、铂热电阻、等用于测试相关参数的测量仪器。实验系统原理图如图1所示。

图1 实验系统原理图

表1 PV模块性能参数

实验中使用TBQ-2C型总辐射表进行太阳辐射强度的测量以及对PV模块背板温度、室外环境温度以及室内温度进行了测量和采集，PV模块背板温度测点布置图如图2所示。自动气象站系统由气象传感器、气象数据采集仪和计算机气象软件三部分组成。

图2 背板温度测点布置图

表2 光伏环境检测测量仪参数

1.2 系统的工作模式

根据表3定义的天气模式分析了三个典型的日子，如晴天，多云、以及阴天或雨天。为了减少环境温度变化的影响，选择三个典型天数尽可能接近。其操作结果分析如下型。

表3 天气模式

1.3 系统性能的评价指标

在空调需求特定的情况下，空调的驱动供应可以来自两个来源：PV板（直接）和电网。同样，PV系统产生的能量可以Eload有两个目的地：光伏空调和电网。用于评估太阳能空调系统性能的标准指标称为太阳能保证率（SF）。在并网光伏空调系统中，SF可以定义为：

在上述公式中，EPV-load在并网系统情况下不等于EPV，因为PV面板提供的能量没有完全用来运行空调；而是将其中的一部分发送给电网。因此，与通过光伏阵列提供所有电力的独立系统不同，EPV-load被定义为用于驱动空调的光伏发电部分。SF表示将光伏系统集成到空调系统时的节能比。

当考虑产生和消耗能量的平衡时，EPV除以Eload也是有意义的。因此，一个新的指标净太阳能分数（NSF）可以被定义为：

NSF代表了用于评估可再生能源系统的能量匹配水平的指数。

2 实验结果分析与讨论

2.1 晴天情况下系统性能分析

图3显示了2018年8月4日这个典型的晴天的天气状况和运行数据。如图3所示，日出时间早上大约6点半。6时30分至8时，空调未使用光伏发电，全部上网。8点，空调开始工作，负载能力迅速上升到最高值，然后下降。这个顺序是因为建筑结构有一个很大的热惰性。因此，从上午8点到10点，负载功率高于发电功率，并且由电网提供不足的电力。从12：00到13：00，由于员工中午休息，负载功率急剧下降，负载功率受到限制。同时发电功率在13：00达到峰值，发电功率大于10时至15时的负荷功率。剩余电量输送到电网。从15：00到18：30，随着光照强度的减弱，发电量在减少，而此时负载功率也在减小并且一直小于发电量。电网不需要提供额外的电力。从图中也可以看出，发电功率的峰值比太阳辐照强度的峰值稍晚。这种现象是由于太阳能电池板温度的影响。此外，负载功率随着环境温度的下降而下降，直到空调关闭的时结束运转。

图3 典型天气状况—晴天情况下光伏空调的性能

2.2 多云情况下系统性能分析

光伏空调系统在高峰期（2018年8月5日）的瞬时性能如图4所示。由于云层的辐射阻挡作用，所产生的电量在阴天显著波动并保持在较低的值。因此，从8点到18点30分，负载耗电量总是高于发电量——除了中午的两点到三点的一段时间。

图4 典型天气状况—多云情况下光伏空调的性能

2.3 阴天情况下系统性能分析

在下雨天，如图5所示，由于在空调启动时辐照度较低，发电量低于负载的耗电量。因此，大部分耗电量电由电网提供。

图5 典型天气状况—阴天情况下光伏空调的性能

2.4 不同天气状况的能量性能比较

表4表明晴天发电量在三个典型日最大，而下雨日发电量最低。三个典型日的负荷耗电量值是相似的。在雨天，太阳辐照度和环境温度较低，建筑物负荷相应减少。因此，下雨天的负荷耗电量比其他日子略低。对于SF和NSF来说，趋势是相似的：随着天气的改善，数值会增加，意味着在阳光明媚的日子里，PV空调机组性能最好，而在雨天则表现最差。SF表示光伏板提供的驱动空调的那部分能源消耗与总能耗的比值，NSF表示光伏板所产生的总能量，包括并入电网的能量与总能耗的比值。但是，SF和NSF不成比例。在阳光充沛时，NSF和SF之间的差异大于雨天。这种差异意味着在晴天有更多的电力传输到电网，如果能量存储被纳入系统，SF可以增加。实际上NSF可以看作是储能装置建成时SF达到的最大值。

表4 不同天气模式系统性能比较

3 模拟研究

基于上述的TRNSYS仿真模拟软件建立系统的仿真模型，模拟了制冷季并网光伏空调系统的性能、供暖季并网光伏空调系统的性能以及过渡季节并网光伏空调的性能。

3.1 系统模型建立

系统中包含了光伏模块、空气源热泵、建筑模块等部件，结合TRNSYS软件中各模块功能及特点调用对应模块，并依据各模块间关系搭建系统模型，其中最主要的部分是用于模拟PV组件的Type194模块。使用Type109-TMY2模块读取格式为TM2的气象数据文件，并调用其中参数至PV模块。所搭建系统模型如图6所示。

图6 TRNSYS软件中的系统仿真模型示意图

4 模拟结果分析与讨论

系统性能模拟分析，包括每个月光照强度的在不同方位角、不同倾角下的辐射量的分析，进而得到每个月的辐射量，根据每月的辐射量，可以确定全年辐射量最大时，全年最佳安装倾角、不同季节的最佳安装倾角。

4.1 方位角和安装倾角的分析

图7 一月份全方位角、不同倾角的太阳辐射量

图8 七月份全方位角、不同倾角的太阳辐射量

以供暖季和供冷季的一月和七月为例，得出不同方位角、不同倾角下太阳辐射量的大小，如图7和图8所示。由图7可知，在一月份，当倾角为0°时即光伏板水平放置的时候，光伏板所接收到的太阳辐射强度都处于黄色区域（七月份处于紫色区域），而数据也显示是恒定不变的。当方位角一定时，倾斜面上接收到的平均日辐射量随倾角的增大表现都是先增加再减小。对于某一固定的倾角，方位角为0°时接收到的平均日辐射量最大，而后其值随着方位角的增大逐渐减小。进而得到一月份的最佳方位角为面向南，安装倾角为60°。此时太阳辐射量最大，值为3.324 kWh/m2·d；七月份的最佳方位角为面向南，安装倾角为10°。此时太阳辐射量最大，值为4.832 kWh/m2·d。

4.2 季节最佳倾角的分析

光伏与空调进行结合，具有季节性，过渡季节空调并不开启，考虑到这一特点，同时也为了使得光伏与空调更好的结合，提高光伏与空调的匹配指数，进而考虑季节最佳倾角。

图9 不同倾角下光伏板的发电量

图9表示了不同季节在不同倾角下光伏板的发电量。对于供暖季而言，发电量先增大后减小，在60°时达到最大值，此时倾角较大；对于制冷季而言，发电量在10°达到最大值，此时倾角较小，这与全年太阳高度角的变化有较好的对应。夏季太阳高度角较大时，倾角越小接收到日辐射量越多；冬季太阳高度角较小时，倾角越大越有利于太阳辐射的接收。不同季节在朝向正南方向的时候最佳安装倾角，供暖季的最佳安装倾角为60°；由春天向夏天的过渡季节的最佳安装倾角为20°；制冷季最佳安装倾角为10°；由夏季向秋季的过渡季节的最佳安装倾角为40°。

4.3 匹配指数的性能分析

在整个供暖季，按照季节最佳安装倾角时，并网光伏空调系统63%都可以完全由光伏发电带动空调运转（按照全年最佳倾角时51%）；在整个制冷季的并网光伏空调系统75%都可以完全由光伏发电带动空调运转（按照全年最佳倾角时65%），而且制冷季除了不能正常满足运行，在能满足正常运行的时候，发电量远远大于空调的耗电量，此时按照季节最佳安装倾角时，制冷季的SF的平均值为1.14，供暖季的SF的平均值为0.9。

图10、11分别表示了供暖季—季节最佳倾角与全年最佳倾角匹配指数、制冷季—季节最佳倾角与全年最佳倾角匹配指数在一个月中的对比。由图10可知，在全年最佳安装倾角时，低于匹配水平的百分比为：37%，采用季节最佳倾角时，低于匹配水平的百分比为：20%；相对降低了46%；由图11可知，在全年最佳安装倾角时，低于匹配水平的百分比为：53%，采用季节最佳倾角时，低于匹配水平的百分比为：23%；相对降低了57%。

图10 供暖季—季节最佳倾角与全年最佳倾角匹配指数对比分析

图11 制冷季—季节最佳倾角与全年最佳倾角匹配指数对比分析

4.4 季节最佳倾角的与全年最佳倾角全年性能分析

图12 全年最佳倾角和季节最佳倾角情况下不同季节发电量对比

由图12可知，春天向夏天过渡时，两种倾角的发电量差别不大，主要差别在供暖季与制冷季以及秋向冬的过渡季。按照季节最佳安装倾角进行光伏板的安装时，全年的发电量为：21481.32 KWh/y；按照全年辐射量最大即全年发电量最大时的安装倾角进行光伏阵列的安装时，全年发电量为：20447.57 KWh/y；按照季节最佳倾角时的全年发电量比按照全年最佳安装倾角时的全年发电量大1033.75 KWh/y。

结语

本文围绕寒冷气候区办公建筑，采用理论研究、模型建立和实验验证的方法，对光伏空调系统季节倾角进行了研究，得到的结论如下：

（1）系统光电效率随辐射强度增大而增大，基于寒冷地区办公建筑，分析空调系统在不同季节不同天气状况下（晴天，阴天，多云等天气）的负荷需求与太阳能光伏功率输出之间的匹配关系，实验数据表明，晴天发电量可以达到87.27 kWh，匹配指数可以达到1.032。

（2）通过对系统全年性能进行模拟，得到光伏空调系统在全年最佳安装倾角时全年发电量为77211.25MJ，而按照季节最佳倾角最佳安装倾角时全年发电量为80932.75 MJ，相比于全年最佳安装倾角的发电量提高了5%。

（3）通过对不同季节在朝向正南方向的时候安装倾角的模拟，得出季节最佳安装倾角，即供暖季安装倾角为60°；由春天向夏天过渡季节的安装倾角为20°；制冷季安装倾角为10°；由夏季向秋季过渡季节的安装倾角为40°。在采暖季季节倾角的匹配指数可以达到1.65，相比于全年最佳倾角的1.36提高了21.32%；在制冷季的匹配指数可以达到1.96，相比于全年最佳倾角的1.85提高了5.95%。