孟昱 周浩泽 董学香 马小雅 南成斌 蒋爽

摘 要：我国建筑采暖和空调能耗在社会总能耗中占有较大的比重，增加太阳能等可再生能源在建筑中的应用是实现能源与环境可持续发展的一条途径。太阳能光伏/光热（PVT）技术可最大限度地利用太阳能，但目前太阳能利用受天气、季节性气候影响而无法稳定提供能量，并且PVT系统的发电和产热效率相互制约。本文提出一种新颖的PVT系统，包含PVT板、热泵机组、地埋管、辅助热源或辅助冷却塔、多功能逆变器、电化学储能装置、热水储水箱、电控柜等，可实现太阳能资源全年的最大化应用，满足建筑空调、热水、采暖和供电需求。

关键词：太阳能光伏/光热;地埋管;热泵;建筑节能

中图分类号：TU822文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0133-04

Energy-saving Analysis of a Solar Energy Cross-season Application System for Building Air Conditioning

MENG Yu ZHOU haoze DONG Xuexiang MA Xiaoya NAN Cheng Bin JIANG Shuang

（School of Civil Engineering， Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116600）

Abstract： China's building heating and air conditioning energy consumption accounts for a large proportion of the total energy consumption in society， increasing the application of renewable energy such as solar energy in buildings is a way to achieve sustainable development of energy and environment. Solar photovoltaic/photothermal （PVT） technology can maximize the use of solar energy， but the current solar energy utilization is affected by weather and seasonal climate and cannot provide energy stably， and the power generation and heat generation efficiency of PVT systems are mutually restricted. This paper presents a novel PVT system， including PVT board， heat pump unit， buried pipe， auxiliary heat source or auxiliary cooling tower， multi-functional inverter， electrochemical energy storage device， hot water storage tank， electric control cabinet， etc.， which can realize the maximum application of solar energy resources throughout the year， and meet the needs of building air conditioning， hot water， heating and power supply.

Keywords： solar photovoltaic / photothermal;buried pipe;heat pump;building energy-saving

在能源消耗中，建筑能耗在社會总能耗中占有非常大的比重。我国建筑采暖和空调能耗约占建筑总能耗的55%[1]，随着我国经济的不断发展，人们逐渐提高建筑室内环境的舒适度要求，建筑能耗比重将会持续提高[2-3]。实现建筑节能，很重要的是要降低占主要比例的采暖和空调能耗，其主要手段有二[4-5]。一是改进能源利用技术，提高能源利用效率，减少能源浪费，即所谓的“节流”。二是开发利用清洁可再生能源，即所谓的“开源”，这是人类必须寻求的一条能源与环境可持续发展的战略道路。

在众多可再生能源中，太阳能是可再生能源中应用最广的能源之一。太阳能在建筑中的应用方式主要是太阳能低温光热（PT）利用和太阳能光伏（PV）利用两种。具体形式包括太阳能热水器、太阳能供热、太阳能空调和太阳能电池等[6]。PVT系统是集太阳能光伏发电和光热于一体的系统，又被称为太阳能光伏光热联产系统，如图1所示。一个典型的PVT集热器结构主要包含前面的PV板、玻璃盖板以及后面的铜管（内部通水）和岩棉保温材料，如图2所示。

在PVT系统应用的研究中，大多将PVT应用于建筑领域，为建筑提供电力，同时提供生活用热水或者/和采暖用热水，可以极大地降低建筑能耗，这是绿色建筑、零能耗建筑发展的一个重要技术手段。然而，太阳辐射热量有很大的不稳定性，如能量密度极低、周期性变化、受天气影响大等缺点。因此，将PVT系统产生的能量用于建筑供能，会存在如下问题：阴雨天气及晚上等日照不充足的时间无法保证光热转换效率，供热不连续;夏季不需要供热时，如果不采取散热措施，光热集热后太阳能电池背板温度过高会造成电池板的光伏发电效率下降，而排掉多余的热量会造成能源浪费;人们对夏季空调的需求越来越多，而现有的PVT系统无法提供空调功能;PVT提供的热水温度和发电效率之间存在矛盾，需要的热水温度越高，PVT发电效率越低。

综上，针对PVT系统应用的不足，有必要提出一种新型系统，保障PVT系统高效运行，实现太阳能全年的最大化利用，在满足建筑热水/供暖的同时能够提供空调的功能，这对于太阳能的高效利用具有重要的应用价值。

1 系统介绍

针对PVT系统用于建筑领域面临的问题，本文提出一种新颖的系统，如图3所示。该系统由PVT组件、电动热泵、地埋管、辅助热源或辅助冷却塔、多功能逆变器、电化学储能装置、热水储水箱以及电控柜等组成。其中，PVT组件将太阳能转换为电能和热能;电动热泵用于实现热量在空调建筑、PVT组件、地埋管等之间的转移;地埋管用来实现季节性蓄热[7-8]，即在夏季太阳能热量充足时，将多余的热量储存于地埋管周围的土壤中，在冬季需热量大时，从土壤中直接取热或者利用地源热泵机组从土壤中提取热量，供给建筑使用;辅助热源可以是燃气锅炉、电锅炉等，当系统供热能力不足时，启动辅助热源，保证建筑供暖需求;辅助冷却塔用于极端工况，即当地埋管内流体温度过高而影响PVT正常发电时，启动辅助冷却塔，将热量散发到空气中;多功能逆变器主要功能是将PVT产生的直流电转换为工频交流电，供给建筑使用;电化学储能装置用于储存PVT富余电能;热水储水箱用于储存热水，供给建筑使用。图3所示的系统可以实现能量的多种转移，下面举例说明。

1.1 夏季运行模式

夏季使用分为有太阳辐射和无太阳辐射、有无空调需求、有无热水需求的情况。

当太阳辐射充足、用户有热水需求时，PVT产生的热量可以直接对水进行加热，此时热量转移路径为PVT→热水储水箱;当太阳辐射不足或者热水温度不能满足使用时，电动热泵启动，此时热量转移路径为PVT→热泵→热水储水箱;当有太阳辐射、用户无热水需求时，PVT产生的热量直接储存于地埋管系统，此时热量转移路径为PVT→地埋管;当太阳辐射充足、用户无热水需求、PVT温度过高时，电动热泵启动，电动热泵给PVT降温的同时将产生的热量储存于地埋管系统，此时热量转移路径为PVT→热泵→地埋管;当无太阳辐射、有热水需求时，电动热泵启动，电动热泵从地埋管系统中取热，加热热水，此时热量转移路径为地埋管→热泵→热水储水箱。

如果用户有空调需求，则电动热泵切换为制冷模式，当没有热水需求时，电动热泵从建筑中取热，将生成的热量储存于地埋管系统中，此时热量转移路径为建筑→热泵→地埋管。当有热水需求时，电动热泵从建筑中取热，将生成的热量用于加热热水，可高效实现热回收，此时热量转移路径为建筑→热泵→热水储水箱。

若地埋管设计蓄热能力偏小，则在蓄热温度过高时，开启辅助冷却塔辅助散热，保证PVT正常发电或电动热泵正常运行。

1.2 冬季运行模式

冬季建筑主要有采暖和热水需求。工况仍然可以分为有太阳辐射和无太阳辐射、有无供暖需求、有无热水需求的情况。

当太阳辐射充足，建筑热负荷较小时，PVT可以直接满足建筑供暖需求，此时热量转移路径为PVT→建筑;当无太阳辐射、地埋管系统热量充足（满足供热温度）时，地埋管可以直接满足建筑供暖需求，此时热量转移路径为地埋管→建筑;当有太阳辐射时，若PVT和地埋管热量充足，则可直接向建筑供暖，此时热量转移路径为PVT+地埋管→建筑;当太阳辐射不足时，可利用电动热泵从PVT中提取热量，此时热量转移路径为PVT→热泵→建筑;当无太阳辐射、地埋管系统热量不足（不满足供热温度）时，可利用电动热泵从地埋管中取热，以满足建筑供暖需求，此时热量转移路径为地埋管→热泵→建筑，当太阳辐射不足、地埋管系统热量不足（不满足供热温度）时，可利用电动热泵同时从地埋管和PVT中取热，以满足建筑供暖需求，此时热量转移路径为PVT+地埋管→热泵→建筑;当电动热泵以最大能力运行仍然不能保证供热需求时，则启动辅助热源;当有热水需求时，系统先加热热水，待热水加热完毕后再进行供暖。

1.3 电力供应

建筑电力供应来自两方面：市电和PVT供电。PVT产生的直流电经多功能逆变器转换为工频交流电，供给建筑使用。

2 节能分析

如果不考虑热水需求，从能量平衡角度来看，建筑冬季需热量理论上应等于PVT全年产热量加上夏季空调建筑经由热泵向地埋管的放热量和热泵的耗电量。整个系统的能量输入、输出关系如图4所示，其中箭头表示热量转移的方向。

基于图4所示的能量转换关系，夏季建筑排热量经过热泵提取热量后的供热量为：

[Q3=Q2×（1+COPC）/COPC]        （1）

式中，[Q2]为建筑夏季排热量（年供冷量），kW·h/a;[Q3]为电动热泵提供的热量，kW·h/a;[COPC]为制冷能效系数。

基于能量守恒关系，式（2）成立，即

[Q4=Q1+Q3]                         （2）

式中，[Q1]为光伏产热量，kW·h/a;[Q3]为电动热泵提供的热量（建筑夏季排热量经電动热泵处理），kW·h/a;[Q4]为光热量与电动热泵提供的热量之和，kW·h/a。

供给建筑的总热量为：

[Q5=Q4（kCOPHCOPH-1+1-k）]                 （3）

式中，[Q4]为光伏产热量与电动热泵提供的热量之和，kW·h/a;[Q5]为供给建筑的总热量，kW·h/a;[k]为冬季电动热泵运行时从PVT和地埋管中提取的热量占总热量的百分比，设计取为20%，另一部分热量由于供水温度达标可以直接供给建筑;[COPH]为热泵制热能效系数。

建筑夏季排热量计算公式为：

[Q2=Aqc]                              （4）

式中，[A]为建筑面积，m2;[qc]为年耗冷量指标，kW·h/（m2/a）。

建筑冬季总需热量与总供热量相等，满足如下关系：

[Q5=Aqh]                              （5）

式中，[qh]为年耗热量指标，kW·h/（m2·a）。

以大连市典型办公建筑为例，经核算，其年耗热量指标[qh]=35 kW·h/（m2·a），年耗冷量指标[qc]=10 kW·h/（m2·a），电动热泵采暖季和空调季平均性能系数按照3.0[9]计算，大连市太阳辐照量为1 408 kW·h/（m2·a），年日照总时数为2 500～2 800 h，PVT发电效率取18%，产热效率取54%。PVT组件按照1 000 m2计算，则发电量[P]=1 000 m2×1 408 kW·h/（m2·a）×18%=253 440 kW·h/a，年理论产热量[Q1]=1 000 m2×1 408 kW·h/（m2·a）×54%=760 320 kW·h/a。

联立式（1）至式（5），求出[A]=41 132 m2、[Q2]=411 321 kW·h/a、[Q3]=548 428 kW·h/a、[Q4]=1 308 748kW·h/a、[Q5]=1 439 622 kW·h/a，即基于本文所建立的PVT供能系统，1 000 m2的光伏组件可满足41 132 m2建筑供暖及空调使用需求。

相对于燃煤锅炉供暖方式，每年约减少标准煤燃煤用量253 t（按照[Q5]=1 439 622 kW·h/a计算，锅炉效率取70%），根据《节能低碳技术推广管理暂行办法》（发改环资〔2014〕19号）文件内容，每吨标准煤燃烧排放2.64 t CO2，经计算，CO2减排量为668 t。

3 结论

针对PVT系统用于建筑领域面临的问题，本文提出一种新颖的系统。该系统由PVT板、热泵机组、地埋管、辅助热源或辅助冷却塔、多功能逆变器、电化学储能装置、热水储水箱以及电控柜等组成。该系统可实现太阳能资源全年的最大化应用，可实现太阳能的跨季节应用，满足建筑空调、热水和采暖的需求，并将产生的电能供给建筑使用。以1 000 m2的PVT系统为例，该系统可满足4.1万m2建筑空调需求，与燃煤锅炉采暖方式相比，每年减少标准煤用量253 t，相应减少CO2排放668 t。

参考文献：

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[8]张方方.季节性蓄热的太阳能-地源热泵复合系统的研究[D].济南：山东建筑大学，2010：27-28.

[9]蒋爽，杜伟，姜红晓.低环境温度空气源热泵的设计及其在我国寒冷地区的应用[J].制冷与空调，2012（5）：39-44.