一种地源热泵－BIPV/T耦合系统的研究

2022-03-07杨先亮

太阳能 2022年2期

杨先亮，谭昊

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003)

0 引言

随着我国经济和社会的飞速发展，人们生活水平不断提高的同时，对能源的需求也在逐渐加大。但与此同时，我国也存在着化石能源短缺且能源利用率较低等问题，而且在化石能源利用过程中，不可避免地会对环境造成一定污染。近年来，我国建筑行业的发展势头正盛，截至2018年，我国建筑能耗占全社会总能耗的比例已高达30%[1]，且该比例仍在不断增大。因此，将可再生能源利用与建筑相结合将成为缓解建筑能源供应压力，实现建筑自我供电、供热，达到建筑节能目的的有效举措。

太阳能作为一种重要的可再生能源，具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、安全、清洁等优势。由于我国太阳能资源丰富，随着近年来国内太阳能利用技术的不断完善，太阳能已具备大力开发和利用的优越条件。为了达到建筑节能的效果，将光伏组件与建筑相结合的光伏建筑一体化(BIPV)系统应运而生。在BIPV系统中，光伏组件不仅可以作为发电设备，还可以充当部分建筑外围护结构，使其在发电的同时还能为建筑节省传统的建材，因此，BIPV系统在密集的城市建筑群中的应用前景广阔。

有研究表明，在运行过程中，光伏组件工作温度每升高1 ℃，其光电转换效率将下降0.5%左右[2]，因此光伏组件在发电的同时，对其进行冷却变得尤为重要。在标准测试条件(STC)下，晶体硅光伏组件的光电转换效率仅为12%～17%[3]，而此类光伏组件在实际运行过程中的光电转换效率将会更低。这意味着光伏组件产生的80%以上的能量将会以热的形式散失，若将这部分热能直接排入环境中，势必造成热能的严重浪费，也会降低对太阳能的利用程度[4-5]。因此通常采用通水的方式来冷却光伏组件，然后对冷却过程中得到的热水加以利用。基于此种方式形成了光伏光热(PV/T)系统，而此种系统与建筑相结合则出现了早期的光伏光热建筑一体化(BIPV/T)系统，该系统不仅具有发电及作为建筑外围护结构的功能，还能为建筑提供生活热水或进行供暖。当前，BIPV/T系统因具有独特的优势已逐渐受到关注，国内外研究学者们纷纷开展了与其相关的研究和探索。

由于传统的BIPV/T系统无法保证光热转换的连续进行，有研究学者提出将热泵技术与BIPV/T系统相结合。本文通过对当前国内外关于BIPV/T系统的研究现状进行分析后，针对当前建筑外围护结构中光伏可利用面积较大却未被完全利用及阴雨天光伏发电系统产生的余热供应不足这一问题，提出了一种将BIPV/T系统与地源热泵技术相结合的耦合系统，即地源热泵-BIPV/T耦合系统。首先分析了该耦合系统的运行模式，然后以该耦合系统中单位面积的南向BIPV/T墙体为例，模拟分析了其表面温度和得热量。

由于篇幅有限，本文只对南向的BIPV/T墙体进行了模拟，而将地源热泵-BIPV/T耦合系统广泛应用于建筑的外墙和屋顶后，能更显著地降低建筑冷热负荷。

1 BIPV/T系统的研究现状

早在1991年，Benemann等[6]就提出了光伏建筑一体化(BIPV)的概念，其主体思想是将光伏组件与建筑外围护结构相结合作为建筑表面，并利用光伏组件产生的电能为建筑供电，从而实现太阳能利用与建筑利用的一体化。而BIPV/T技术是在BIPV技术的基础上发展而来，BIPV/T技术增加了对光伏组件运行过程中的冷却和对其产生的多余热量的利用(即余热利用)，现已成为各国竞相发展的技术热点[7-8]。

1.1 BIPV系统及BIPV/T系统对建筑冷热负荷影响的研究

BIPV/T系统采用的是在建筑外墙(或屋顶)上集成光伏组件的模式，这种模式改变了原有建筑的普通外围护结构，使建筑的冷热负荷发生了变化。为此，杨洪兴等[9]建立了将光伏组件铺设在建筑墙体(下文简称为“光伏墙体”)的传热模型，模拟了一面光伏墙体的得热量，并与未铺设光伏组件的普通墙体的得热量进行了比较。结果表明：在夏季，光伏墙体能有效降低由于墙体得热量升高而引起的空调冷负荷增加。但该研究并未给出具体的墙体得热量和空调冷负荷降低比例。在此研究的基础上，季杰等[10-13]深入研究了通水模式下的光伏热水一体墙系统及通风模式下的光伏热水一体墙系统。结果表明：在通风模式下，该系统中光伏墙体的得热量可减少约20%；而在通水模式下，该系统中光伏墙体得热量的减少量更是达到了50%。Mei等[14]对某光伏幕墙的热性能进行了研究，建立了该光伏幕墙的动态热模型，并根据所建立的动态热模型对该光伏幕墙在不同地区应用时的建筑冷热负荷进行了估算，由于该系统对空气的预热作用，冬季时该系统最多可以节省12%的供暖能源。

相较于光伏墙体，光伏屋顶有着光伏组件易安装、可利用面积大、能接收更多太阳辐射等优势，建筑的节能效果更为显著。Yang等[15]研究了带通风流道的光伏屋顶的热、电性能，研究结果表明：与普通屋顶相比，带通风流道的光伏屋顶可使建筑的冷负荷减少达65%。Wang等[16]以天津地区为例，对带通风流道、带封闭通风流道和无通风流道的3种光伏屋顶与传统屋顶的性能进行了比较。结果表明：带通风流道的光伏屋顶具有光伏发电效率高和建筑冷负荷低的优势，尤其适合在夏季应用；而在冬季，配置封闭通风流道的光伏屋顶具有建筑热负荷低与光伏发电效率高的优势，是最佳选择。Shao等[17]设计了一种新型PV/T屋顶，该屋顶在白天可以起到遮阳和减少表面热源的作用，而在夜间又能对建筑起到保温的作用。研究表明：该PV/T屋顶可使屋顶的得热量减少39.9%，使建筑冷热负荷减少38.6%。该研究不仅可为PV/T屋顶的热工设计提供理论支持，而且可为BIPV/T系统的推广应用提供重要参考。

光伏组件与建筑的结合会对建筑的空调系统产生不可避免的影响。秦红等[18]针对BIPV建筑中空调的负荷特点及节能对策进行了分析，发现在BIPV系统中，光伏组件作为遮阳构件阻挡了太阳直射光线对建筑墙体的照射，降低了墙体的得热量，使建筑空调负荷的性质和大小发生了变化，导致原有的建筑空调负荷计算方法不再适用。为简化因计算光伏幕墙得热量而增加的空调冷负荷计算步骤，朱磊[19]将光伏组件、空气层、建筑墙体共同视为一面虚拟的“外墙”，即光伏幕墙，推导出了光伏幕墙中建筑墙体外表面处的室外空气综合温度计算方法。Yang等[20]给出了通过光伏墙体来计算建筑冷负荷分量的简便方法，设定了新传热系数和等效小时平均室外温度的定义，且仅需知道这2个参数便能求解光伏墙体的传热过程，从而大幅简化了建筑冷负荷分量的计算步骤。

综上所述可知，研究学者们针对建筑冷热负荷的相关计算方法的研究并不多，且大多数都仅是针对光伏墙体或光伏屋顶进行的研究，后续应针对BIPV/T系统的传热机理，对其作用于建筑物时对建筑整体的节能效果进行分析。

1.2 冷却方式对光伏组件电性能影响的研究

相关研究表明：光伏组件的电性能会随着其工作温度的升高而急剧下降。而对运行中的光伏组件进行工作温度测量时，常以其背板温度来表征其工作温度。赵春江等[21]分析了环境温度和太阳辐照度等因素对光伏组件背板温度及光伏组件电性能的影响规律，结果表明：当环境温度为40 ℃、太阳辐照度达到1000 W/m2时，光伏组件的背板温度最高可达到55 ℃，此时，光伏组件的输出电压会下降13%，严重影响了光伏组件的电性能和使用寿命。因此，通过冷却方式来降低光伏组件的工作温度以提高其光电转换效率的方式可能会成为国内外学者研究的重点。其中，冷却方式主要为空气冷却方式和水冷却方式。

在空气冷却方式方面，Brinkeworth等[22]、Yang等[23]对背面采用自然通风方式的光伏组件的散热情况进行了研究，发现这种方式可使光伏组件的工作温度降低20 ℃，使光伏组件的输出功率提高8.3%；但由于该实验是在室内进行的，因此研究结果具有一定的局限性。黄护林等[24]研究了不同的通风流道间距和进出口间隙对BIPV系统中光伏组件自然通风冷却效果的影响，结果表明：合理的通风设计能使光伏组件的工作温度降低近20 ℃，光伏组件的输出功率可提高约10%。Teo等[25]设计了一套光伏组件主动式降温系统，该系统利用鼓风机对光伏组件进行强制冷却，可使光伏组件的工作温度始终维持在30 ℃左右，其光电转换效率可达到12.5%，而未进行冷却的光伏组件的光电转换效率仅为8%～9%。

相较于空气冷却方式，水冷却方式具有换热效果好、冷却效果稳定等优势。Krauter[26]设计了一种采用水膜层替代传统光伏组件中玻璃层的方法。该方法为光伏组件降温的同时，不仅能使整个光伏发电系统的净发电量提高8%～9%，还能解决光伏组件在自然条件下长期使用时其表面积垢的问题。Wilson[27]介绍了一种应用于光伏组件的重力冷却技术，该技术以上游水源的水的压力作为驱动力，将水传送到光伏组件背面，从而对光伏组件进行冷却，以保持光伏组件工作温度的恒定。采用该重力冷却技术可使光伏组件的光电转换效率提高12.8%；虽然采用该技术的光伏冷却系统不需要使用循环泵，但容易受到外界诸多不确定因素的影响。陈剑波等[28]对一种利用水对光伏组件表面进行降温的冷却方式进行了研究，并以光伏组件背板温度作为其实际工作温度建立了传热理论模型，实验结果表明：该冷却系统的最佳喷淋流量为0.9 m3/h，且水的喷淋温度越低，光伏组件的光电转换效率越高。

此外，随着相关冷却技术的不断完善和发展，研究学者们的研究不仅局限于空气冷却、水冷却等传统冷却方式，辐射冷却、蒸发冷却、相变材料冷却等冷却方式也已逐渐进入研究人员的视野，成为新的研究方向。

1.3 BIPV系统及BIPV/T系统对余热利用影响的研究

近年来，针对BIPV/T系统对光伏组件电性能影响的研究已趋于成熟，研究学者们开始逐步考虑在提高此类系统供电能力的同时加强其对光伏发电时产生的余热的利用。

经研究表明：BIPV/T系统比独立的PV/T系统和独立的太阳能集热器具有更高的整体输出功率[29-31]。Kalogirou等[32]对PV/T系统的工业应用进行了研究，提出可以将收集到的系统余热用于住宅的冬季取暖，也可以用于加热自来水后作为生活热水供给家庭使用，同时还可以将余热应用于其他的工业或农业领域，如产品的烘干等。Pantic等[33]提出了一种采用空气作为传热介质的大型BIPV/T系统的建设方案，室外空气流经屋顶上安装的光伏组件的背板后被加热，然后这些热空气被气泵带入屋内。这些热空气有3种利用方式：通过换热器被贮水箱中的水吸收利用、排入室内以加热室内空气，以及贮存在地下的岩石层中。吴婷[34]研究了水冷型PV/T围护结构的传热特性，明确了在冬季和夏季时水冷型PV/T围护结构中冷却水的最大进口温度。该研究以北京地区为例，在满足基本生活热水需求的条件下，该地区冬季和夏季时水冷型PV/T围护结构中冷却水的最大进口温度分别为35 ℃和45 ℃。冯国会等[35]对一种耦合了空气源热泵系统的光伏幕墙的余热利用潜力进行了分析，分析结果表明：该光伏幕墙中单位面积光伏组件的全年太阳能得热量为48.1 kWh，因此余热利用的潜能巨大。

上述文献的研究结果均表明，BIPV/T系统能起到很好的建筑节能效果，并对提高建筑的热电综合利用效率具有积极作用。但现有的BIPV/T系统在阴雨天时仍会出现由于热效率下降而引起的余热不足等问题。

2 一种地源热泵－BIPV/T耦合系统的设计

2.1 地源热泵－PV/T系统研究现状

基于传统PV/T系统存在太阳能利用的间歇性，无法保证能量转换连续进行的特点，国内外研究学者萌生了将热泵技术与PV/T系统相结合的想法，并对此进行了大量研究。

早在1997年，Ito等[36]就对安装有光伏组件的太阳能热泵(SAHP)系统进行了实验研究，但研究仅针对光伏组件对SAHP系统中热泵的性能的影响，而未考虑对SAHP整个系统在发电效率、热电综合效率等方面的影响。随后，Bertram等[37]将一种无玻璃盖板的PV/T集热器与地源热泵相结合，以PV/T集热器作为附加热源，并以德国某一栋别墅建筑为实例，运用TRNSYS软件对该耦合系统进行系统仿真，以未进行冷却的常规光伏组件作为参考，确定了无玻璃盖板的PV/T集热器与地源热泵结合系统每年的额外发电量为4%。结果表明：以PV/T集热器作为附加热源不仅能提高该耦合系统的光伏发电效率，还能提升其中热泵系统的性能。随后，Xia等[38]提出了一种基于太阳能光伏集热器-地源热泵(GSHP-PV/T)系统模型的优化控制策略，并以仿真的用于住宅的GSHP-PV/T系统为例，对其自适应模型和优化控制策略的性能进行了评价，最终得出结论：在整个冷却、加热和过渡期间，该优化控制策略分别能使GSHP-PV/T系统的发电量增加4.4%、6.2%和5.1%。

王杰等[39]提出了一种PV/T与地源热泵技术相结合的系统，并分析了其工作原理。该系统在降低了光伏组件背板温度的同时，不仅提高了PV/T与地源热泵结合系统的热能利用率，而且解决了太阳辐射量不足时单独运行PV/T系统会出现的热水供应不足的问题。马晓丰[40]、毛杭倩媛[41]和李洋等[42]都提出了将PV/T系统和地源热泵技术相结合应用于采暖及供电领域。根据不同时期太阳辐射强度的不同，此类耦合系统有不同的运行工况：在非采暖季，该耦合系统会将冷却光伏组件之后的热水与地埋管进行换热，并将光伏发电时产生的余热转移至土壤储存；在采暖季，该耦合系统则通过地源热泵从土壤中取热，为用户供暖。此类耦合系统缓解了北方农村偏远地区用电及采暖困难的问题，为建筑的供电及采暖提供了新途径，但该类耦合系统在采暖季并未对光伏组件进行冷却处理。

综上所述，地源热泵-PV/T系统应用于独立建筑或农村偏远地区有其独特优势，PV/T系统对光伏、光热的利用缓解了建筑对用电和供暖的需求，而地源热泵作为辅助加热系统，能提高整个地源热泵-PV/T系统的热效率，以保证整个系统可以连续稳定地运行。但当前地源热泵-PV/T系统大都是将PV/T组件置于建筑屋面，导致建筑外墙的空间被浪费，因此，研究学者今后针对地源热泵-PV/T系统的研究将致力于建筑外墙的有效利用。

2.2 地源热泵－BIPV/T耦合系统的设计

2.2.1 地源热泵-BIPV/T耦合系统的运行原理

针对上述建筑外表面面积不能被有效利用及阴雨天光伏余热不足的问题，本文提出了一种地源热泵-BIPV/T耦合系统，主要应用于冬季热负荷较大而夏季冷负荷较小的我国北方寒冷地区。该耦合系统是将PV/T组件紧密粘连在建筑的外墙和屋顶以形成BIPV/T组件，应尽可能多的铺设BIPV/T组件以便于最大程度地利用太阳能。该耦合系统主要由光伏组件、太阳能集热器、集热水箱、集水器、分水器、地埋管、地源热泵机组、蓄热水箱、水泵、阀门、温度传感器和用户这几部分构成。

地源热泵-BIPV/T耦合系统的工序原理图如图1所示。

图1 地源热泵-BIPV/T耦合系统的工序原理图Fig.1 Process schematic diagram of ground source heat pump-BIPV/T coupling system

地源热泵-BIPV/T耦合系统由光伏光热发电集热系统、热水供应系统、地源热泵供暖系统这3大部分组成；其中，地源热泵供暖系统由地埋管换热部分、地源热泵机组和蓄热水箱组成；光伏光热发电集热系统、热水供应系统均为常年运行，地源热泵供暖系统主要在采暖季运行。该耦合系统设有多个阀门和水泵，是通过调节阀门和水泵的开闭状态来实现对地源热泵-BIPV/T耦合系统运行模式的切换。

地源热泵-BIPV/T耦合系统在采暖季和非采暖季有不同的运行模式，以适应不同季节的用户需求。

在非采暖季(每年4～10月)时，由于太阳辐射量较大，PV/T组件(即图1中的光伏组件和太阳能集热器结合的部分)收集到的光伏余热会很充足，该热量既可向土壤补充热量，又可向用户供给生活热水。此时，图1中水泵10～12和阀门16～18、20开启，其余水泵和阀门全部关闭；集热水箱中的热水循环流动，主要通过该热水与地埋管之间进行换热将热量转移至土壤储存，余下部分供给用户使用。

在采暖季(每年11～次年3月)时，水泵10～11和阀门16～17开启，热水供应系统在整个采暖季连续运行，源源不断向用户提供热水。而在地源热泵供暖系统中，在用电低谷时段，一边给用户供暖，一边向蓄热水箱蓄热；在用电高峰时段地源热泵机组不工作，利用蓄热水箱储存的热量直接为用户供暖，从而可利用峰谷电价的差值来节省电费。因此，地源热泵供暖系统有蓄热模式、放热模式和直接供暖模式这3种运行方式，具体运行情况如下。

1)蓄热模式：在采暖季的用电低谷时段，利用低谷电价，地源热泵机组一边给用户供暖，一边将从土壤中取出的热量蓄存在蓄热水箱中。此时水泵13～14和阀门21～29、32～34开启，其余水泵和阀门全部关闭。

2)放热模式：在采暖季的用电高峰时段，为避开高峰电价，地源热泵机组不工作，将用电低谷时段蓄存在蓄热水箱中的热量提取出来直接为用户供暖。此时水泵15和阀门30～31、34开启，其余水泵和阀门全部关闭。

3)直接供暖模式：在采暖季的用电平峰时段，以地埋管中的热量单独作为热源，通过地源热泵机组向用户供暖。此时水泵13～15和阀门21～27、32～34开启，其余水泵和阀门全部关闭。

2.2.2 地源热泵-BIPV/T耦合系统墙体的安装原理

本文提出的地源热泵-BIPV/T耦合系统中，PV/T组件与建筑外墙结合后形成BIPV/T组件，不同构件之间的整合方式如图2所示。

图2 地源热泵-BIPV/T耦合系统中BIPV/T组件的示意图Fig.2 Schematic diagram of BIPV/T module in ground source heat pump-BIPV/T coupling system

同理，PV/T组件与建筑屋顶也可根据此种整合方式进行结合。该整合方式能提供更多的有效太阳能可利用面积，使建筑外表的表面积得到充分利用。这样可在不额外占用土地的同时，使单位建筑面积可以铺设更多的BIPV/T组件，以满足建筑对电能和热能的需求。

2.2.3 地源热泵-BIPV/T耦合系统中墙体的性能分析以张家口某一栋建筑为例，各选取夏季和冬季中的某一天对该建筑的南墙分别采用普通墙体和采用地源热泵-BIPV/T耦合系统时BIPV/T墙体的外表面温度和得热量进行了模拟。BIPV/T墙体外表面为图2中墙体与保温材料接触的部分，普通墙体外表面为墙体与大气接触的部分。在夏季、冬季时BIPV/T墙体和普通墙体的外表面温度变化情况如图3所示。

图3 夏季时2种墙体外表面的温度变化情况Fig.3 Situation of temperature changes of two kinds of external surface of walls in summer

图4 冬季时2种墙体外表面的温度变化情况Fig.4 Situation of temperature changes of two kinds of external surface of walls in winter

由于墙体外表面的温度受环境温度和太阳辐射的共同影响，因此在1天内这2种墙体外表面的温度曲线均基本呈现出先上升后下降的趋势。但如图3所示，在夏季时，白天BIPV/T墙体的外表面温度明显低于普通墙体的外表面温度，这是由于地源热泵-BIPV/T耦合系统会对光伏组件进行通水冷却。在图4中，由于BIPV/T墙体中附加保温材料的作用，使冬季时BIPV/T墙体的外表面温度始终高于普通墙体的外表面温度。

相应的，通过模拟可以得到BIPV/T墙体和普通墙体外表面的得热量情况，具体变化如图5、图6所示。

图5 夏季时2种墙体外表面的得热量变化情况Fig.5 Heat gain changes of two kinds of external surface of walls in summer

图6 冬季时2种墙体外表面的得热量变化情况Fig.6 Heat gain changes of two kinds of external surface of walls in winter

由图5、图6可以看出，BIPV/T墙体外表面的得热量基本呈先上升、后下降的趋势(夏季时曲线较平稳是由于耦合系统对光伏组件进行通水冷却导致的)，该变化趋势与BIPV/T墙体外表面的温度变化趋势相似。在夏季时，BIPV/T墙体外表面1天的总得热量为-0.026 kWh/m2，普通墙体外表面1天的总得热量为0.001 kWh/m2，相较于普通墙体，BIPV/T墙体外表面的有效得热量减少了0.027 kWh/m2，因此采用BIPV/T墙体时可减少空调的使用量。而在冬季时，BIPV/T墙体外表面和普通墙体外表面1天的总得热量分别为-0.143 kWh/m2和-0.240 kWh/m2，则BIPV/T墙体外表面的得热量比普通墙体外表面的得热量增加了0.097 kWh/m2，说明BIPV/T墙体的保温性好，可减少地源热泵的使用量。

上述结论也证实了地源热泵-BIPV/T耦合系统中BIPV/T墙体具有显著的节能效果。

3 展望

地源热泵-BIPV/T耦合系统能有效降低建筑冷热负荷，且在光伏发电的同时还可有效利用光伏余热，有助于使实现建筑对能源的自给自足，在我国北方寒冷地区具有广阔的应用前景。而针对地源热泵-BIPV/T耦合系统，研究学者今后需加强对以下几方面的研究。

1)当前，研究学者们对BIPV/T系统中建筑冷热负荷计算方法的研究还较少。但由于PV/T组件的存在增大了建筑外围护结构的传热热阻，进而对建筑冷热负荷产生了影响，使原有的建筑冷热负荷计算方法已不再适用。因此，应根据BIPV/T围护结构具体的构造方式建立全新的传热模型，找到一种通用的冷热负荷计算方法，并确立BIPV/T围护结构的综合传热系数。

2)将地源热泵-BIPV/T系统应用到各类建筑中，根据建筑使用功能的不同，有针对性的对回收的光伏余热加以利用。

3)地源热泵-BIPV/T系统是集发电和供热为一体的系统，这种光伏、光热、建筑与其他技术相结合的模式值得推广和研究。后期研究人员可根据建筑对电能和热能需求程度的不同，将BIPV/T技术与空调系统等耦合，对运行模式进行优化，并致力于耦合系统的热效率、电效率乃至热电综合效率的提高。