徐航， 张长兴*， 路希正， 彭冬根

(1. 山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 青岛 266590; 2. 南昌大学工程建设学院， 南昌 330031)

煤炭等传统化石燃料的短缺和日益严重的环境污染问题引起了人们对太阳能等可再生能源利用的重视。中国太阳能资源丰富，太阳能的推广应用，对实现中国能源结构的优化、环境和社会的可持续发展具有重要的意义。随着超低能耗建筑和净零能耗建筑的发展，光伏建筑一体化成为解决近零能耗建筑用电需求的关键技术因素。

光伏(photovoltaic，PV)系统收集太阳能转化成电能，其运行性能在很大程度上受到环境温度和太阳辐射的影响[1]。夏季光伏电池板的温度过高会导致光伏效率的降低，进而影响PV系统发电量，同时过高的温度会加速电池板材料的降解和老化，影响光伏电池板的使用寿命[2-3]。对光伏组件进行冷却是提高光伏效率的有效方法，光伏组件的温度每降低1 ℃，光伏发电效率增加0.4%～0.5%[4]。光伏组件的冷却技术包括：喷水冷却[5-6]、脉动热管冷却[7-8]、蒸发冷却[9-10]、相变材料冷却[11-12]和循环水冷却[13-14]。

光伏/光热(photovoltaic/thermal，PV/T)系统是一种结合了光伏和光热的混合能源转换技术，系统吸收太阳能，在产生电能的同时回收热量，通过循环流体降低了光伏电池板温度，实现产电效率的提高[15]。相较于其他冷却方式，水冷式PV/T系统具有结构简单、高热容量和无需二次换热等优点，经过优化设计，可以达到17.79%的电转化效率和76.13%热转化效率[16]。当前公共建筑中的空调系统多采用大温差、机器露点送风，由于蒸发器或盘管温度低于露点温度，当空气经过低温的蒸发器或盘管时，会在其表面产生大量冷凝水[17]。商场空调负荷热湿比大，产生大量低温冷凝水。冷凝水回收用于PV/T集热器的循环冷却，可以有效降低电池板的表面温度，提升PV/T系统的光伏效率。

肖文平等[18]利用管道液体对流传热理论，对水冷式PV/T系统的热吸收能力和传热时延进行了初步分析，研究了流速对装置性能的影响，PV/T系统的光伏光热综合效率约为52.56%， 较单一的PV系统或热水器效率有明显提高。Souliotis等[19]分析了一种安装在建筑物屋顶上的PV/T热水系统，对其进行了全寿命周期评价，结果表明，复合系统较传统的太阳能热水系统和单一的PV组件更高效。基于热管式光伏光热系统的能量流动过程，王瑞祥等[20]建立热管式PV/T系统的数学模型，分析了集热器倾角对于光伏光热效率的影响，研究发现，将倾角设为当地纬度或者小于当地纬度1°～2°时，系统具有最优的运行效率。因此，本文研究以青岛某商场为研究对象，根据人员密度、商场的工作时间和气象参数，确定建筑逐时生成的冷凝水水量，以此为基础，建立冷凝水水冷式PV/T系统模型，研究系统夏季的动态性能。通过与单一PV系统的运行特性进行比较，定量分析冷凝水水冷式PV/T系统的节能优势和环境效益。

1 建筑概况与冷凝水量的确定

1.1 建筑概况

本文的研究对象为青岛某2层商场，建筑面积为8 400 m2，空调系统为全空气系统，夏季室内设计参数为26 ℃，相对湿度50%。商场内人员密度为0.25 person/m2，劳动程度为以站着或少量走动为主的轻度活动。制冷季时间为6月1日—10月1日，商场空调开启时间为每天6:00—21:00。

1.2 空调冷凝水量确定

空调冷凝水量包括新风湿负荷形成的冷凝水和人员散湿产生的冷凝水[21]。需结合各自原理分别计算确定。

(1)新风系统冷凝水量。空调系统中，新风湿负荷形成的冷凝水量取决于新风量与室内外空气的含湿量，用式(1)确定：

Mx=0.001ρQxτ(dwτ-dn)

(1)

式(1)中：Mx为新风湿负荷形成的冷凝水量，kg/h；ρ为新风密度，取为1.2 kg/m3；Qxτ为τ时刻新风风量，m3/h；dwτ为τ时刻室外空气含湿量，g/kg；dn为室内空气含湿量，取为10.5 g/kg。

Qxτ=Nfτv

(2)

式(2)中：N为设计室内最大人数，人；fτ为τ时刻室内人员在室率，%；v为商场设计新风量，该建筑功能为商场，取为20 m3/(h·person)[22]。商场室内人员在室率的设置如图1所示，商场上午6:00开始营业，人员逐渐增多，到中午12:00人员在室率达到90%；12:00—19:00商场内人员先减少后增加，并于傍晚19:00商场内的人员在室率达到90%；20:00—21:00商场内的人员逐渐减少，直至晚上21:00商场停止营业，人员在室率降为0。

(2)室内人员散湿确定的冷凝水量。室内人员散湿量取决于人员数量和个体散湿量，计算公式[21]为

Mr=0.001φNfτg

(3)

式(3)中：Mr为人员散湿产生的冷凝水量，kg；φ为群集系数，取为0.89；g为成年男子的散湿量，取为184 g/h[22]。

(3)冷凝水量的确定。新风湿负荷形成的冷凝水量直接受当地气象参数的影响，采用TRNSYS软件建立实时的冷凝水量计算模型，确定该商场制冷季的逐时冷凝水量，模型通过输入青岛地区室外逐时的含湿量和动态的人员信息，根据式(1)和式(3)确定商场制冷季逐时的空调冷凝水量，如图2所示。可以看出，该商场建筑逐时冷凝水量的最大值为876.53 kg/h，出现在7月18日，7月份和8月份回收的冷凝水量分别为195.28 t和191.89 t，6月份和9月份收集的冷凝水量相对较少，为122.32 t和109.37 t，商场制冷季总的冷凝水量为618.86 t。

图1 人员在室率Fig.1 People in room rate

图2 制冷季空调冷凝水量的逐时变化曲线Fig.2 Hourly curve of condensing water quantity of air-conditioning system in cooling season

2 冷凝水水冷式PV/T系统模型的建立

2.1 冷凝水水冷式PV/T系统模型

本文研究基于TRNSYS建立了冷凝水水冷式PV/T系统，包括计算器、天气模块、PV/T集热器模块、水泵模块、水箱模块、混流阀模块、积分器模块、显示器模块、时间函数模块。系统通过天气模块输入青岛地区的实时气象数据，可以输出逐时的光伏效率和发电量。系统的模型如图3所示。

2.2 系统各组件模型

2.2.1 PV/T集热器

PV/T集热器收集太阳能转换成电能输出的同时，能够通过光伏电池板背面流道管中的流体带走电池板产生的热量，实现光伏组件降温冷却。光伏组件的光电转换效率达到15%～20%，其余接收到的太阳能辐射转化为了热量或以电磁波的形式向外辐射[23]。Pang等[24]基于异质结电池，分别测试了有无玻璃盖板的PV/T系统，结果表明，无玻璃盖板PV/T系统的光伏效率为12.19%，高于有玻璃盖板PV/T系统的11.68%。曲明璐等[25]通过实验和模拟结果对比，验证了TRNSYS软件中水冷式PV/T集热器模块的可靠性。为了获得更高的光伏效率，本文系统模型选取无玻璃盖板PV/T集热器模型Type560。PV/T集热器模块的主要参数设置如表1所示。

净吸收太阳辐射量S(总吸收太阳辐射量-用于光伏发电量)，在PV/T模型中定义为

S=(τα)nIAMGT(1-ηpv)

(4)

式(4)中：(τα)n为在法向入射下直射的有效透射吸收积，取为0.85；IAM为入射角修正系数，取为0.92；GT为太阳辐射总量，W/m2；ηpv为光伏效率，%。

表1 PV/T集热器的主要参数Table 1 Main parameters of the PV/T heat collector

图3 冷凝水水冷式PV/T系统模型Fig.3 Condensate water-cooled PV/T system model

光伏效率与光伏电池板的温度相关，在PV/T模型中定义为

ηpv=η[1-β(Tpv-Tref)]

(5)

式(5)中：ηpv为光伏组件的实际光伏效率；η为光伏组件在标准测试条件(standard test conditions，STC)下的光伏效率；β为光伏效率的温度系数；Tpv为光伏电池板的温度，℃；Tref为STC下的基准温度(25 ℃)。太阳能光伏组件的STC被“欧洲委员会”定义为101号标准，其中电池温度为25 ℃，光谱为AM1.5，光谱辐照度为1 000 W/m2。

光伏电池板的发电量Epv，在PV/T模型中可以定义为

Epv=(τα)nIAMGTApvtηpv

(6)

式(6)中：Apvt为PV/T集热器的面积，m2。

因此，吸收板吸收的热量Qabs可以表示为

Qabs=(τα)nIAMGTApvt(1-ηpv)

(7)

2.2.2 水箱模型

选取Type39作为水箱模型，该组件模型是一个具有恒定横截面积的可变容积的混合罐。流体可以由热源处经由单一入口流入混合罐，从混合罐的出口流向负载端，流入和流出混合罐的流量可以不相等，罐内的流体液面可以在最低液面水平和最高液面水平的限制之间变化。当混合罐内流体的体积超过上限值时，过剩的流体将从混合罐分流，分流流体的温度与进入流体的温度相等。水箱模型的主要参数设置如表2所示。

可变容积混合罐模型质量变化率的微分方程式为

(8)

(9)

表2 水箱模型的主要参数Table 2 Main parameters of the tank model

2.3 冷凝水水冷式PV/T系统的控制策略

冷凝水水冷式PV/T系统，控制方式为时间控制。在每日0:00—8:00时段和18:00—21:00时段光伏板的表面温度较低不需要冷却，因此，将该时段商场空调系统产生的冷凝水汇入水箱储存起来，留作次日使用；每日9:00—17:00时段，室外温度高，光伏电池板需要降温冷却，此时水泵运行，将该时段产生的逐时冷凝水和水箱中储存的冷凝水在混流阀处完全混合，泵入PV/T集热器的流道管，吸收热量后排出。

3 运行特性与环境效益

利用TRNSYS建立一个单一的PV系统，系统组件的参数设置与冷凝水水冷式PV/T系统的PV/T集热器保持一致，对两个系统制冷季运行特性进行了逐时的模拟研究，在计算系统发电量和PV系统对应值的基础上，对冷凝水水冷式PV/T系统与PV系统的光伏发电效率进行了比较。

3.1 冷凝水水冷式PV/T系统的光伏发电效率

(1)典型日光伏发电效率。选取7月18日为典型日，PV系统与PV/T系统的光伏电池板表面温度和光伏效率如图4所示。可以看出，在6:00—9:00时段，随着太阳辐射的增强，PV系统与PV/T系统光伏板的温度从初始的20.09 ℃升高到44.71 ℃，对应的光伏效率从初始的16.84%下降到15.3%；在10:00—17:00时段，太阳辐射先增强后减弱，PV系统光伏板的温度与太阳辐射变化趋势相同，在13:00时达到峰值72.41 ℃，对应的光伏效率降至谷值，为13.50%，PV/T系统光伏板的温度在30.27～45.43 ℃的范围内平稳变化，系统13:00时的光伏板温度为45.34 ℃，较同时刻的PV系统低37.38%，光伏效率为15.90%，较同时刻的PV系统高17.78%；在18:00—20:00时段，随着太阳辐射的减弱，光伏板的温度降低到26.87 ℃，由于光伏板温度的降低，光伏效率升高到16.23%；在0:00—5:00和21:00—24:00时段，由于没有太阳辐射，PV系统与PV/T系统的光伏效率为0。在太阳辐射最强的10:00—17:00时段，由于没有有效的冷却手段，PV系统的光伏板温度显著升高，光伏效率明显降低，而PV/T系统经过低温冷凝水的水冷降温，降低了光伏板的温度，光伏效率得到了有效的提升。

图4 PV/T系统和PV系统光伏板平均温度和 光伏效率的比较Fig.4 Comparison of average PV panels temperature and PV efficiency between PV/T system and PV systems

(2)月平均光伏效率。月平均光伏效率是根据系统月总发电量和月总吸收太阳辐射量求解得出的。如图5所示，制冷季月平均干球温度先升高后降低，在8月份上升到最大值25.95 ℃，并于9月份降至最低值22.08 ℃。PV系统的月平均光伏效率与月平均干球温度变化趋势相反，在8月份降至最低值14.60%，随着室外干球温度的降低，PV系统的月平均光伏效率在9月份升至14.66%。PV/T系统由于有冷凝水的冷却，制冷季光伏效率受环境温度影响较小，月平均光伏效率的变化同PV系统相比更为稳定，最大值出现在6月份为16.04%，最小值为15.78%出现在9月份。PV/T系统与PV系统月平均光伏效率的差值与干球温度的趋势相同，且在8月份达到最大值，该月PV/T系统的月平均光伏效率较PV系统高9.52%。

图5 PV/T系统和PV系统月平均光伏效率Fig.5 Monthly average efficiency of PV/T system and PV system

3.2 PV/T系统净发电量与环境效益

(1)系统的净发电量。PV/T系统的净发电量等于每月的光伏发电量减去当月水泵的能耗，其中水泵的额定功率为0.18 kW，经计算6月份和9月份的水泵能耗为43.2 kW·h，7月份和8月份的水泵的电力消耗为44.64 kW·h。如图6所示，6月份的太阳辐射量最大，该月PV/T系统和PV系统的净发电达到最大值，分别为1 759.66 kW·h和1 687.34 kW·h。随着太阳辐射量的降低，PV/T系统和PV系统的净发电量逐步减少，在7月份均降至最低值，该月PV/T系统的净发电量为1 691.84 kW·h，较PV系统增加了100.39 kW·h。随着太阳辐射量的增加，在8月份PV/T系统的净发电量升高到1 747.72 kW·h，较PV系统增加了111.10 kW·h。9月份，太阳辐射下降，PV/T系统的发电量降低，PV系统的发电量升高，造成该情况的原因是，PV系统没有有效的冷却方式，与太阳辐射相比，光伏发电量受温度的影响更大。通过对PV/T系统和PV系统的模拟结果分析得出，在整个制冷季，PV/T系统的净发电量较PV系统提高365.55 kW·h。

(2)环境效益。商业建筑通过节能改造，安装可再生发电设备，可以增加可再生能源的使用比例，进而减少二氧化碳的排放量[26]。在整个制冷季，通过光伏发电，PV/T系统的净发电量可以达到6 938.27 kW·h。因此，根据式(10)可以计算出，制冷季PV/T系统的二氧化碳总减排量为6.439 t，较单一的PV系统提高0.34 t。

PCO2=Epvκ

(10)

式(10)中：PCO2为二氧化碳的减排量，kg；Epv为光伏发电量，kW·h；κ为区域电网供电平均排放因子，青岛属于华东地区，κ取为0.928 kg/(kW·h)[27]。

图6 PV/T系统和PV系统月发电量Fig.6 Monthly energy yield of the PV/T system and PV system

4 结论

以青岛某2层商场为研究对象，提出一种冷凝水水冷式PV/T系统。通过建立实时的冷凝水量计算模型，确定商场的空调冷凝水的逐时水量。将冷凝水水冷式PV/T系统与单一的PV系统进行了性能对比，得出以下结论。

(1)PV/T系统通过利用回收的空调冷凝水，有效冷却了光伏电池板，典型日(7月18日)13:00时的光伏板温度为45.34 ℃，较同时刻的PV系统低37.38%，对应的光伏效率为15.90%，较同时刻的PV系统高17.78%。

(2)PV/T系统制冷季的总发电量较PV系统净增加365.55 kW·h。PV/T系统与PV系统相比，月净发电量的最大值提高72.32 kW·h，月净发电量最小值增加100.39 kW·h； PV/T系统与PV系统月平均光伏效率的差值在8月份升至最大值，该月PV/T系统的月平均光伏效率较PV系统高9.52%。

(3)通过光伏发电，在整个制冷季，PV/T系统具有6 938.27 kW·h的节能效益，可以减排6.439 t的二氧化碳，较PV系统增加0.34 t的二氧化碳减排效益。