付在國，李 洋，孫子靜，朱群志

(上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

隨著化石能源的大量消耗，二氧化碳排放造成的全球變暖已經(jīng)威脅到人類社會(huì).中國在第二十一屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)上承諾將于2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早實(shí)現(xiàn)，2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右.

在發(fā)展和環(huán)保的雙重壓力下，可再生能源發(fā)電占比不斷升高，以光伏電池板為代表的太陽能發(fā)電技術(shù)不斷成熟，出現(xiàn)了兩種不同的應(yīng)用方式，分別是集中式光伏電站和分布式光伏發(fā)電.其中分布式光伏發(fā)電由于具有免費(fèi)用電、余電出售等優(yōu)勢(shì)，作為用戶獲取電能的一種有效方式已經(jīng)不斷應(yīng)用于城市和農(nóng)村建筑[1].Apple公司在Cupertino的新總部實(shí)現(xiàn)了100%可再生能源供電[2]，部分電能由建筑屋頂?shù)?7 MW光伏裝置供給.

常見的光伏電池板只能將20%左右的入射光轉(zhuǎn)化為電能，其余的能量會(huì)加熱光伏組件使其溫度上升并最終以熱量的形式散入大氣層中.而光伏組件的工作溫度會(huì)嚴(yán)重影響光電轉(zhuǎn)化效率，電池片每升高1 ℃，光伏效率會(huì)下降0.3%～0.5%[3].PVT(Photovoltaic/thermal，PVT)是在光伏發(fā)電基礎(chǔ)上發(fā)展的一種太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)方式，通過使用流體對(duì)電池板進(jìn)行換熱降溫提高光伏效率，再對(duì)流體的熱能進(jìn)行利用，進(jìn)而提高太陽能綜合利用效率.相比于獨(dú)立的光伏或光熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建筑房頂?shù)扔邢薜膮^(qū)域，能充分的利用太陽能產(chǎn)生更多收益.國際能源署太陽能供熱制冷委員會(huì)(IEA-SHC)將PVT列為第60項(xiàng)任務(wù)[4]，在全球范圍內(nèi)推廣PVT的應(yīng)用.

由于太陽能具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得利用太陽能對(duì)建筑進(jìn)行供能具有一定難度.研究太陽能等可再生能源供能能力和建筑用能負(fù)荷的匹配特性是提高可再生能源利用率的前提.已有的相關(guān)研究多針對(duì)提高可再生能源發(fā)電并網(wǎng)能力而展開.隨著分布式能源，如屋頂光伏系統(tǒng)等在建筑中的不斷應(yīng)用，如何充分利用可再生能源以減小電網(wǎng)購電量且使得可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)能與建筑負(fù)荷匹配成為重要問題.Widen等[5]提出，不匹配的生產(chǎn)和負(fù)載限制了分布式光伏在住宅區(qū)低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步的研究應(yīng)集中在電力需求側(cè)管理潛力和存儲(chǔ)的優(yōu)化運(yùn)行等方面.

在建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)計(jì)算方面，清華大學(xué)自主研發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件—DeST.該軟件基于狀態(tài)空間法[6]求解建筑熱過程，可精確模擬建筑自然室溫、夜間通風(fēng)、鄰室傳熱以及間歇空調(diào)等問題，可用于分析建筑熱特性的影響因素，計(jì)算建筑熱特性指標(biāo)、全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷等[7-8].孫鳳梅[9]用軟件模擬了長沙市兩種典型的住宅建筑，對(duì)軟件模擬的準(zhǔn)確度進(jìn)行了考量，實(shí)驗(yàn)表明模擬值約為實(shí)際值的90%.

在此背景下，本文基于上海市歷史氣象數(shù)據(jù)，針對(duì)上海市某辦公建筑陰面房間，利用DeST軟件模擬計(jì)算了其用能負(fù)荷，并采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了為建筑配套的PVT供能系統(tǒng)的電、熱產(chǎn)能，特別對(duì)PVT供能和建筑房間負(fù)荷的匹配特性進(jìn)行了分析，以指導(dǎo)PVT技術(shù)在類似建筑供能應(yīng)用中的推廣.

1 房間負(fù)荷計(jì)算

1.1 氣象數(shù)據(jù)

DeST軟件中建有豐富的氣象數(shù)據(jù)庫，本文選用上海市典型的氣象數(shù)據(jù)展開研究.典型年內(nèi)部分氣象數(shù)據(jù)如圖1所示.根據(jù)該氣象數(shù)據(jù)可知，上海當(dāng)年最高氣溫36.8 ℃，最低氣溫-4.48 ℃，當(dāng)年日照小時(shí)數(shù)為2 174 h，年輻射量為457×104kJ/m2，單位面積輻射能相當(dāng)于154 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒放熱量.

圖1 典型年部分氣象數(shù)據(jù)圖

1943年，張寶堃先生參照我國東部地區(qū)氣候變化提出了用當(dāng)?shù)亍昂颉?5天)平均氣溫來劃分四季的方法[10]，以候平均氣溫低于10 ℃為冬，10 ℃～22 ℃為春秋，超過22 ℃為夏.目前氣象學(xué)上通常采用此方法進(jìn)行季節(jié)劃分.參照候平均氣溫對(duì)選用的典型年劃分季節(jié)，如表1所示.

表1 典型氣象年中上海市四季情況

1.2 參數(shù)設(shè)置

以上海市某辦公建筑陰面房間作為研究對(duì)象進(jìn)行冷熱負(fù)荷計(jì)算.房間面積為86 m2、窗墻比為0.37.該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)參考上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[11]設(shè)計(jì)，詳細(xì)參數(shù)如表2所示.室內(nèi)溫度設(shè)置，如表3所示.室內(nèi)溫度高于28 ℃時(shí)開啟制冷將室溫降低并維持在26 ℃，室內(nèi)溫度低于16 ℃時(shí)開啟供熱提高室溫并維持在18 ℃.同時(shí)，按上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定房間與室外每小時(shí)通風(fēng)2次.

表2 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 空調(diào)設(shè)置

在上述條件下，用DeST對(duì)建筑進(jìn)行建模，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，開展全年逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算.

2 PVT供能預(yù)測(cè)

2.1 PVT供能系統(tǒng)

針對(duì)房間用能場(chǎng)景，設(shè)計(jì)的PVT供能系統(tǒng)如圖2所示.該供能系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：冬天利用PVT產(chǎn)出的熱水對(duì)房間進(jìn)行供熱，利用PVT產(chǎn)出的電能驅(qū)動(dòng)空調(diào)制熱補(bǔ)充房間需求；夏天利用PVT產(chǎn)出的電能驅(qū)動(dòng)空調(diào)為房間制冷.空調(diào)機(jī)組參照某品牌參數(shù)，設(shè)定制冷和制熱的能效比分別為2.7和2.55.

圖2 PVT供能系統(tǒng)示意圖

PVT組件采用平板型多層結(jié)構(gòu)，如圖3所示.設(shè)計(jì)PVT面積與房間面積相同，為86 m2.其由玻璃蓋板、光伏組件、背板、流體通道和保溫板組成.太陽輻射經(jīng)玻璃蓋板反射和吸收后透射到光伏組件，光伏組件以一定的效率將入射光轉(zhuǎn)化成電能輸出，其余入射太陽能轉(zhuǎn)化成熱量經(jīng)玻璃板向空氣或經(jīng)背板向流體中傳輸.保溫層的設(shè)置可減少流體向環(huán)境的熱損失.

圖3 PVT組件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)PVT組件的玻璃層、光伏組件層、背板層、流道層、保溫層依次建立能量平衡方程[3，12，13]為

αgI=hge(Tg-Te)+hgc(Tg-Tc)，

(1)

FαcτgI+hgc(Tg-Tc)=ηFαcτgI+hcb(Tc-Tb)，

(2)

FαbτcτgI+(1-F)αbτgI+hcb(Tc-Tb)=hbw(Tb-Tw)，

(3)

(4)

hwi(Tw-Ti)=hie(Ti-Te)，

(5)

光電轉(zhuǎn)化效率以20 ℃時(shí)的效率0.12為基準(zhǔn)[12，13]，作為溫度的函數(shù)表達(dá)為

η=0.12[1-0.004 5(Tc-20)].

(6)

表4 PVT組件幾何參數(shù)

表5 PVT組件材料性能參數(shù)

表6 PVT組件中相鄰層傳熱系數(shù)

2.3 求解方法

模型求解以室外溫度、輻射強(qiáng)度和PVT入口水溫作為輸入條件，采用自編程序?qū)Ω鱾€(gè)組件層平衡方程進(jìn)行迭代運(yùn)算，數(shù)值收斂后將結(jié)果輸出，得到PVT各個(gè)組件層的溫度、光電轉(zhuǎn)化效率η、流道出口水溫等數(shù)據(jù).

求解得出上述結(jié)果后，可根據(jù)光電轉(zhuǎn)化效率η等參數(shù)計(jì)算PVT電能產(chǎn)量，根據(jù)流道入口水溫和出口水溫的差值等參數(shù)計(jì)算PVT熱能產(chǎn)量.

3 結(jié)果與分析

3.1 房間負(fù)荷與PVT熱電產(chǎn)量

房間每日冷熱需求量變化如圖4所示.其中，正值為每日熱需求量，負(fù)值的絕對(duì)值為每日冷需求量.可以看出，典型年內(nèi)，房間熱需求量大，從秋季末持續(xù)到春季初.在春季初始段(占比春季約1/3時(shí)長)建筑有少量熱需求，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)僅有4天熱需求量超過40 kWh.陰面房間在夏季的冷需求量不大，近1/2的夏季時(shí)間內(nèi)冷需求量為0.計(jì)算表明，冷需求時(shí)間段內(nèi)平均值為54.50 kWh.

從圖4中還可以看出，秋季的熱需求量大于春季，且主要集中在秋季末(約23天).冬季熱需求量較大，入冬之后房間每日熱需求量從70 kWh不斷升高，冬季逐日最大熱需求量出現(xiàn)在12月22日，為149 kWh.受環(huán)境氣溫變化的影響，在峰值后每日需熱量減小至80 kWh左右，并于1月中旬再次升高，直至2月下旬一直保持在110 kWh以上.冬季日均熱需求量為94.60 kWh.

PVT系統(tǒng)典型年內(nèi)逐日的熱電產(chǎn)量如圖5所示.從圖5中可以看出，熱產(chǎn)量受到季節(jié)的影響波動(dòng)較大.夏季的熱產(chǎn)量整體上高于其他三季.由于PVT進(jìn)口水溫的設(shè)置，春季的熱產(chǎn)量可能比實(shí)際運(yùn)行時(shí)偏高，秋季的熱產(chǎn)量可能偏低.PV電產(chǎn)量同樣呈現(xiàn)季節(jié)波動(dòng)性，春夏季產(chǎn)量高于秋冬季.

房間冷熱負(fù)荷和PVT熱電產(chǎn)量相關(guān)的特征值，如表7和表8所示.

表7 房間冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

表8 PVT熱電產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

3.2 匹配性分析

根據(jù)上述對(duì)房間負(fù)荷與PVT產(chǎn)能的模擬計(jì)算，從表7與表8中可知，面積為86 m2的PVT組件全年總電產(chǎn)量為7 838.88 kWh，熱產(chǎn)量為78 079.20 kWh.面積為86 m2的辦公建筑陰面房間全年累計(jì)熱需求量11 538.81 kWh，累計(jì)冷需求量3 217.44 kWh.在全年尺度下，PVT熱產(chǎn)量是相同面積房間熱需求量的6.76倍，電產(chǎn)量是冷需求量的2.43倍.由于太陽能的不穩(wěn)定性以及匹配精度的要求，以年作為研究尺度在實(shí)踐中不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，所以需要在更小的時(shí)間尺度上進(jìn)一步研究.

典型年內(nèi)四季供能與冷熱需求匹配分析，如表9所示.表中供能率表示單一能源供能可以滿足需求的倍數(shù).從季節(jié)角度看，PVT供能滿足房間冷熱需求具有充足優(yōu)勢(shì).雖然冬季供能率較其他三季有所降低，但利用PVT熱電聯(lián)合供能也可滿足房間需求實(shí)現(xiàn)零能耗.

表9 四季冷熱需求量及PVT熱電產(chǎn)量

冬季熱量供需的變化以及冬季最冷日PVT逐時(shí)熱電產(chǎn)出與房間逐時(shí)負(fù)荷的變化，如圖6、圖7所示.從圖6中可以看出，在逐日的尺度下，冬季內(nèi)大部分天數(shù)的PVT產(chǎn)量符合或超出需求，未能滿足供熱需求的天數(shù)為39天，占比約為36%.其中系統(tǒng)供能率小于0.5的天數(shù)有25天，占比約為23%.同時(shí)房間熱需求量與PVT產(chǎn)量存在一定的反比關(guān)系，天氣晴好的時(shí)候PVT產(chǎn)量高、熱需求量小，當(dāng)熱需求量上升時(shí)，PVT產(chǎn)量下降，出現(xiàn)日供能不滿足供熱需求的情況.

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，冬季PVT的熱產(chǎn)出時(shí)間較短，僅在10時(shí)至15時(shí)時(shí)段.電能產(chǎn)出時(shí)間相對(duì)較長，但產(chǎn)量亦不大，僅憑熱能或電能均不能滿足房間負(fù)荷需求.就供能系統(tǒng)而言，此日只有3個(gè)小時(shí)滿足瞬時(shí)負(fù)荷需求，系統(tǒng)供能率為0.61.

夏季冷量供需變化，冷需求量最大日的逐時(shí)電能產(chǎn)出和制冷負(fù)荷，以及平均氣溫最高日逐時(shí)電能產(chǎn)出和制冷負(fù)荷的變化情況，如圖8～圖10所示.

圖8 夏季冷量供需變化

從圖8可以看出，夏季兩者整體匹配性較好，僅有13天PVT系統(tǒng)供能明顯不能滿足房間制冷需求，占制冷需求天數(shù)的22%.從圖9可以看出，夏季冷需求量最大日PVT系統(tǒng)未能完全滿足房間負(fù)荷需求.計(jì)算表明，當(dāng)日系統(tǒng)供能率為0.56，冷量缺口為41.38 kWh.通過逐時(shí)分析發(fā)現(xiàn)，夏季因日出較早，從6時(shí)起PVT系統(tǒng)已經(jīng)有電能輸出，在9時(shí)開啟制冷前可以提供約6 kWh的冷量.開啟供冷時(shí)冷負(fù)荷較大，為12.80 kW，此時(shí)能提供的制冷功率為3 kW，不到1/4.接下來四個(gè)小時(shí)供能率比較理想，分別為0.87、1.03、0.49、1.08.后續(xù)從0.45呈下降趨勢(shì)，至19時(shí)無法繼續(xù)提供冷量.對(duì)比圖10與圖9，可以發(fā)現(xiàn)平均氣溫最高日相比冷負(fù)荷最大日，PVT供能系統(tǒng)能較好的滿足用能需求.總量上看，平均氣溫最高日系統(tǒng)制冷量超過冷需求量，系統(tǒng)供能能力超過負(fù)荷需求的時(shí)長為6h，超出日制冷時(shí)間的1/2.

春季和秋季逐日熱量供需的變化如圖11、圖12所示.春季和秋季典型日逐時(shí)熱電產(chǎn)出和負(fù)荷變化如圖13、圖14所示.

從圖11、圖12中可以看出，在過渡季，房間熱需求量小，僅有1天～2天供能量小于用能需求.從圖13、圖14中可以看出，過渡季典型日的供能量大于用能需求，但在啟動(dòng)供暖的時(shí)刻尚不能滿足負(fù)荷需求，之后系統(tǒng)產(chǎn)出超過負(fù)荷需求.其中春季典型日可持續(xù)供能8 h，秋季典型日可持續(xù)供能6 h.通過上述逐日或逐時(shí)分析還可以得出PVT供能系統(tǒng)添加儲(chǔ)能裝置的必要性.儲(chǔ)能裝置不僅可以儲(chǔ)存空調(diào)開啟前未利用的電能，也可將超出負(fù)荷需求部分的電、熱能量儲(chǔ)存，供日落后或非晴天使用.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)上海市典型建筑房間應(yīng)用PVT供能的負(fù)荷匹配特性展開研究.采用DeST軟件對(duì)陰面房間在典型年的冷熱需求量進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算；建立了PVT系統(tǒng)供能的數(shù)學(xué)模型并采用自編程序進(jìn)行了求解；分析了不同時(shí)間尺度下PVT供能系統(tǒng)與房間負(fù)荷的匹配特性.取得的主要結(jié)論包括：

(1)所選典型辦公建筑陰面房間熱需求量在時(shí)間長度和數(shù)值上都明顯大于制冷需求量，全年熱負(fù)荷是冷負(fù)荷的3.6倍.

(2)配置的平板PVT組件供能呈明顯的季節(jié)波動(dòng)性.春夏兩季產(chǎn)量高于秋冬兩季，電產(chǎn)量為熱產(chǎn)量的1/10.

(3)研究的典型年內(nèi)，PVT全年供能顯著大于建筑房間的冷熱需求.逐日尺度上，冬季PVT產(chǎn)量未滿足房間供熱需求的天數(shù)占比36%，夏季電產(chǎn)量未滿足房間制冷需求的天數(shù)占比22%.

本研究利用的建筑負(fù)荷模擬參數(shù)和PVT計(jì)算參數(shù)來源于數(shù)據(jù)庫，比較理想.下一步將考慮建筑內(nèi)的熱擾、更先進(jìn)的PVT電熱產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，并添加儲(chǔ)能裝置優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)一步研究含儲(chǔ)能裝置的PVT系統(tǒng)供能與建筑負(fù)荷的逐時(shí)匹配特性.