光熱輔助與光電輔助中空氣源熱泵節能對比分析

楊潤月 孔佳樹 楊藝超 王 靜

（山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250000）

1 電與太陽能集熱輔助空氣源熱泵對于節能

隨著科技的發展與社會的進步，能源短缺和環境污染形式愈發嚴峻，建筑能耗作為我國能源消耗的重要組成部分，已經成為不可小覷的問題。在實際的建筑節能中，可以從圍護結構，能源來源，能源利用方式等多種方面進行節能優化。本文主要研究不同的能源利用方式，即光伏發電與太陽能集熱輔助空氣源熱泵對于節能的優化程度。

本文基于山東建筑大學科技樓六樓的現有系統，分別對多聯機太陽能集熱輔助空氣源熱泵系統和太陽能光伏發電輔助空氣源熱泵進行模擬計算，分析對比這兩種系統的節能潛力。

1.1 地理環境

濟南市地處北緯36°36′，東經117°03′，海拔170.3m，屬于溫帶大陸性季風氣候，日照時間充足，年平均氣溫13.6°C，1 月氣溫最低，平均氣溫約為-1.9°C，7 月氣溫最高，平均氣溫約為27°C，年平均降雨量614 毫米。濟南市的自然氣候條件具有光照時間長，氣候環境溫度高，天空狀況良好等特點，濟南市太陽能資源豐富，熱狀況優越，太陽能利用具有極大的發展空間。

濟南地區太陽能資源豐富，年內太陽總輻射強度大于100W/m2的日照時數占全年近90%，因此，在濟南地區應充分利用太陽能資源優勢。

首先，光伏發電與太陽能輔助空氣源熱泵系統均基于太陽輻射等參數，因此通過查取《濟南市太陽能能源評估初探》[1]]，得到濟南市關于太陽能資源在冬季三個月份內（12月，1 月，2 月） 的各參數信息。

表1 濟南地區太陽輻射實測值

分析上表數據，得到濟南冬季平均日照時長為168.27h，太陽能輻射量平均值為350.67MJ/m2，日照百分率平均值為55.67%。

1.2 項目背景

通過實地測量集熱器尺寸，得到科技樓樓頂的太陽能有效集熱板面積公式：

計算可得太陽能集熱器有效集熱面積為42.0552m2，由于太陽能集熱器為圓柱形水管緊密排列組成，實際集熱面積還需考慮圓弧處，故實際集熱面積會比計算結果要大，因此可類比假設光伏板有效面積為48m2。

圖1 太陽能集熱器尺寸

在本文中，取山東建筑大學5 樓現有設備2019 年1 月14 日-1 月18 日的實測值作為典型數據進行分析。取這五天內同時刻太陽輻射量的平均值，利用matlab 編程得到圖2：

圖2 1 月14 日至1 月18 日逐小時太陽輻射量平均值

圖2 即為在所取時間段內逐小時太陽輻射量的平均值，通過分析得到，太陽輻射量在冬季一標準天內存在波動和峰值，叢7AM 開始逐漸上升，10AM 左右達到接近峰值，然后在峰值附近波動，一直到3PM，太陽輻射量開始逐漸降低直至夜晚。

2 太陽能輔助空氣源熱泵分析

太陽能輔助空氣源熱泵系統位于山東建筑大學六樓，主要包含熱管太陽能水管集熱器，空氣源熱泵室外機組，制冷劑—水換熱器，集熱水箱，集熱水泵，毛細管輻射末端，閥門部件和控制系統。

通過對該系統的實測，可得太陽能集熱系統運行期間[2]，太陽能集熱器內水溫在35～75°C 不等，經系統循環使蓄熱水箱內水溫維持在32°C 以上，通過末端散熱后，室內溫度能夠維持在18～22°C，因此太陽能輔助空氣源熱泵系統可以達到長時間為科技樓六樓進行穩定供暖。故在常規（即非雨雪，多云） 天氣下，太陽能集熱系統可以對室內進行穩定供暖，基本滿足要求。

太陽能集熱供暖為即時的，蓄熱能力較小，故供熱時間長短受到日出日落時刻的影響，且十分受天氣條件限制。

科技樓使用時間多為白天，夜晚熱負荷較小，故利用太陽能集熱系統能夠滿足要求。

3 光伏發電系統分析

由于實際情況的限制，科技樓只存在現有太陽能輔助空氣源熱泵集熱部分，因此我們利用Pvsyst 對光伏發電系統進行仿真模擬。

光伏發電系統由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成。

通過對該系統的模擬計算，可知在運行期間，光伏發電面板若采用晶硅光伏系統，則冬季發電量為5917.68MJ/a，即1643.8KWh/a；若采用薄膜光伏系統，則冬季發電量為2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

因此光伏發電系統可以達到長時間為科技樓六樓進行較為穩定供暖。故在常規（即非雨雪，多云） 天氣下，光伏發電系統也可以對室內進行穩定供暖，基本滿足要求。

利用太陽能這種低品位能源所轉化成的電能屬于高品味能源，利用電能來取暖是一種較為消耗能源的方式。

科技樓使用時間多為白天，夜晚熱負荷較小，故利用光伏發電系統能夠勉強滿足要求。

4 太陽能輔助空氣源熱泵與光伏發電系統對比分析

根據現有設備，科技樓六樓屋頂太陽能放置區域布置了太陽能水管集熱器，安裝傾角31.6°，有效集熱面積42.0552m2，根據本文研究內容，假設在該區域覆蓋同等面積光伏板，考慮集熱器水管存在部分自身遮擋，取光伏發電面積為48m2。由太陽能輔助空氣源熱泵產生的熱水和光伏發電板產生的電力均供給六樓多聯機系統。

4.1 太陽能輔助空氣源熱泵節能分析

太陽能系統季節產熱量計算公式：

式中：AZj——太陽能系統有效集熱面積（m2）；

JT——集熱器表面（安裝傾角32°，方位角正南） 上年太陽能輻照總量[MJ/(m2·a)]，根據查取相關資料取4079 [MJ/(m2·a)]；

ηcd——集熱器的年平均集熱效率（%），按不同品牌集熱 器實際產品測量數據所得，國家標準區間為45% ～55%，本文取48%；

ηL——熱水經管路和貯水箱的熱損失率（%），經驗值約取15% ～30%，本文取20%；

ηd——太陽輻射量冬季系數（%），根據冬季（12、1、2 三個月份） 輻射總量與全年輻射總量之比求得，此處取12.3%。

計算可得，冬季太陽能系統產熱量為8152.11MJ/a，即2264.48KWh/a。

4.2 太陽能光伏發電系統節能分析

太陽能光伏系統冬季發電量計算公式；

式中：A——太陽能光伏發電系統光伏板面積；

ηd——太陽能光伏系統光電轉換率（%），參考山東省《可再生能源建筑應用測試評價標準》，取3 級系統效率，即晶硅光伏系統ηd=10%，薄膜光伏系統ηd=4%；

Ha——光伏板表面（安裝傾角32°，方向角正南） 上單位面積年太陽輻照總量[MJ/(m2·a)]，取4079 [MJ/(m2·a)]。

ηD——光伏板接收太陽輻射量冬季系數（%），根據冬季（12、1、2 三個月份） 輻射總量與全年輻射總量之比求得，此處取12.3%。

計算得出，若采用晶硅光伏系統，則冬季發電量為5917.68MJ/a，即1643.8WKh/a；若采用薄膜光伏系統[4]，則冬季發電量為2208.67MJ/a，即613.52KWh/a。

將光伏系統年發電量折算成標煤并與熱能相比較，電的折標煤系數為0.3kgce/（KWh），熱力的折標煤系數為0.0341kgce/MJ，即0.1228kgce/（KWh），因此電力的節能量為熱力的2.44 倍。則：晶硅光伏系統季節節能量約為1643.8 ；薄膜光伏系統季節節能量約為613.52 。

4.3 對比結果

通過理論計算與建模計算，分別得到了科技采用太陽能輔助空氣源熱泵系統或光伏系統的年節能量，具體數值見下表。

表1 科技樓采用太陽能輔助空氣源熱泵系統與光伏發電系統的季節節能量對比

由上表可知，若在該建筑物屋頂太陽能布置區域放置相同面積的熱水管集熱器或光伏板（晶硅/薄膜） 時，系統的年節能量表現出較大的差異。太陽能輔助空氣源熱泵系統（熱水管） 的年節能量約為太陽能晶硅光伏系統年節能量的1.57倍，約為太陽能薄膜光伏系統年節能量的4.21 倍。對于太陽能光伏系統，晶硅系統的年節能量約為薄膜系統的2.68 倍。

5 結語

該建筑物（地處濟南，山東建筑大學科技樓） 屋頂的太陽能輻照量豐富，大部分區域都適合安裝太陽能集熱器或光伏電池組件。太陽能集熱器或光伏電池組件應安裝在屋頂可利用屋面區域，即扣除建筑必要功能區域以外的區域。太陽能熱水系統的年節能量最為顯著，太陽能晶硅光伏系統次之，薄膜光伏系統最低。考慮到教室、辦公室、實驗室較多且分布集中，同時，綜合考慮系統成本等因素，推薦該建筑優先采用太陽能集熱系統[5]。

通過對該建筑屋頂太陽能輻照量模擬分析，及其采用太陽能集熱系統和光伏系統年節能量的理論計算，可為其更加充分利用太陽能資源提供依據，并為濟南市同類建筑太陽能熱水系統與光伏系統的利用及推廣提供了參考。