欒丹明　陳紅兵　王　起

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京　100044；　2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100082)

?

熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)在農(nóng)村住宅建筑中的應(yīng)用研究

欒丹明1陳紅兵1王起2

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100044；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082)

根據(jù)北京地區(qū)的氣候條件及太陽能資源情況，提出了熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)在北京農(nóng)村地區(qū)典型住宅建筑中的三種應(yīng)用方案，并對(duì)不同應(yīng)用方案的全年工況進(jìn)行了對(duì)比分析，選出了最經(jīng)濟(jì)合理的方案。

農(nóng)村住宅，熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)，太陽能，采暖

1　概述

熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)通過熱泵機(jī)組將蒸發(fā)側(cè)熱管式PV/T熱水系統(tǒng)以及冷凝側(cè)末端用戶相結(jié)合，利用熱管式PV/T熱水系統(tǒng)輸出電量并收集太陽能輻射熱量，然后通過熱泵提取熱量以供給用戶生活熱水或冬季采暖。熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)既能提高太陽能綜合利用率，又能保證輸出熱能的穩(wěn)定性。

我國(guó)北方農(nóng)村冬季采暖能耗大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年供暖能耗已經(jīng)達(dá)到1.05億tec，約占生活總能耗的53.6%；生活熱水方面，由于冬季集熱器防凍性能差，導(dǎo)致農(nóng)戶仍然依靠爐灶燒水來提供生活熱水；近幾年隨著農(nóng)戶生活水平提高以及消費(fèi)觀念轉(zhuǎn)變，農(nóng)村用電量不斷攀升，目前農(nóng)村每年消耗的電量約為2 045億kWh。

2　農(nóng)村典型住宅建筑及用能需求

2.1農(nóng)村典型住宅建筑介紹

北京農(nóng)村現(xiàn)有住宅建筑大部分為平房，夏季采用空調(diào)制冷，冬季采用地板采暖。根據(jù)抽樣調(diào)查農(nóng)宅居住面積一般為100 m2左右，且多數(shù)為磚混結(jié)構(gòu)，基本沒有保溫措施。本文研究農(nóng)村典型住宅建筑，平面圖如圖1所示。

2.2用能需求分析

1)采暖用能需求。采暖耗熱量計(jì)算公式：

(1)

根據(jù)式(1)可計(jì)算出農(nóng)村典型住宅建筑采暖季耗熱量為21.94 GJ。

2)熱水用能需求。熱水負(fù)荷計(jì)算公式：

Qh=Cw·V·ρw·(Tend-Ti)

(2)

其中，Qh為加熱熱水需要熱量，kJ；V為用水量，m3，北京農(nóng)村住宅使用人數(shù)取3人/戶，用水定額取40 L/(人·d)；ρw為水密度，kg/m3；Cw為水的定壓比熱，kJ/(kg·K)；Ti為水箱初始水溫，根據(jù)相關(guān)規(guī)范取285 K；Tend為水箱終止水溫，根據(jù)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)取318 K。

根據(jù)式(2)可計(jì)算出農(nóng)村典型住宅建筑年平均日總熱水負(fù)荷為16.55 MJ。

3)電用能需求。根據(jù)住宅建筑照明負(fù)荷及設(shè)備負(fù)荷計(jì)算公式，可得出基本用電負(fù)荷，如表1所示。

表1　農(nóng)村住宅建筑日用電負(fù)荷　kWh

3　熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)方案分析

3.1方案介紹

本文根據(jù)側(cè)重不同的負(fù)荷需求設(shè)計(jì)了三種系統(tǒng)運(yùn)行方案。

1)側(cè)重滿足采暖季熱水負(fù)荷需求。在采暖季利用熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)滿足50%采暖季月平均日總熱水負(fù)荷需求。為保證循環(huán)水溫相對(duì)恒定，需將熱泵機(jī)組的理論蒸發(fā)換熱量等效于熱管式PV/T集熱器的集熱量來計(jì)算。集熱器面積的計(jì)算公式如下：

3）出廠前管材檢驗(yàn)：檢驗(yàn)內(nèi)容有20℃靜液壓強(qiáng)度（100h）試驗(yàn)、80℃靜液壓強(qiáng)度（165h）試驗(yàn)、80℃靜液壓強(qiáng)度（1000h）試驗(yàn)、斷裂伸長(zhǎng)率、氧化誘導(dǎo)時(shí)間、縱向回縮率。以上試驗(yàn)均合格后出具相應(yīng)的試驗(yàn)報(bào)告，方能裝箱海運(yùn)。

(3)

其中，HT為集熱器單位面積上月平均日總太陽輻射量，kJ/m2；ηt為熱泵系統(tǒng)冬季日平均集熱效率，取0.15；ηL為管路及集熱水箱熱損失率，取0；fw為太陽能保證率，取50%；COP為熱泵機(jī)組日平均性能系數(shù)，取3；Qcond為熱泵機(jī)組日總冷凝換熱量，MJ。

根據(jù)式(3)可以得出此方案系統(tǒng)的集熱面積為2.33 m2。需要2塊英利YL200P-23b型號(hào)的PV組件。總光伏電池面積2.34 m2，總集熱面積為2.47 m2。

2)側(cè)重滿足冬季采暖負(fù)荷需求。采暖季利用熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)滿足50%采暖季月平均日總采暖負(fù)荷和熱水負(fù)荷需求。根據(jù)式(3)可以得出此方案系統(tǒng)的集熱面積為24.89 m2，需要25塊英利YL200P-23b型號(hào)的PV組件?？偣夥姵孛娣e為29.20 m2，總集熱面積為30.82 m2。

3)側(cè)重滿足全年電負(fù)荷需求。利用熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)滿足100%年平均日總電負(fù)荷需求。光伏電池面積計(jì)算公式如下：

(4)

其中，fe為電負(fù)荷太陽能保證率，取1；Qe為建筑日總耗電量，MJ；HT為集熱器斜面上月平均日總太陽輻射量，kJ/m2；ηpv為光伏板年平均電效率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取0.11。

根據(jù)式(4)可以得出此方案系統(tǒng)的光伏面積為5.00 m2，需要4塊英利YL200P-23b型號(hào)的PV組件。總光伏電池面積為4.67 m2，總集熱面積為4.93 m2。

3.2方案分析與比較

表2　北京地區(qū)月平均日總輻射量　MJ/m2

1)熱性能分析。熱管式PV/T熱水系統(tǒng)太陽能保證率的計(jì)算公式如下：

(5)

其中，ηt為集熱器平均集熱效率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取0.3。

根據(jù)三種方案系統(tǒng)不同的總集熱面積，分別代入公式計(jì)算，可得出三種方案的熱負(fù)荷太陽能保證率，見表3。

表3　全年熱負(fù)荷太陽能保證率　%

從表3可以看出，方案一8月份熱負(fù)荷太陽能保證率最高，4月份最低，全年平均值為55.7%；方案二PV組件數(shù)量較多，系統(tǒng)的熱負(fù)荷太陽能保證率可達(dá)到上限值，全年平均值為62%；方案三系統(tǒng)設(shè)備容量較大，熱負(fù)荷太陽能保證率變化較大，全年平均值為62%。

2)電負(fù)荷太陽能保證率。電負(fù)荷太陽能保證率的計(jì)算公式如下：

(6)

根據(jù)式(6)計(jì)算出系統(tǒng)全年電負(fù)荷太陽能保證率，結(jié)果見表4。

表4　全年電負(fù)荷太陽能保證率　%

從表4可以看出，方案一2月份電負(fù)荷太陽能保證率最高，12月份最低，全年平均值為46.8%；方案二全年電負(fù)荷太陽能保證率非常高，幾乎都在500%以上；方案三電負(fù)荷太陽能保證率2月份最高，12月份最低，全年平均值為94%。

3)方案比較。對(duì)以上方案分析可以發(fā)現(xiàn)：方案二系統(tǒng)需要PV/T集熱器數(shù)量最多但僅能保證50%的冬季采暖負(fù)荷和熱水負(fù)荷。在過渡季和空調(diào)季，生活熱水供給量大大超過需求量，且系統(tǒng)占地面積較大，初投資較高，安裝不便。方案三系統(tǒng)僅用4塊PV/T集熱器即可基本滿足全年電負(fù)荷需求，但采暖季最大熱負(fù)荷太陽能保證率僅為10%，冬季供暖效果不夠理想。且在過渡季和空調(diào)季也同樣存在供給過量生活熱水的問題。而方案一系統(tǒng)僅使用2塊PV/T集熱器就可基本滿足采暖季50%的熱水負(fù)荷需求，同時(shí)還可以保證全年平均46.8%的電負(fù)荷需求。因此經(jīng)過綜合比較，認(rèn)為方案一系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)可行、太陽能利用最有效、最便于實(shí)際利用。

4　經(jīng)濟(jì)效益分析

選擇側(cè)重滿足采暖季熱水負(fù)荷需求的方案，采用附加投資回收年限法確定投資回收期。

1)應(yīng)用方案初投資計(jì)算。熱管式PV/T集熱器選型均相同，根據(jù)住宅面積計(jì)算，戶均初投資約為65元/m2。

2)年節(jié)約能源費(fèi)用計(jì)算。根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷太陽能保證率可計(jì)算出各月平均日總集熱量和輸出電量，見表5。

表5　月平均日總集熱量和輸出電量　MJ

綜上可以計(jì)算出方案一系統(tǒng)的年總集熱量為3 368.8 MJ，年輸出電量424.4 kWh。

系統(tǒng)的能耗主要包括水泵和熱泵機(jī)組兩部分，年總耗電量為549.3 kWh。本系統(tǒng)采用電能作為輔助熱源，耗電量為1 039.8 kWh，則系統(tǒng)的年總節(jié)省電量為914.9 kWh。根據(jù)北京地區(qū)0.48元/kWh電價(jià)計(jì)算，可以計(jì)算出年節(jié)約能源費(fèi)用約為439元。

3)回收年限計(jì)算。按附加投資回收年限法可計(jì)算出系統(tǒng)的回收年限為14.8年。

5　結(jié)語

本文提出了三種側(cè)重不同負(fù)荷需求的熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)在北京農(nóng)村住宅建筑中的應(yīng)用方案，并進(jìn)行了全年工況分析。對(duì)比可知，系統(tǒng)PV/T集熱器數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致過渡季和空調(diào)季供給過量生活熱水，且初投資較高。PV/T集熱器數(shù)量適當(dāng)時(shí)，綜合對(duì)比全年熱負(fù)荷及電負(fù)荷太陽能保證率，對(duì)于面積約為100 m2的典型農(nóng)宅，側(cè)重滿足采暖季熱水負(fù)荷需求方案的太陽能利用率更高。

一般太陽能系統(tǒng)使用壽命為20年，投資回收期在20年內(nèi)就被認(rèn)為經(jīng)濟(jì)可行。方案一系統(tǒng)回收期為14.8年，相對(duì)較長(zhǎng)，這主要是由于熱管式PV/T熱泵系統(tǒng)目前技術(shù)仍不成熟，熱效率較低，成本高。

[1]周晉,晏剛,吳業(yè)正.北京地區(qū)的太陽輻射分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2005,26(6):712-716.

[2]劉少亮.河北地區(qū)農(nóng)村住宅太陽能供熱系統(tǒng)研究[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2012.

[3]趙世明,高峰.住宅建筑生活熱水太陽能集熱器面積的確定[J].中國(guó)給水排水,2009,25(20):28-30.

[4]萬水.住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)取值的探討[J].中國(guó)給水排水,2011,27(18):51-54.

[5]劉建華,劉小芳,馬旭東,等.天津市太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保證率取值的分析[J].中國(guó)給水排水,2013,29(6):33-38.

[6]王寶群,姚強(qiáng).光伏/光熱(PV/T)系統(tǒng)概況與評(píng)價(jià)[J].太陽能學(xué)報(bào),2009,30(2):193-200.

The application research on heat pipe PV/T heat pump system in rural residential buildings

Luan Danming1Chen Hongbing1Wang Qi2

(1.EnvironmentalandEnergyEngineeringSchool,BeijingArchitectureUniversity,Beijing100044,China;2.BeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100082,China)

According to the climate conditions and solar energy resources in Beijing area, this paper proposed three application schemes of heat pipe type PV/T heat pump system in Beijing rural area typical residential buildings, and made comparative analysis on full year work situation to different application schemes, selected the most economic and reasonable scheme.

rural residence, heat pipe PV/T heat pump system, solar energy, heating

1009-6825(2016)19-0109-02

2016-04-23

欒丹明(1992- )，女，在讀碩士；陳紅兵(1977- )，男，副教授；王起(1989- )，男，助理工程師

TU833

A