田野 劉濤 馬永志 張晨晨

摘要：? 為解決可再生能源存在的利用率低等問題，本文結(jié)合太陽(yáng)能熱利用技術(shù)、太陽(yáng)能光伏技術(shù)、燃料電池系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等一系列技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套多源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過計(jì)算建筑負(fù)荷，在Trnsys仿真平臺(tái)中建立仿真模型，對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)出口溫度等進(jìn)行相關(guān)分析。同時(shí)，為了對(duì)比分析系統(tǒng)的性能，在Simulation Studio中，通過連接各個(gè)功能不同的模塊，建立了單一PV/T系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，單一PV/T系統(tǒng)的全年平均光電效率為0.082 5，全年發(fā)電量約為1 745 kW·h;帶有冷卻循環(huán)多源系統(tǒng)中的PV/T集熱器，其全年平均光電效率為0.123 8，比單一系統(tǒng)提高了50.06%，發(fā)電量為2 560 kW·h，提高了815 kW·h。說明帶有冷卻循環(huán)的多源系統(tǒng)，比單一PV/T系統(tǒng)在發(fā)電量及光電效率等方面均有顯著提升。該研究可提高再生能源的利用率。

關(guān)鍵詞：? Trnsys; 太陽(yáng)能; 燃料電池; 地源熱泵; 熱電聯(lián)產(chǎn)

中圖分類號(hào)： TM61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

通信作者：? 馬永志（1972-），男，漢族，山東濰坊人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楣?jié)能環(huán)保技術(shù)。 Email： hiking@126.com

太陽(yáng)能是人類使用能源的重要組成部分，但是單純的利用太陽(yáng)能效率較低，因此將太陽(yáng)能技術(shù)與地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有效結(jié)合，可以提高太陽(yáng)能的利用率，滿足用戶對(duì)電能和熱能的需求。目前，燃料電池技術(shù)是最有發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，溫術(shù)來[1]引入燃料電池技術(shù)為系統(tǒng)進(jìn)行電量供給。為了提高可再生能源的利用率，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了許多改進(jìn)措施。E. B. Penrod等人[2]研究了太陽(yáng)能與地源熱泵之間的內(nèi)在聯(lián)系，率先提出了將太陽(yáng)能技術(shù)與地源熱泵技術(shù)結(jié)合的觀點(diǎn);周剛[3]提出了太陽(yáng)能補(bǔ)償式地源熱泵系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn);王恩宇等人[4]為提高太陽(yáng)能利用率，提出了雙地埋管群利用方式;王丹等人[5]對(duì)采用閉式垂直U型地埋管換熱器的太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行模擬，并對(duì)地源熱泵系統(tǒng)制冷及供熱方面進(jìn)行了分析;張濤等人[6]結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)與燃料電池技術(shù)，構(gòu)建了太陽(yáng)能耦合質(zhì)子交換膜燃料電池的聯(lián)供系統(tǒng)，對(duì)余熱回收的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)模擬?；诖?，本文將太陽(yáng)能技術(shù)、地源熱泵技術(shù)和燃料電池系統(tǒng)相結(jié)合，通過Trnsys仿真平臺(tái)中的工具箱，建立了整個(gè)多源系統(tǒng)仿真模型，并且對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電量、發(fā)電功率等方面進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)整體發(fā)電與供熱效果較好，且燃料電池的加入，保證了整個(gè)多源系統(tǒng)的電量供應(yīng)，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該研究對(duì)節(jié)約能源具有重要意義。

1熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1系統(tǒng)的組建

本文設(shè)計(jì)的多源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是光伏光熱集熱系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)，太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，光伏光熱集熱系統(tǒng)采用PV/T集熱器[7]，燃料電池系統(tǒng)選用甲醇溶液，不僅對(duì)環(huán)境友好，還能保證電量供應(yīng)的穩(wěn)定性[8]。

1.2系統(tǒng)的運(yùn)行

系統(tǒng)的控制方式有兩種：一是當(dāng)處于供暖季時(shí)，如果負(fù)荷率大于10%，此時(shí)負(fù)荷側(cè)水泵開始啟動(dòng)，熱泵機(jī)組工作;二是當(dāng)PV/T集熱板進(jìn)出口溫差大于5 ℃時(shí)，則地源側(cè)水泵開始啟動(dòng)，地埋管換熱器工作[9]。

在冬季和夏季不同的工況下，系統(tǒng)的運(yùn)行模式有所不同。夏季時(shí)，PV/T集熱器吸收了大量來自太陽(yáng)輻射的能量，為了保證集熱板正常工作，必須向外界散發(fā)一定的熱量，經(jīng)過地埋管換熱器對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)熱，既保證了土壤的溫度，也提高了熱泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期有效運(yùn)行;冬季時(shí)，地源熱泵運(yùn)行，通過PV/T集熱器的作用，吸收來自太陽(yáng)的輻射，一部分能量可為系統(tǒng)提供一定的電量，另一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在蓄水箱中[10]，提升了熱泵機(jī)組蒸發(fā)器入水溫度，這樣可以大大提高熱泵機(jī)組的能效比[11]。

2仿真模型搭建

2.1建筑模型參數(shù)

本文以天津地區(qū)某獨(dú)立住宅為研究對(duì)象，建筑總面積為150 m2，其中供熱面積138 m2。夏季室內(nèi)溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為58%，冬季室內(nèi)溫度20 ℃，相對(duì)濕度為42%。建筑負(fù)荷計(jì)算模型如圖2所示。

通過查閱相關(guān)氣象資料，計(jì)算得全年負(fù)荷，全年負(fù)荷隨模擬時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在研究期間，最大瞬時(shí)熱負(fù)荷為10.30 kW，而供暖季平均熱負(fù)荷為5.39 kW。

2.2系統(tǒng)仿真模型

模擬軟件采用Trnsys仿真平臺(tái)，在Simulation Studio中通過連接各個(gè)功能不同的模塊搭建仿真模型。構(gòu)建多源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用的主要模塊包括：PV/T集熱器（Type50b）、地埋管換熱器（Type557a）、熱泵機(jī)組（Type225）、控制器（Type2b）、積分計(jì)算（Type24）、圖形輸出部件（Type65a）等[12]。

系統(tǒng)模型主要由PV/T集熱器、燃料電池、熱泵機(jī)組、地埋管換熱器、閥門、控制器、顯示器等組成[13-15]。多源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型如圖4所示[16]。

3仿真結(jié)果分析

對(duì)上述多源系統(tǒng)進(jìn)行一年的仿真，步長(zhǎng)設(shè)置為1 h，主要在負(fù)荷側(cè)供水和回水溫度、地埋管進(jìn)出口溫度等方面進(jìn)行仿真計(jì)算[17]，系統(tǒng)各部件溫度輸出如圖5所示。對(duì)系統(tǒng)全年發(fā)電量及發(fā)電功率進(jìn)行了仿真計(jì)算[18]，系統(tǒng)全年發(fā)電量和發(fā)電功率分布如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，光伏光熱集熱器收集的熱量能提高蒸發(fā)器入口溫度，有利于提高熱泵機(jī)組COP。同時(shí)，在集熱過程中，降低了光伏板組件溫度，提高了發(fā)電性能，降低了機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用。土壤溫度波動(dòng)較低，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定，提高了對(duì)可再生能源的利用率。

為了對(duì)比分析多源系統(tǒng)的性能，添加一個(gè)無(wú)集熱循環(huán)的單一PV/T系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比[19]，單一PV/T系統(tǒng)模型如圖7所示。經(jīng)過模擬，得到單一PV/T系統(tǒng)輸出如圖8所示[20]。比較圖8和圖6可以看出，單一PV/T系統(tǒng)的全年平均光電效率為0.082 5，全年發(fā)電量約為1 745 kW·h。帶有冷卻循環(huán)多源系統(tǒng)中的PV/T集熱器的全年平均光電效率為0.123 8，比單一系統(tǒng)提高50.06%，發(fā)電量為2 560 kW·h，提高了815 kW·h。這是因?yàn)閱我籔V/T系統(tǒng)沒有冷卻循環(huán)裝置[21]，光伏組件在運(yùn)行過程中冷卻效果較差，溫度提高過快，超出了標(biāo)準(zhǔn)工作溫度，降低了系統(tǒng)的光電效率，此外，由于光伏組件長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)降低光伏電池使用壽命。

多源系統(tǒng)中的冷卻循環(huán)能夠使系統(tǒng)部件溫度得到顯著降低，使系統(tǒng)處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟戎?，提高系統(tǒng)的光電效率。在非供暖季運(yùn)行工況下，PV/T系統(tǒng)可以通過水泵循環(huán)將大部分的熱量輸送到地下土壤層中;在供暖季運(yùn)行工況下，PV/T系統(tǒng)的熱量可用來增加蒸發(fā)器入口溫度，有效提升熱泵機(jī)組COP。在此兩種工況下，熱量都可以得到有效利用，增加了光伏電池的使用壽命，提高了光電效率和發(fā)電量。

4結(jié)束語(yǔ)

本文將地源熱泵技術(shù)、燃料電池、太陽(yáng)能技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)出多源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提高了對(duì)可再生能源的利用效果，同時(shí)也能夠保證用戶對(duì)熱能和電能方面的需求。利用Trnsys仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)充分利用了太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，能源利用率較高，對(duì)環(huán)境的污染較小，而且系統(tǒng)整體的發(fā)電與供熱效果較好。同時(shí)，燃料電池的加入，保證了整個(gè)多源系統(tǒng)的電量供應(yīng)，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)比多源系統(tǒng)與不帶冷卻循環(huán)的單一PV/T系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多源系統(tǒng)的全年發(fā)電量及光電轉(zhuǎn)化效率均有大幅度提高。該研究可以提升設(shè)備的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫術(shù)來. 燃料電池的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工， 2019， 39（7）： 66-70.

[2]Penrod E B， Prasanna D V. Design of flat-plate collector for solar earth heat pump[J]. Solar Energy， 1962， 6（1）： 9-22.

[3]周剛. 太陽(yáng)能補(bǔ)償式土壤源熱泵研究[D]. 陜西： 陜西理工大學(xué)， 2018.

[4]王恩宇， 沈云祥， 陳宇樸， 等. 太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)雙地埋管群利用方式研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù)， 2020， 19（2）： 103-109.

[5]王丹， 陳科. Fluent軟件對(duì)太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)模擬分析[J]. 價(jià)值工程， 2019， 38（26）： 164-165.

[6]張濤， 韓吉田， 于澤庭， 等. 太陽(yáng)能耦合燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收的運(yùn)行參數(shù)模擬研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019， 35（12）： 239-247.

[7]邱升. 太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)集熱器流動(dòng)傳熱特性及優(yōu)化[D]. 揚(yáng)州： 揚(yáng)州大學(xué)， 2018.

[8]馬曉豐. 太陽(yáng)能光伏光熱-熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬及優(yōu)化研究[D]. 青島： 青島理工大學(xué)， 2018.

[9]徐子龍， 程鵬月， 任佳藝， 等. 談太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱[J]. 山西建筑， 2019， 45（3）： 180-181.

[10]王政偉， 呂長(zhǎng)寧， 蔡佳霖， 等. 光熱發(fā)電高溫固體蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 節(jié)能技術(shù)， 2018， 36（4）： 357-360.

[11]劉霖. 南堡地區(qū)集中供熱系統(tǒng)熱源改造及運(yùn)行優(yōu)化[D]. 唐山： 華北理工大學(xué)， 2018.

[12]宮克勤， 楊子昱， 呂松炎， 等. 基于TRNSYS的地源熱泵優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真模擬分析[J]. 河南科學(xué)， 2020， 38（4）： 613-619.

[13]明坤， 高林， 郇慶秋， 等. 基于太陽(yáng)能和燃?xì)獾亩嗄芑パa(bǔ)系統(tǒng) 熱電負(fù)荷分配技術(shù)研究[J]. 熱力發(fā)電， 2019， 48（7）： 39-46.

[14]鮑玲玲， 耿杰雯， 朱淑靜， 等. 溫室用地埋管與空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2020， 42（12）： 258-264.

[15]李少華， 林清龍， 段新勝， 等. 杭州某地埋管地源熱泵系統(tǒng)地溫場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析[J]. 暖通空調(diào)， 2020， 50（8）： 70-74.

[16]徐偉， 劉超， 李錦堂， 等. 濟(jì)寧文化中心地源熱泵系統(tǒng)性能化設(shè)計(jì)與能效測(cè)評(píng)[J]. 暖通空調(diào)， 2020， 50（8）： 8-15， 99.

[17]張宇航， 孫博， 張小松， 等. 住宅地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及冬季運(yùn)行性能分析[J]. 制冷學(xué)報(bào)， 2020， 41（5）： 89-95， 107.

[18]李驥， 喬鏢， 馬寧， 等. 某醫(yī)院大型地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與運(yùn)行效果驗(yàn)證[J]. 暖通空調(diào)， 2020， 50（8）： 27-34.

[19]曲明璐， 宋小軍， 盧明琦， 等. PV/T與熱泵一體化系統(tǒng)中蓄熱水箱溫度分層性能研究[J]. 流體機(jī)械， 2020， 48（6）： 66-71.

[20]張昕宇， 殷翀， 張磊， 等. 太陽(yáng)能光伏光熱組件（PV/T）性能評(píng)價(jià)方法研究[J]. 建筑科學(xué)， 2019， 35（12）： 152-156.

[21]陳紅兵， 姚華寧， 龔雨桐， 等. 新型平板熱管式太陽(yáng)能PV/T集熱系統(tǒng)的 性能研究[J]. 可再生能源， 2019， 37（8）： 1139-1145.

Abstract：?? In order to solve the problem of low utilization rate of renewable energy， this paper designs a set of multi-source cogeneration system based on solar thermal utilization technology， solar photovoltaic technology， fuel cell system， ground source heat pump system and so on. By calculating the building load， the simulation model is established in the Trnsys simulation platform， and the correlation analysis of the inlet and outlet temperature of the system components is carried out. At the same time， in order to compare and analyze the performance of the system， through connecting various modules with different functions in simulation studio， a single PV/T system simulation model is established. The simulation results show that the annual average photoelectric efficiency of a single PV/T system is 0.082 5， and the annual power generation is about 1 745 kW·h; the annual average photoelectric efficiency of PV/T collector with cooling cycle multi-source system is 0.123 8， which is 50.06% higher than that of single system， and the power generation is 2 560 kW·h， which is 815 kW·h higher than that of single system. The results show that the multi-source system with cooling cycle can significantly improve the power generation and photoelectric efficiency compared with the single PV/T system. The research can improve the utilization rate of renewable energy.

Key words： Trnsys; solar energy; fuel cell; ground source heat pump; cogeneration