可再生能源建筑供能系统性能比较研究

张 影，刁荣丹，江秀芳，雷欣荣

(温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035)

1 引言

我国建筑能耗从2000～2012年增长了37%，到2050年建筑总能耗将比2012年增长70%[1,2]，近些年可再生能源建筑占据了应用市场的很大比重[3,4]。

目前国内外学者开展了一系列可再生能源供能系统的研究，鲁月霞等[5～7]研究了住宅屋顶太阳能热水系统的经济性能；Truong N L等[8～10]研究表明系统的整体性能尤为重要；Poppi等[11,12]研究表明电价的变化对太阳能空气源热泵结合系统的影响远远超过其他经济参数；Cai等[13]研究表明热泵COP随着太阳辐射照度的增加而增加；王建等[14,15]研究了集中式太阳能热水系统的优化和性能；柯光耀等[16]对不同初始温度下的太阳能热水系统的流动和传热性能进行了评价。以上研究对单一可再生能源供能系统进行性能分析，但是并没有将不同种类的可再生能源建筑置于相同试验条件下，使其系统性能具有可比性，对不同种类供能系统的系统性能及性能参数进行对比分析。

针对以上问题，本文参考GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[17]在两栋位置相邻，结构、体型、材料相同的教师公寓楼楼顶分别搭建空气源热泵热水系统及紧凑式全玻璃真空管热水系统试验台，将两套试验装置置于同等试验环境，做同周期系统性能试验，对供能系统的系统性能及性能参数进行分析，利用可拓理论分析系统性能影响参数的权重系数，计算可再生能源供能系统性能参数的综合关联度。

2 试验项目简介

本项目以两栋位置相邻，结构、体型、材料相同的教师公寓楼为研究对象，如图1所示，公寓楼楼层数为11层，每层6户，户型为一室一厅一卫一阳台，建筑面积为29.2 m2，为了改善住宿条件、方便教师生活用热水，分别在两栋公寓楼楼顶安装紧凑式全玻璃真空管热水系统与空气源热泵热水系统，为住户提供24 h生活热水。

图1 试验教师公寓楼

3 试验设备

采用YG-QXZ-350型自动气象站对试验环境下的气象数据进行全天实时监测，包括风速、温度、太阳辐射、日照时数等，数据采集周期为10 min/次。将自动气象站置于试验公寓楼楼顶，位置高于地面1.2 m，与供能系统距离为2 m，附近没有烟囱、冷却塔或热气排风扇等热源，符合GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》[18]的规定。

试验过程中，可再生能源系统利用热水机智能管理系统采集机组各项数据，包括：水表读数、电表读数、用水量、用电量、补水量、耗能比、制热量及加热时长；并能通过参数设定机组开关机及加热温度；利用GPRS每2 min上传数据至平台，平台至控制柜实时下传；利用继电器输出220 V电信号，控制供水、补水、回水。

可再生能源供能系统中，真空管太阳能热水系统共18组，规格为36支管，真空管尺寸为Φ58 mm×1800 mm，采光面积为4.46 m2；空气源热泵热水系统尺寸为800 mm×800 mm×1105 mm，太阳能热水系统与空气源热泵热水系统的具体技术参数如表1所示，试验设备如图2所示。

表1 可再生能源供能系统参数

图2 试验设备

4 试验方法及原理

根据GB 50178-93《建筑气候区划标准》[19]规定温州地区属于Ⅲ区；根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准规定其太阳能资源属于资源可利用区，太阳能利用系统的太阳能保证率≥40%，所以在试验公寓楼顶配置真空管太阳能热水系统与空气源热泵热水系统，符合标准规定。

4.1 试验周期确定

根据全年气象数据采集结果，2019年5月份的气象数据统计结果如下：①21.75 ℃≤室外环境的平均温度≤27.63 ℃；②0 m/s≤环境空气的平均流动速率≤1.01 m/s；③太阳辐射量J分别在以下区间：J<8 MJ/(m2·d)的天数为7 d，8 MJ/(m2·d)≤J<13 MJ/(m2·d)的天数为7 d，13 MJ/(m2·d)≤J<18 MJ/(m2·d)的天数为5 d，18 MJ/(m2·d)≤J的天数12 d。

将上述数据与GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[17]进行对比，符合规定，故选取5月份为可再生能源建筑供能系统性能研究的试验周期；且保证每次试验前系统在平均负荷率不小于设计值50%的条件下连续运行3 d，系统平均负荷率不小于设计值的50%[17]。

4.2 供能系统耗能比分析

试验期间，两栋可再生能源建筑均为11层，每层6户，平均每户3人，其中真空管太阳能热水系统为住户提供生活热水的系统得热量相当于加热相同体积、质量、温度的水节约的电能，将单位用水量的耗电量定义为真空管太阳能热水系统耗能比ηsolar；另一栋可再生能源建筑由空气源热泵热水系统为住户提供生活热水，同理定义空气源热泵热水系统耗能比ηpump；将试验期间太阳能热水系统能耗比ηsolar与空气源热水系统能耗比ηpump进行对比，结果如图3所示。

图3 太阳能热水系统与空气源热水系统的能耗比进行对比

从图3可以看出，在试验周期的31 d内，有25 d是太阳能热水系统能耗比ηsolar>空气源热泵热水系统能耗比ηpump，两种可再生能源供能系统能耗比的差值分别是△η5.1为31.20，△η5.2为87.01，△η5.3为70.94，△η5.4为74.47，△η5.5为61.47，△η5.6为29.47，△η5.7为19.64，△η5.8为9.14，△η5.9为17.60，△η5.10为19.02，△η5.11为14.27，△η5.12为31.29，△η5.13为5.50，△η5.14为72.21，△η5.15为2.24，△η5.16为22.94，△η5.17为9.65，△η5.18为17.49，△η5.21为8.87，△η5.22为5.56，△η5.23为31.11，△η5.24为55.78，△η5.25为22.78，△η5.27为5.55，△η5.30为30.23；其余时间太阳能热水系统能耗solar<空气源热水系统能耗比ηpump，两种可再生能源供能系统能耗比的差值分别是△η5.19为-1.80，△η5.20为-8.06，△η5.26为-15.56，△η5.28为-0.42，△η5.29为-4.78，△η5.31为-2.58。进一步分析能耗比差值△η小于零的6 d中的系统性能参数，包括气温、辐射、日照时数、风速与太阳能热水系统及空气源热泵热水系统的进出口水温、太阳能热水系统的出水温度Tsout、太阳能热水系统的进水温度Tsin、空气源热泵热水系统的出水温度Tpout、空气源热泵热水系统的进水温度Tpin，结果如图4所示。

(a)气象数据 (b)供能系统进、出口水温

从图4中可以得出，试验周期内气温平均值为24.51 ℃，太阳辐射平均值为177.50 W/m2，日照时数平均值为4.76 h，风速平均值为0.34 m/s；太阳能热水系统出水温度Tsout的平均值为52.76 ℃，太阳能热水系统进水温度Tsin平均值为34.73 ℃，空气源热泵热水系统出水温度Tpout平均值为24.93 ℃，空气源热泵热水系统进水温度Tpin平均值为37.60 ℃。由于△η5.19、△η5.20、△η5.26、△η5.28、△η5.29及△η5.31为负值，分析这6 d的天气，为小雨或小雨转中雨，太阳辐射分别为84.17 W/m2、86.33 W/m2、73.17 W/m2、86.29 W/m2、81.08 W/m2、83.33 W/m2，均低于月平均值177.5 W/m2，日照时长分别为2.82 h、3.20 h、4.25 h、4.63 h、3.81 h、4.41 h，均低于月平均值4.76 h。

由于太阳辐射及日照时长是影响太阳能热水系统性能的重要性能参数[20]，所以在同等试验条件下，当太阳辐射量较低、日照时长较短时，太阳能热水系统的集热效率与集热量均较低，则不足以提供住户足够的生活热水，导致供能系统中太阳能热水系统能耗比ηsolar<空气源热水系统能耗比ηpump。

5 结果与分析

熵值反映了各评价因素对决策评价提供的有用信息量的大小，如果某因素的熵值越小，则该因素提供的信息越多，权重越大。用熵权法计算可再生能源建筑供能系统中各指标Cij的权重，具体计算过程[21]如下：

(1)数据矩阵:

其中Xij为第i个方案第j个指标的数值。

(2)数据的非负数化处理。由于熵值法计算采用的是各个方案某一指标占同一指标值总和的比值，因此不存在量纲的影响，不需要进行标准化处理，若数据中有负数，就需要对数据进行非负化处理。此外，为了避免求熵值时对数的无意义，需要进行数据平移。

对于越大越好的指标：

(1)

对于越小越好的指标：

(2)

i=1,2，…，n;j=1,2,…,m,

为了方便起见，仍记非负化处理后的数据为Xij。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

(3)计算第j项指标下第i个方案占该指标的比重:

(3)

(4)计算第项指标的熵值:

(4)

式(4)中，k>0，ln为自然对数，ej≥0，式中常数k与样本数m有关，一般令k=1/lnm，则0≤e≤1。

(5)计算第j项指标的差异系数。对于第j项指标，指标值Xij的差异越大，对方案评价的作用越大，熵值就越小，gj=1-ej， 则：gj越大指标越重要。

(6)求权数:

(5)

(7) 计算待评价物元关于各评价等级的关联函数。在可拓理论中，通常采用关联函数来刻画待评价对象各项指标关于各评价等级的隶属程度，其计算公式如下：

(6)

(7)

|x0ji|=|(a0ji)-b0ji)|

(8)

(9)

式中，kj(xi)为第i个评价指标属于第j个评价等级的关联度；ρ(xi，x0ji)为点xi与区间x0ji的距；ρ(xi，xpi)为点xi与区间xpi的距；x0ji为区间x0ji=〈a0ji，b0ji〉的模。

(8) 确定综合关联度。假定第i个评价指标ci的权重系数为ωi，则待评价对象N关于评价等级j的多指标综合关联度Kj(N)为：

(10)

Kj(N)值越大，表明待评价对象N与评价等级j的关联程度越高。maxKj(N)所对应的评价等级即为待评价对象N所属的类别。

(9)算法实现结果。分别计算太阳能热水系统与空气源热泵热水系统性能参数的分项综合权重系数，即太阳能热水系统中，系统出水温度的权重系数Ws1，进水温度的权重系数Ws2，气温的权重系数Ws3，太阳辐射的权重系数Ws4，日照时数的权重系数Ws5；空气源热泵热水系统中，系统出水温度的权重系数Wp1，进水温度的权重系数Wp2，气温的权重系数Wp3，太阳辐射的权重系数Wp4，日照时数的权重系数Wp5，结果如表2所示。

表2 可再生能源供能系统参数分项综合权重系数

通过对太阳能热水系统与空气源热泵热水系统性能的分项权重系数的计算，从表2得出。

(1)对于太阳能热水系统，系统出水温度的权重系数Ws1为0.08，进水温度的权重系数Ws2为0.01，气温的权重系数Ws3为0.02，太阳辐射的权重系数Ws4为0.78，日照时数的权重系数Ws5为0.12；对于空气源热泵热水系统，系统出水温度的权重系数Wp1为0.08，进水温度的权重系数Wp2为0.01，气温的权重系数Wp3为0.02，太阳辐射的权重系数Wp4为0.78，日照时数的权重系数Wp5为0.12。

(2)对比太阳能热水系统与空气源热泵热水系统的各项权重系数，得出2种供能系统中出水温度、进水温度、气温、太阳辐射、日照时数的权重系数一一对应相等，即在试验条件下，2种供能系统性能参数具有可比性。

对太阳能热水系统与空气源热泵热水系统的分项系数进行多指标综合关联度计算，结果如表3所示。

表3 可再生能源供能系统性能参数综合关联度

从表3得出，对于可再生能源建筑供能系统，出水温度对于供能系统性能的综合关联度Kj(1)为2.07，进水温度对于供能系统性能的综合关联度Kj(2)为2.04，气温对于供能系统性能的综合关联度Kj(3)为2.14，太阳辐射对于供能系统性能的综合关联度Kj(4)为4.97，日照时数对于供能系统性能的综合关联度Kj(5)为3.78。对比以上关联系数，太阳辐射的Kj(4)最大，日照时数的Kj(5)次之，出水温度的Kj(1)、进水温度的Kj(2)、气温的Kj(3)略小；其中出水温度的Kj(1)与进水温度的Kj(2)相近，比气温的Kj(3)小0.07；太阳辐射的Kj(4)最大，为出水温度的Kj(1)及进水温度Kj(2)的2.44倍，比日照时数的Kj(5)大1.19。

6 结论

(1)太阳能热水系统与空气源热泵热水系统中，二者系统出水温度的权重系数相等为0.08；系统进水温度的权重系数相等为0.01；气温的权重系数相等为0.02；太阳辐射的权重系数相等为0.78；日照时数的权重系数相等为0.12；所以得出，在试验条件下，两种供能系统耗能比具有可比性。

(2)对于可再生能源建筑，出水温度对于供能系统性能的综合关联度Kj(1)为2.07，进水温度对于供能系统性能的综合关联度Kj(2)为2.04，气温对于供能系统性能的综合关联度Kj(3)为2.14，太阳辐射对于供能系统性能的综合关联度Kj(4)为4.97，日照时数对于供能系统性能的综合关联度Kj(5)为3.78。对比以上关联系数，太阳辐射的Kj(4)最大，日照时数的Kj(5)次之，出水温度的Kj(1)、进水温度的Kj(2)、气温的Kj(3)略小；其中出水温度的Kj(1)与进水温度的Kj(2)相近，比气温的Kj(3)小0.07；太阳辐射的Kj(4)最大，为出水温度的Kj(1)及进水温度Kj(2)的2.44倍，比日照时数的Kj(5)大1.19，也就解释了在出水温度、进水温度、气温、太阳辐射、日照时数这5项参数中，当太阳辐射与日照时数小于平均值时，系统耗能比太阳能热水系统能耗比ηsolar小于与空气源热水系统能耗比ηpump，而其他参数对供能系统耗能比的影响并不明显。