西藏高原离网光伏供暖系统容量配置优化研究

2021-03-14张睿超王登甲刘艳峰王慧琳王小军

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年6期

张睿超，王登甲，刘艳峰，王慧琳，王小军

(1.西部绿色建筑国家重点实验室，陕西西安 710055；2.西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院，陕西西安 710055；3.拉萨市设计集团有限公司，西藏拉萨 850030)

西藏高原常规能源匮乏，当地供暖需求迫切，长期以来，当地多采用燃烧牛粪等生物质能源采暖或无采暖.但是，西藏高原太阳能、水电等可再生能源十分丰富，具备利用可再生能源进行零碳化供暖的先决条件、先试先行，在西部高原建筑供暖领域率先实现区域性“碳中和”，为我国其他地区零碳建筑发展起到示范引领作用.

太阳能在建筑中利用主要分为光热和光电等利用形式.目前，西藏高原太阳能供暖以光热利用居多，已开展大量科研研究和工程落地示范.李玥等[1]对日喀则市某办公建筑太阳能供暖系统建立了TRNSYS模型，对其系统性能进行了优化.王磊等[2]采用f图法对不同的太阳能与水源热泵联合供暖系统保证率进行了分析比较.白旭升等[3]对空气式太阳能供暖系统在西藏地区的应用进行了测试分析.在蓄热水箱容积与辅助热源方面，刘艳峰、王登甲团队对太阳能地面采暖系统各种蓄热温差下对应的蓄热水箱容积进行了模拟分析与优化设计[4]，对西藏高原不同地区采用不同的辅助热源的技术经济性进行了研究分析，得到不同辐射资源区最佳辅助热源类型[5].在工程应用方面，近些年，在西藏高原陆续建成了以浪卡子、仲巴县太阳能集中供暖工程为代表的系列太阳能供暖示范项目[6-8].

近些年，光伏成本逐年下降，加之长距离输配损耗小、建筑用能电气化支撑程度高等优势，光伏在建筑中的应用受到空前重视.ZENG等[9]对冷热电联产、地源热泵、光伏光热耦合系统建立了优化模型，分析了不同负荷比下的设备容量.太阳能光伏+空气源热泵系统相比其他形式系统具有系统结构简单，能效比高等优势[10-11].张瑞丹等[12]针对青海西宁住宅提出了多种光伏清洁供暖方式，并对其经济效益了进行分析.王良等[13]探讨了光伏直驱空气源热泵系统冬季供暖性能及系统各部件间的匹配特性.赵学林等[14]提出了太阳能光伏光热耦合地源热泵机组的供热系统，对系统进行了仿真动态模拟.Ozcan等[15]对太阳能光伏驱动的空气源热泵系统建立了数值模型，并通过实验对模型进行了验证.

综上所述，西藏高原太阳能光热供暖尽管存在一些不同程度的“高原病”[16]，但针对不同类型的单户、分布式、集中式太阳能供暖技术形式已基本确定，后期运行控制、维护管理则是关键.西藏高原光伏供暖相关研究与成功案例则相对较少，基于此，本文针对西藏高原一些特殊的独立区域条件，提出了离网光伏+空气源热泵+蓄电、光伏+空气源热泵+蓄热、光伏+电采暖设备+蓄电三种综合能源供热系统形式；以日喀则市某孤立型居住建筑为研究对象，对上述光伏供暖系统光伏场面积、蓄能设备容量进行了优化匹配分析.

1 “光伏+”供暖系统原理及模型

1.1 系统原理描述

西藏高原阿里、日喀则等地区地域辽阔、住区分散，部分乡镇、军队哨所位置偏远且相对孤立，完善的市政电网无法覆盖.在上述地区发展离网型分布式光伏尤为关键.基于上述情况，本文对西藏高原某孤立地区居住建筑采用三种离网型“光伏+”供暖系统进行了性能对比分析：系统一：光伏+空气源热泵+蓄电供热系统，系统二：光伏+空气源热泵+蓄热供热系统，系统三：光伏+电采暖设备+蓄电池供热系统.

系统一：太阳能光伏+空气源热泵+蓄电综合能源供热技术方案原理图如图1所示.系统由太阳能光伏发电系统以及热源系统构成.太阳能光伏系统主要由太阳能光伏发电场、逆变稳压器以及蓄电池构成.热源系统为空气源热泵.根据藏区建筑室内温度要求及供暖负荷特征确定空气源热泵的供水温度，再通过热泵将热水加热到指定温度后供给热用户.针对该离网光伏供热系统，在连续阴雨天或极端天气下光伏系统供能不足时，可考虑与当地实际相符的柴油发电等形式满足短缺电负荷.

图1 光伏+空气源热泵+蓄电供暖系统原理图

系统二：太阳能光伏+空气源热泵+储热综合能源供热技术方案原理如图2所示.该系统由太阳能光伏发电系统，空气源热泵以及蓄热水箱构成.太阳能光伏发电系统为空气源热泵提供驱动电力.空气源热泵将水加热后，储存到蓄热水箱中，根据藏区建筑室内温度要求及供暖负荷特征确定水箱供水温度，然后供给热用户采暖.

图2 光伏+空气源热泵+储热供暖系统原理图

系统三：太阳能光伏+建筑电采暖设备综合能源供热技术方案原理如图3所示.系统由太阳能光伏发电场，逆变稳压器以及蓄电池构成.用户末端采用电热膜或电加热器采暖，实现了从光伏系统产生的电能直接向室内散热的转化过程.

图3 太阳能光伏+建筑电采暖设备供暖系统原理图

1.2 系统仿真模型建立

使用TRNSYS 18建立上述三种综合能源供热技术方案模型，主要部件包括太阳能光伏组件、逆变器组件、蓄电池组件、空气源热泵/锅炉组件、蓄热水箱组件，不同组件的数学模型如下.

1.2.1 太阳能光伏系统

对于太阳能光伏组件模型，其电流-电压方程如公式(1)所示[17].

(1)

式中：I为模块输出电流，A；V为模块输出电压，V;IL为模块光电流，A；Io为二极管反向饱和电流，A；q为电子电荷常数，取1.6×10-19C；γ为经验PV曲线拟合参数；k为玻尔兹曼常数，1.380 649×10-23J/K；Tc为模块温度，K；Rs为模块串联电阻，Ω.

公式(1)中，模块光电流IL与二极管反向饱和电流Io分别用公式(2)与公式(3)表示[17].

(2)

(3)

其中：IL,ref与I0,ref为参考条件下模块光电流与二极管反向饱和电流，其具体计算方法可参见文献[17]；GT,ref与Tc,ref为参考辐射值与参考温度值，分别为1 000 W/m2与40 ℃.

1.2.2 逆变器与蓄电池

对于逆变器与蓄电池模型，在光伏系统运行时间T内，逆变器与蓄电池模块的能量守恒关系用公式(4)表示.

(4)

式中：PPV表示光伏组件的实际发电功率，kW；Poth表示其他电力资源补充电量，kW；Pload表示用电设备耗电量，kW；Qsto表示蓄电池蓄电量，kW·h.

1.2.3 空气源热泵

空气源热泵加热量与其效率相关，用公式(5)表示.

qhp=Php×COP

(5)

式中：qhp表示空气源热泵的加热量，kW；Php表示空气源热泵的加热功率，kW；COP表示空气源热泵能效系数，用公式(6)表示[18].

COP=2.762 5+0.062 5×Tzf

(6)

式中：Tzf表示空气源热泵蒸发器中制冷剂蒸发温度，℃.蒸发温度与环境空气温度Ta的关系用公式(7)表示.

Tzf=0.798 4×Ta-7.200 6

(7)

1.2.4 蓄热水箱

对于蓄热水箱模型，能量平衡关系用公式(8)表示[17].

(8)

式中，Ttank,j表示水箱节点j的温度，℃；qin,tank,j表示节点j的辅助加热量，kW;qloss,j表示节点j的热损失，kW；qcond,j表示节点j与其他节点的热传导换热量，kW；qflow,i,j表示负荷端冷流股掺混导致节点间的换热量，kW；qmix,j表示节点间消除掺混导致的热不稳定性的热量，kW；Ctank,j表示节点的蓄热量，用公式(9)表示.

Ctank,j=cp,w×ρw×Vtank,j

(9)

式中：cp,w表示水的热容，4.19 kJ/kg·K；ρw表示水的密度，1 000 kg/m3；Vtank,j表示节点j的容积，m3.

1.3 评价指标

对于离网型光伏供暖系统，系统应尽量减少对其他电力资源的依赖，因此可靠程度是首先需要关注的问题.基于此，本文采用太阳能保证率对系统性能进行评价.用公式(10)表示.在本文中，太阳能保证率定义为太阳能及空气能等可再生能源供热量占建筑总供热量的比例，该参数表征了系统对其他电力的依赖程度，太阳能保证率越大，系统对其他电力资源的依赖程度越小.

(10)

式中，Qload表示供暖季建筑总供热量，kW·h；Qoth表示供暖季其他电力资源供电量，kW·h.

2 “光伏+”供暖案例分析

2.1 建筑对象信息

西藏高原阿里、日喀则等地区部分城镇偏远，无完善的市政电力体系.基于此，选择西藏自治区日喀则市某孤立型两层居住建筑为分析对象，总建筑面积为468 m2.该建筑平面布局及尺寸如图4所示，建筑围护结构热工参数见表1.

图4 建筑平面图

表1 建筑围护结构热工参数

2.2 建筑供暖热负荷

日喀则市供暖日期为10月22日至3月30日.根据西藏地区建筑室内采暖温度设定要求，建筑采暖室内设计温度为18 ℃，建筑日总负荷如图5所示.

图5 采暖期建筑日总负荷变化规律

从图5可以看出，在供暖期内，建筑最大日总负荷达到240.3 kW·h，最小值为14.3 kW·h，平均为101.3 kW·h.

3 “光伏+”供暖系统性能优化分析

针对上述建筑研究对象，对三种离网型“光伏+”供暖系统性能进行了模拟仿真与优化分析.

3.1 系统一：光伏+空气源热泵+蓄电池

当光伏场面积变化时，光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图6所示.此处充分考虑了蓄电池的蓄电量，即当光伏发电量大于设备用电量时，多余的电力资源全部储存在蓄电池中.从图6可以看出，随着光伏场面积的增大，光伏向系统的供电量逐渐增加，而系统对其他电力资源的需求量逐渐降低.当光伏场面积达到70 m2时，通过光伏的发电量，空气源热泵可完全满足建筑热负荷，此时太阳能保证率为100%.

图6 太阳能保证率随光伏场面积变化图(系统一)

在上述分析中，充分考虑了蓄电池蓄电量，为了找到较合适的蓄电池容量，对蓄电池容量进行了优化.对于系统一，光伏场面积设定为70 m2.随着蓄电池容量的变化，系统1中光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图7所示.从图7中可以看出，当电池容量为0时，即系统中不考虑蓄电池，光伏向系统中的供电量为2 153 kW·h，而其他电力资源的需求量为6 196 kW·h，太阳能保证率为61.54%.随着电池容量的增加，太阳能保证率逐渐升高，当电池容量为100 kW·h时，太阳能保证率达到91.78%.此后，当电池容量再增加时，太阳能保证率变化缓慢，若使太阳能保证率达到100%，蓄电池容量需达到1 600 kW·h，以应对连续的极端天气，此时经济成本增加明显.因此，可采用蓄电池容量为80～100 kW·h.

图7 太阳能保证率随电池容量变化图(系统一)

3.2 系统二：光伏+空气源热泵+蓄热

从前文模拟结果可以看出，对于光伏+空气源热泵系统，当光伏场面积达到70 m2时，空气源热泵的产热量可完全满足建筑热负荷.用热水蓄热代替蓄电池蓄电后，对蓄热水箱的容量进行优化，辅助电力资源量以及太阳能保证率变化如图8所示：

图8 供热能力与水箱容积关系(系统二)

从图8可以看出，对于光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统，当水箱容积为5 m3时，辅助热源的耗电量为1 113 kW·h，太阳能保证率为93.1%.随着水箱容积的进一步增大，太阳能保证率逐渐增大，当水箱容积达到15 m3时，太阳能保证率达到98.6%，再增加水箱容积，太阳能保证率变化较小.

3.3 系统三：光伏+电采暖设备+蓄电

对于系统三，假定电采暖末端的电热转化效率为90%，充分考虑了蓄电池的蓄电量.图9表明了随着光伏场面积增加，光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化.从图9可以看出，随着光伏场面积的增大，系统的供电量逐渐增加，而系统对其他电力资源的需求量逐渐降低.当光伏场面积达到152 m2时，通过光伏的发电量，建筑内电加热末端可完全满足建筑热负荷，此时太阳能保证率为99.1%.

图9 太阳能保证率随光伏场面积变化图(系统三)

为了给系统匹配合适的蓄电池容量，对蓄电池容量进行了优化.先设定光伏场面积为152 m2.随着蓄电池容量的变化，系统三中光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图10所示.

图10 太阳能保证率随电池容量变化图(系统三)

从图中可以看出，当电池容量为0时，光伏向系统中的供电量为4 384 kW·h，而其他电力资源的需求量为13 517 kW·h，太阳能保证率为16.1%.随着电池容量的增加，太阳能保证率逐渐升高，当电池容量为200 kW·h时，太阳能保证率达到81.30%.此后再增加电池容量时，太阳能保证率变化缓慢.若使太阳能保证率达到100%，蓄电池容量需达到3 200 kW·h.因此，蓄电池容量推荐值为180～200 kW·h.

3.4 方案对比

针对西藏高原地区孤立型建筑，从光伏场面积、蓄能设备容积、太阳能保证率对比了优化后的上述三种离网型“光伏+”综合能源供热技术方案，结果如表2所示：

表2 不同光伏供暖系统方案对比

从表2可以看出，对于蓄电系统，光伏+空气源热泵综合能源供热系统所用光伏场面积小于光伏+建筑电气化设备系统，蓄电池容量更小，太阳能保证率更高.对于光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统，将太阳能以热水形式储存，建议蓄热水箱容积15 m3，太阳能保证率可达98.6%.从经济性上分析，蓄热设备投资远低于蓄电设备，可见对于孤立地区，在本文所述的三种离网型“光伏+”综合能源供热系统中，光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统具有更高的经济性与可靠性.