有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨.pdf

110No.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)Renewable EnergyJournalof BEE2023年第7 期（总第51卷第3 8 9 期）可再生能源利用建筑节能（中英文）doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.019有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨杨玉鹏，俞志强（龙源（北京）太阳能技术有限公司，北京100034)摘要：充分利用太阳能资源是我国法律、政策、规范多方面的要求。随着我国能源转型与能源革命的推进、国家能源形势的变化、“双碳”目标的分解落实，在城市内充分挖掘可再生资源是有效可行的城市降碳技术路线。然而在城市里，可利用太阳能的场地空间十分有限。如何最大化利用有限的建筑屋面资源，如何取舍太阳能热水系统、光伏发电系统，是建筑规划设计阶段需要认真考虑的问题。对太阳能热水系统、电辅助加热系统、空气源热泵热水系统、光伏发电系统组合分析。考虑太阳能资源、气温等因素逐日计算各系统运行效果，综合对比不同组合方案定性定量指标。发现光伏发电+空气源热泵热水系统多方面指标均优于太阳能热水系统+常规辅助系统。因此，建议在规划设计太阳热水系统时应先充分论证建设光伏发电系统必要性。关键词：有限屋面；大太阳能；光伏发电；大太阳能热水；空气源热泵；优选中图分类号：TU822文献标志码：A文章编号：22096-9422(2023)07-0110-04Solar Energy Utilization Under the Limited Roof AreaYANG Yupeng,YU Zhiqiang(LongYuan(Beijing)SSolar Engineering Technology Co.,LTD,Beijing 100034,China)Abstract:Making full use of solar energy resource is the requirement of Chinas laws,policies anddesign codes.With the energy revolution pushing forward,the national energy situations changing,andthe targets of peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality decomposing and implementing,theefficient and viable technology route to reduce carbon dioxide emissions in urban area is to fully tap intothe renewable resources.Nevertheless,the space for solar energy in urban area is quite limited.In theprocess of architectural planning and design stage,it is worth of thinking seriously about the questions howto make maximum use of the limited roof area,and how to make a choice between Solar Water HeatingSystem and Photovoltaic Power Generation System.With the consider of the indicators(such as solarresource,temperatures,etc.),three plans of combinations with Solar Water Heating System,ElectricalAuxiliary Heating System,Air Source Heat Pump Hot Water System and Photovoltaic Power GenerationSystem,are calculated and analyzed time by time,and it is found that the plan-Photovoltaic PowerGeneration System+Air Source Heat Pump Hot Water System,is better than the others.Consequently,itis recommended to fully demonstrate the necessity of building a Photovoltaic Generation System whenplanning and designing the Solar Hot Water System.Keywords:limited roof area;photovoltaic power generation;solar hot water;air source heat pump;preferred0引言充分利用太阳能资源早已是我国法律、标准、政策、各类规划强调的基本用能原则。与此同时，太收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 9；修回日期：2 0 2 3-0 7-19阳能利用产品行业也在政策和市场的推动下不断发展壮大，在技术、规模、综合实力等多个维度引领世界，并在国内实现大规模应用 2.3 1北方城市冬季清洁供暖、雾霾治理、散煤治理等111杨玉鹏，等：有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨政策的有效实施，加速了低温型空气热泵产品的研发生产。目前空气源热泵厂家大都可提供2 0 运行的低温型空气源热泵产品 4-6 ，且满足国家能效标准。在寒冷、严寒地区投产运行空气源热泵供热项目众多。前人已经对太阳能热水系统 7.8 、太阳能热水结合空气源热泵系统 19-1、空气源热泵热水系统 12.13 进行了较多的研究，但从太阳能最大化利用角度分析建筑光伏发电与太阳能热水系统比较方面研究较少 14 然而随着太阳能产品、热泵产品的性能提高及价格降低，在具体建筑应用场景下，原有“常规”方案思路就需要根据新情况进行调整。就太阳能热水系统来说，城市中满足可再生资源开发条件的物理空间十分匮乏，利用有限的建筑屋面建设太阳能热水系统还是光伏发电系统是一个值得探讨的问题。本文基于北京地区某太阳能集中热水项目典型场景，分析在相同屋面面积及相同安装倾角条件下，“光伏发电+空气源热泵热水”技术方案与“太阳能热水+辅助电加热（或辅助空气源热泵）”技术方案优缺点。通过详细分析典型年3 个方案的逐时产热、产电、耗电情况，对比各方案年度产出、净耗电、投资、使用寿命、维护便利性等指标，最终推荐出在有限屋面资源条件下更适宜的太阳能利用方案1典型项目概况本项目位于北京市大兴区，建筑为一栋3 层钢筋混泥土框架结构备勤楼，总建筑面积3 4 8 9 m，总高度11.95m。建筑每层设3 2 间备勤间，每间设2 个床位，并配套独立卫浴间。建筑空调冷热源为一套空气源热泵系统，空调末端采用风机盘管加新风系统。建筑生活热水系统采用太阳能热水+电辅助加热系统，太阳能系统设计保证率4 5%，设计总集热面积160m。本项目建筑电源引自附近变配电室，其中消防、排烟、照明、插座、风机盘管总用电负荷155kW，太阳能热水、热风幕等其他负荷13 1kW，以上电负荷均不含空气源热泵机组负荷。本项目为宿舍性质备勤楼，3 层总计19 2 个床位。根据建筑给水排水设计标准15 生活热水章节，按照平均每人日用热水50 L，2 4 h 供应，冷水年平均计算温度12 等参数计算。本项目平均每日热水用量为9.6吨，日热水耗热量为18 9.7 万kJ/d（52 6.8 k Wh/d）。本文具体算法及参数均按照规范执行，详细过程参见规范章节，不在此赘述。本项目太阳能集热系统布置占用屋面面积230m。安装太阳能集热器58 18 50 型2 1块，单块集热面积7.3 m，总集热面积153.3 m。2 1块集热器分3 行7 列排列，采用镀锌钢固定支架，支架倾角30。集热系统配套10 t蓄热水箱1个、6 0 kW电辅助热水加热器1台、9 kW电伴热系统1套等。目前太阳能热水系统运行可满足全楼热水需求。2气候及太阳能资源北京气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短。北京年平均气温12.3，年极端最低气温-18.3。1月份最冷，月平均气温为3.8。冬季空气调节室外计算温度-9.9 16 北京年平均日照时数在2 0 0 0 2 8 0 0 h之间，冬季是日照时数最少季节，月日照一般仅17 0 19 0 h。北京地区水平面太阳辐射量全年为13 50 kWh/（ma），属于我国太阳能资源丰富区根据Meteonorm7.2气象数据库，北京地区3 0 倾角斜面全年太阳能全辐射资源为158 1kWh/（m a），平均每天日全辐射资源为4.3 3 kWh/（m d）。全年每日单位面积辐射量分布情况见图1。8.0)M日7.06.05.04.03.02.01.00.01月1日2 月2 0 日4 月10 日5月3 0 日7 月19 日9 月7 日10 月2 7 日12 月16 日日期图1全年每日全辐射量分布Fig.1 Annual distribution of the daily total solar radiation3多方案比较分析3.1太阳能热水系统由于太阳能的波动性，设计太阳能热水系统提供部分生活热水是经济合理的。本项目太阳能热水系统设计保障率为4 5%，即按照年均日辐照条件下，其余55%热量还需电加热等辅助系统提供。按照本项目实际153.3 m总集热面积，根据民用建筑太阳能热水系统应用技术标准5.4 章节推荐计算方法及参数 17 ，计算每日太阳能集热量、电加热加热量及耗电量。主要参数取值：太阳能集热系统集热器年平均集热效率4 5%，集热系统储热水箱及管路的热损失率取2 0%，电加热系统效率9 7%。通过全年逐日逐时分析计算，“太阳能热水+辅助电加热”系统年集热量8.7 万kWh、电辅助加热量10.5万kWh、耗电量10.8 万kWh。全年各天保障率分布见图2。112YANGYupeng,et al.Discussion onSolar EnergyUtilizationUnder the Condition of Limited Roof Area0.80.70.60.50.40.3X0.20.10.01月1日2 月2 0 日4 月10 日5月3 0 日7 月19 日9 月7 日10 月2 7 日12 月16 日日期图2 全年各天太阳能保障率分布Fig.2 Annual distribution of the daily solar energyaffordability distribution经统计分析，太阳能集热系统保障率不足2 0%天数达到2 1d，保障率不足3 0%天数达到55d。全年平均保障率恰为4 5%3.2空气源热泵系统2022年3 月1日住建部发布“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划，规划提出在寒冷地区、夏热冬冷地区积极推广空气热能热泵技术应用，在严寒地区开展超低温空气源热泵技术及产品应用。与此同时，空气源热泵行业推出一系列适应各种低温工况的空气源热泵机组，而且机组效率还在不断提高。因此，从政策、技术角度利用空气源热泵系统制热已经没有障碍。根据建筑给水排水设计规范6.6 章节，太阳能集热系统辅助热源宜按照无太阳时设计 15，即按照满足所有热水负荷设计。则本项目热泵机组小时设计供热量为2 1.8 万kJ/h（6 0.6 k W），选择2台额定制热量3 9 kW低温空气源热泵热水机组。利用空气热泵系统制取生活热水，热泵耗电量受室外环境温度影响。为了准确分析年度空气源热泵耗电量，众多文献给出了模拟分析空气源热泵不同工况下效率的计算方法 12.13 。根据热泵机组典型工况参数及变工况参数计算方法，计算不同温度条件下热泵效率，见公式（1）：COP=0.0011 t+0.053 t+2.3255(1)式中：COP为热泵机组制热效率；t为室外空气干球温度。根据公式（1)计算，热泵热水机组在北京地区室外温度条件下，年平均COP为3.3 4。若采用太阳能集热系统辅助空气源热泵方式，则全年空气源热泵补充提供热量10.5万kWh，耗电3.5万kwh。若采用全部采用空气源热泵供热水方式，则空气源热泵全年耗电6.2 万kwh3.3太阳能光伏系统在对比条件一致前提下，即与太阳能集热系统布置空间、角度等参数一致的条件下,规划光伏发电系统。在2 3 0 m屋面空间内可布置7 2 块额定功率54 5Wp单晶硅高效光伏组件。光伏组件额定光电转换效率21.5%,组件尺寸为2 2 56 mm1133mm35mm,重量2 7.2 kg。光伏系统总安装功率3 9.2 kWp，配套一台4 0 kW组串式光伏逆变器。光伏组件通过直流电缆接入逆变器，逆变器输出交流电通过交流电缆就近接入低压配电柜。根据北京地区太阳能资源、温度等因素，并考虑光伏系统各种内部损失，利用PVsyst软件进行光伏系统全年发电量模拟计算。经计算，3 9.2 kWp光伏发电系统年发电量5.3 万kWh，年光伏系统平均效率84%。3.4各方案对比分析“太阳能热水+辅助电加热”、“太阳能热水+辅助空气源热泵”、“光伏发电+空气源热泵”三种技术方案理论寿命都是15年，光伏系统理论寿命2 5年。在同样满足一致热水需求、一致屋面面积的前提下，从投资水平、运行成本、可靠性、维护难度角度对比分析各组合方案，见表1。表1不同方案指标对比表Table 1 Indicators comparison for different plans太阳能热水+太阳能热水+光伏发电+项目辅助电加热空气源热泵空气源热泵（方案一）(方案二)(方案三)投资水平/万元152224耗电量/万kWh10.83.56.2发电量/万kWh一一5.2年净耗电/万kWh10.83.51.0可靠性水平太阳能一般太阳能一般较为稳定维护工作量较多较多较少在相同屋面资源及热水需求条件下，光伏发电系统虽然投资稍大，但是其稳定性、可维护性优于太阳能热水系统。而空气源热泵系统可稳定提供全部生活热水，且通过有效机组配置，可保障热水系统安全稳定运行。此外，若是从产品价值角度分析，光伏发电产出电的价值高于光热系统产出热水。综上，光伏发电+空气源热泵是更为合适的热水供应系统。4结论通过梳理前人对太阳能热水系统、空气源热泵系统、光伏发电系统研究，结合目前最新光伏、热泵技术进展，展开多方案定性定量对比分析，最终得出以下结论：（1）根据全年逐日分析太阳能热水系统产热量，太阳能热水系统一般仅能提供不足50%热水需求，剩余热水还需其他方式补充提供。这也印证了太阳能集热系统保障率概念。（2）随着低温工况下空气源热泵产品效率的提113上接第8 9 页）杨玉鹏，等：有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨高，在寒冷、严寒地区推广空气源热泵热水系统已无技术障碍，且比太阳能热水系统更稳定可靠，能耗更低。（3)对于太阳能资源较为丰富的一类至三类地区，在决策建设太阳能热水系统前，应优先论证建设“光伏发电+空气源热泵”热水系统方案可行性，提高建筑太阳能利用水平。参考文献：1 G B550 512 0 2 1,建筑节能与可再生能源利用通用规范 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 2 2.2李耀华，孔力.发展太阳能和风能发电技术加速推进我国能源转型 J.中国科学院院刊,2 0 19,3 4（4）：4 2 6-4 3 3.3陈国平，董昱，梁志峰.能源转型中的中国特色新能源高质量发展分析与思考 J.中国电机工程学报，2 0 2 0,4 0（17）：53 9 3-550 5.【4 金洪文，孙妍，马喆，等.超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究 J.哈尔滨商业大学学报，2 0 17,3 3（6）：7 2 8-7 4 3.5 马一大，王派，罗齐，等.低环境温度空气源热泵在北方区域供热中的应用 J.区域供热,2 0 18，（4）：14-18.【6 林创辉，欧阳惕，陈华，等.低温空气源热泵技术的应用 J.制冷与空调,2 0 14,14(8):119-12 2.【7 周炫，代彦君.太阳能平板集热器优化及集热性能研究 J.建筑科学,2 0 14,3 0(12):8 5-8 8.【4 刘强，梁晓云，王红，等.北方清洁供暖现状和趋势分析 J.中国能源,2 0 2 1,4 3(1):17-2 2.5江亿，胡姗.中国建筑部门实现碳中和的路径 J.暖通空调，2 0 2 1，51(5):1-13.6JMA Guoyuan,Zhao Huixia.Experimental Study of a Heat Pump Sys-tem with Flash-tank Coupled with Scroll Compressor J.Energy andBuildings,2007,40(5):697-701.7 Long Zhang,Yiqiang Jiang,Jiankai Dong,et al.Advances in Vapor Com-pression Air Source Heat Pump System in Cold Regions:A ReviewJ.Re-newable and Sustainable Energy Reviews,2018,81:353-365.【8 李庆娜.散热器采暖系统低温运行应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2 0 0 9.9 Bin Hu,Wang R Z,Biao Xiao,et al.Performance Evaluation of differ-ent Heating Terminals used in Air Source Heat Pump SystemJ.Interna-tional Journal of Refrigeration,2019,98:274-282.10姚登科，邵宗义，宋孝春，等.低温供暖系统中散热器与风机盘管的供暖效果 J.科学技术与工程,2 0 19,19（10）：18 8-19 48赵兵，王志峰，刘荣厚，等.两种太阳集热器的热性能对比分析 J.可再生能源,2 0 0 6,3：59-6 2.9王伟，南晓红，马俊，等.空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨 .制冷与空调,2 0 11,2 5（5：4 3 8-4 4 2.10陈新，白冰.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的设计和应用 J.建筑节能,2 0 11,3 9（2 4 8：4 0-4 2.11李杰.海南某妇幼医院热水系统设计探讨 J.中国建筑金属结构,2 0 2 1,(12):7 5-7 6.12徐言生，余华明，李锡宇，等.空气源热泵热水器变工况性能模型 J.顺德职业技术学院学报，2 0 13,11（1）：15-18.13谢文海，贾磊，刘期聂.空气源热泵热水器性能对比态分析法 J.制冷与空调,2 0 16,16(9)：3 6-4 0.14基于不同面积比例的屋顶光伏光热系统设计 J.建筑节能，2014,42(281):107-109.15 G B50 0 152 0 19,建筑给水排水设计标准S.北京：中国计划出版社,2 0 19.16GB507362012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 12.17GB503642018,民用建筑太阳能热水系统应用技术标准S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.作者简介：杨玉鹏（19 8 5），男，新疆石河子人，热能与动力工程专业，工程师，主要从事分布式能源、综合能源相关领域设计方面的研究(yypp01 )。11 Matjaz Prek.Environmental Impact and Life Cycle Assessment ofHeating and Air Conditioning Systems,a Simplified Case Study J.Ener-gy and Buildings,2004,36(10):1021-1027.12代微，曹小林，张健雄.基于既有农宅采用风机盘管供暖的热舒适性研究 J.流体机械，2 0 18,4 6（5）：7 3-7 7.13GB/T180492017,热环境的人类工效学通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释 S.2017.14黄莉，朱颖心，欧阳沁，等.北京地区农宅供暖季室内热舒适研究 J.暖通空调,2 0 11,4 1（6）：8 3-8 5.作者简介：代微（19 9 2），女，云南红河人，毕业于中南大学，动力工程及工程热物理专业，硕士，研究方向为能源管理及建筑室内热舒适性()通讯作者：曹小林（19 6 9），男，湖南益阳人，动力工程及工程热物理专业，博士，教授，研究方向为制冷、空调及工程热物理（)。