p96214PVT土壤源热泵系统.doc

PV/T土壤源热泵联合系统河北工程大学 王景刚 杜梅霞 高晓霞 赵进摘要：利用太阳能为建筑的空调系统提供洁净电力及生活热水，提出了适应城市现状的PV/T土壤源热泵系统。通过对PV/T土壤源热泵系统组成、原理、优点的叙述及技术可行性分析。指出PV/T土壤源热泵系统在城市空调系统中占主流地位。关键词：PV/T 土壤源热泵 节能 环保 城市发展 引言随着我国经济的快速发展和城乡一体化建设推进，城市的数量、规模不断增加、扩大。城市能源、水资源供应紧张，环境污染严重成为突出问题，这不仅是中国发展所面临的严峻挑战，同时也是世界各国面临的难题。太阳能以其取之不尽，安全、无污染等特点受到人们的重视。但太阳能受环境影响大，热流密度低导致太阳能利用设备庞大，需要大的空间。PV/T建筑一体化是一种洁净、可再生的能源技术。将太阳能光伏阵列覆盖在建筑表面，不仅解决了太阳能光伏阵列占地问题，还节省了支架设备的投入。土壤源热泵是一种利用浅层土壤的蓄热特性的高效、节能空调装置，与其他热泵形式相比，以其可靠性高和长期的稳定性而成为理论研究和实验的重点。但它也有局限性，如需要大的地埋管场地、初投资大等。为缓解城市的能源、水源、环境等问题，提出了PV/T土壤源热泵系统在城市高层建筑的应用。此系统不仅可以向建筑提供电力和热水，减少建筑对建筑外部电网和能源的依赖性；还解决了光伏电池阵列及地埋管在城市中的占地大、难的问题。目前国内对光伏光热建筑一体化的研究处于初始阶段，研究大多集中在理论和实验阶段，香港理工大学1，中国科学科技大学2，香港城市大学6等一些科研院所对光伏光热建筑一体化进行了研究工作，并取得了一些有益的研究成果。而对于PV/T土壤源热泵系统联合在城市高层建筑中应用研究还鲜有见闻。1 PV/T土壤源热泵系统PV/T土壤源热泵系统包括两部分：PV/T系统和土壤源热泵系统。PV/T系统作为此系统的动力系统。根据建筑光伏阵列可覆盖的表面积以及建筑的冷热负荷决定PV/T系统作为建筑空调的主电源还是辅助电源。土壤源热泵系统作为此空调系统的冷热源。2 PV/T系统PV/T系统即光伏光热建筑一体化（Hybrid Photovoltaic/Thermal Integrated Building），是在建筑的立面或者屋顶覆盖光伏电池阵列吸收太阳辐射向建筑同时提供电力和热量。它是在光伏建筑一体化基础，为提高太阳能光热利用效率而提出。2.1 PV/T系统原理PV/T系统的工作原理：太阳能光伏电池根据光生伏打效应把太阳能中的短波辐射转化为电能3，而长波辐射则转变为热能，使光伏电池阵列升温。光伏电池每升高1，发电功率降低0.35%3，光伏电池的工作电压为25，而实际中光伏电池的温度可高达80。在光伏电池阵列的背面，铺设冷却水管道或者通风道，目的是带走光伏电池吸收长波辐射的热量，从而提高光伏电池发电功率。2.2 PV/T系统的组成和分类PV/T系统包括两个环路：太阳能光伏阵列输电环路和光伏冷却水环路。太阳能光伏电池阵列输电环路由光伏电池阵列、控制器、逆变器组成，示意图如图1所示。冷却水环路由光伏阵列、冷却水管路、循环水泵、蓄水箱和辅助加热装置组成，示意图如图2所示，图2a为光伏电池阵列背面冷却水管的布置图。图1.光伏电池输电环路示意图 图2. PV/T系统冷却水环路示意 图2a. PV/T冷却水局部图PV/T系统根据冷媒介的不同可以分为空冷型和水冷型。空冷型的结构由光伏电池(阵列)、阵列与外墙面间的空气冷却流道、固定支架、空气入口、空气出口以及墙体组成,如图3所示。水冷型的结构由光伏电池(阵列)、固定支架、冷却管路、水箱、循环泵及墙体组成,如图4所示。PV/T土壤源热泵系统中的PV/T系统采用水冷型。其优点是水冷型结构紧凑，占用空间小，不像空冷型必须预留足够通气道否则热量带不走，导致电池升温光电转换效率减低；水的比热容大、热导率大可以及时带走光伏电池阵列热量，有效防止电池的温度升高；便于热量的回收利用。 图3 空冷型PV/T系统 图4水冷型PV/T系统2.3 PV/T系统的功能1) 作为PV/T土壤源热泵系统的动力源。光伏光热建筑一体化利用太阳光发电为建筑本身提供电力，根据光伏电池光电转化特性，发电量随太阳辐照强增加而增强，与空调冷负荷的变化趋势一致，是空调系统的理想配电源。2) 提供生活热水。光伏光热系统中的冷却系统通过冷却循环泵和蓄水箱在夏季和过渡季节可以向建筑提供生活热水。冷却系统不仅改进了光伏电池的光电转换效率，还回收了部分热能供给建筑，减少建筑生活热水对常规能源的消耗和环境的污染。3) 降低了外墙的得热量。PV/T建筑一体化覆盖在建筑表面吸收太阳辐射，降低了建筑表面的温度，同时使建筑维护结构产生的空调负荷变小。3土壤源热泵系统 土壤源热泵系统是利用浅层岩土的蓄热能力，夏季作为热汇把空调房间里的热量蓄存在岩土中，冬季作为热源，从土壤中提取热量经热泵提高温度向房间供热。因为土壤的温度冬季比环境温度高，夏季比环境温度低且维持相对稳定，因此运行高效、节能，运行可靠使用寿命长。3.1土壤源热泵系统的组成和原理土壤源热泵系统由三个循环环路构成：制冷剂循环、地埋管换热器循环和室内管路循环。土壤源热泵系统的工作原理：夏季，热泵机组以PV/T系统的电力为主电源运行，当电力不足时有城市电网补偿。室内管路循环带走房间的热量，通过热泵机组把热量传给地埋管换热器循环，由地埋管换热器循环把热量释放给土壤。冬季，热泵机组仍以PV/T系统的电力为主电源运行，电力不足时有城市电网补偿。地埋管换热器循环从土壤中提取热量，通过热泵机组的加压升温向建筑供暖。光伏阵列的冷却水冬季还可以作为地源热泵的辅助热源，避免由于土壤温度场的减低导致机组COP减低，提高机组的运行效率。3.2土壤源热泵系统对环境影响PV/T土壤源热泵系统中土壤源热泵的优势：1) 减少夏季向环境中的排热。土壤源热泵利用了土壤的蓄热特性，把热量蓄存在土壤中，避免了排向周围环境，减轻夏季对周围环境的热污染。2) 减少水的消耗和噪音的污染。土壤源热泵是把热量蓄存在土壤中，而冷水机组则是通过水的蒸发冷却把热量排放到周围环境中，在释放热量的同时也消耗水。例如一座冷负荷为500KW的建筑，冷水机组COP取3，空调系统每天运行10小时，空调季节100天。每天水的散失量达2414kg，每年水的散失量为241400kg。与空气源热泵相比，土壤源热泵没有风机的噪音和震动。4 PV/T土壤源热泵系统的技术可行性PV/T土壤源热泵系统集土壤源热泵技术和PV/T发电系统于一体的空调系统。此系统可以提供自身需要的全部或者部分洁净电力，同时还可以提给建筑生活热水。这一点对于能源、水资源紧缺的城市有很强的适应和广阔的发展前景。土壤源热泵技术自70年代石油危机以来在世界各国得到了快速发展，随着设计、施工技术的进步和完善，设计、施工质量得到提升，成本减低。PV/T系统目前在国内还没有示范项目，只在高校院所有实验研究。中国科技大学的季杰、何伟（2001）以香港地区为例对有无自然通风光伏墙体年发电性能及年得热进行了全年数值模拟，结果表明有通风的光伏墙体相对于无通风的光伏墙体在全年发电性能方面差异不大,但对墙体得热的影响较大2。何伟、季杰2003年又对光伏光热的风冷和水冷两种模式建立了理论模型以香港地区进行了计算分析,光伏光热建筑减少了墙体得热,改善了室内空调负荷状况, 室内空调负荷的减少达到50%以上，大大提高了建筑节能效果4。这对城市节能建筑推广PV/T 系统提供了依据。2007年季杰,韩崇巍等:建立了扁盒式光伏热水一体墙的理论模型,以合肥地区气象数据对其光电光热性能和室内得热量进行数值模拟.计算结果表明,系统的光热效率一般在40%以上,光电效率一般在11%以上,与常规混凝土墙体相比,扁盒式光伏热水一体墙不仅有很好的热电收益,还很好地改善了室内热环境,尤其在夏季和冬季,大大降低了空调负荷,起到了很好的建筑节能效果5。2006年季杰,韩俊和香港城市大学的周天泰采用数值模拟的方法动态地分析了光伏热水墙体的光电光热特性,并就系统中电池覆盖率、工作流体质量流率对系统热效率和电力输出的影响进行了研究,得到了系统最大热效率下对应的最优质量流率0.1kg/s为优化设计的性能参数提供参考6。这些研究都为PV/T土壤源热泵系统的实施和推广提供了有力的支持和设计参数参考。5 PV/T土壤源热泵系统对城市环境的综合影响PV/T土壤源热泵系统不仅继承了PV/T土壤源热泵系统的优点，巧妙克服了他们占地大的不利因素，对城市环境的综合影响为：1) 使空调设备的容量变小，空调系统的初投资降低。PV/T土壤源热泵系统由于在建筑的外表面敷设了光伏阵列，阻挡吸收了太阳辐射，使传入建筑维护结构的热量减少，从而建筑的冷负荷减小，导致空调设备容量的变小，不仅降低空调系统的初投资，还降低了空调系统的运行费用。 2) 缓解城市电网增容的压力。随着生活水平的提高，空调普及，夏季空调运行高峰，由于用电集中，城市电网供电不足而晚上则是用电低谷，电力供应大量富余。PV/T土壤源热泵系统则可以缓解这种现象，当太阳辐射强，空调负荷也变大，但同时PV/T系统的电力输出也在变大，提供给空调系统更多的电力，PV/T土壤源热泵系统除保证自身用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求；减缓了对城市电网压力。3) 缓解城市能源、水资源的压力。随着城市的发展，能源、水资源是制约城市发展的瓶颈。PV/T土壤源热泵系统由PV/T提供自身部分或全部的电力，这部分电力属于洁净能源，对环境无任何污染物的排放。与通过水蒸发散热的冷水机组相比，此系统每年节约的水量也是很客观的，这对于能源、水源紧张的城市有很大的吸引力。4) 减少CO2的排放量。PV/T土壤源热泵系统的冷却水系统，向建筑提供生活热水，不仅节省了常规能源，减少了CO2的排放量。5) 减缓城市的热岛效应。PV/T土壤源热泵系统把热量蓄存在土壤中，减少了夏季向环境中的放热量，有利于减缓城市热污染的热岛效应。6展望 PV/T土壤源热泵系统所凸显出节能、节水、减少温室气体的排放量，在城市人口日益增加、规模不断扩大，能源、水源和环境问题成为制约城市发展的瓶颈下的背景下，将会有很大的竞争优势。参考文献1杨洪兴,季杰. BIPV对建筑墙体得热影响的研究J. 太阳能学报.1999，20（3）:270-2732 季杰、何伟. 光伏墙体年发电性能及年得热动态预测J. 太阳能学报.2001，22（3）:311-