太阳能热水系统与光伏系统节能比较分析

引用本文：曲明璐，王海洋，闫楠楠，等.太阳能光伏光热热泵系统能量与烟分析暖通空调，2022,52(2):118123. DOI：10.19991/j.hvacl971.2022.02.23太阳能光伏光热热泵系统能量与烟分析曲明璐☆王海洋闫楠楠卢明琦(上海理工犬学，上海)摘要：针对太阳能光伏光热热泵系统是否具有节能优势，利用TRNSYS软件建立了太阳能光伏光热热泵系统仿真模型，并利用实测数据进行了验证。

与单一光伏发电系统、单一空气源热泵系统进行了全年运行对比，并进行了能量分析与炯分析。

结果表明，太阳能光伏光热热泵系统的全年平均电效率、全年总发电量、热泵机组COP、能耗及炯损均优于单一光伏发电系统加单一空气源热泵系统。

关键词：太阳能；光伏光热；热泵；光伏发电；能量分析；炯分析；电效率；COPEnergy and exergy analysis of solar photovoltaic photothermal-heatpumpsystemsQu Minglu，Wang Haiyang，Yan Nannan，Lu Mingqi(University of Shanghai for Science and'Technology，Shanghai)Abstract；In view of whether the solar photovoltaic photothermal-heat pump system has energy saving advantages，this paper uses TRNSYS software to establish a simulation model of the solar photovoltaic photothermall heat pump system,and verifies it with the measured data.The annual operation comparisons with a single photovoltaic power generation system and a single airl source heat pump system arecarriedout, andtheenergyanalysisandexergyanalysisarecarriedout.Theresultsshowthattheannualaverageelectrical efficiency，annual total power generation，COP of heat pump units，energy consumption and exergy los s of the solar photovoltaic photothermal-heat pump system are better than those of a single photovoltaic power generation system combined with a single airl source heat pump system.Keywords:solar；photovoltaic and photothermal；heat pump；photovoltaic power generation；energy analysis;exergyanalysis;electricalefficiency;coefficientofperformance0引言在我国宣布碳达峰、碳中和目标的情况下，推进能源绿色转型意义重大，传统的化石能源日益被新兴能源所取代［T］.太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，在发电、工业余热供暖等领域有着广阔的应用前景［3］，与传统的化石能源相比，因其储量丰富、免费、清洁等特点受到很多专家学者的青睐.目前对太阳能的开发利用主要分为光伏和光热2个部分［4］.Kern等人首先提出了光伏/光热(PV/T)一体化的理念［5］,即将光伏组件与集热器结合起来，集热器将光热部分储存转换为热能，并利用热循环机制冷却太阳能光伏板，提高光伏发电效率.在国内，季杰对光伏光热领域展开了研究,建立了光伏光热建筑一体化(BIPV/T)实验装置和理论模型，结果表明可减少20%建筑内外墙的得热负荷和50%以上由墙体得热而造成的空调负荷［6］.近些年来，一些学者对PV/T组件结合热泵的系统进行了研究.陈剑波等人设计了一种光伏光热组件复合双源热泵系统,以解决因室外工况的不稳定而造成的热泵机组制热量不足的缺陷，且可以更大程度地提高系统电效率［78］.周伟针对太阳能光伏光热组件复合双源热泵一体化系统探讨了双热源运行、单空气能运行、单太阳能运行3种模式下环境工况对实验性能的影响［9］.朱传辉等人对目前太阳能联合热泵技术的研究进展进行了综述,分析了限制太阳能热泵供暖技术推广的原☆曲明璐，女，1984年生，博士研究生，副教授200093上海市军工路516号上海理工大学环境与建筑学院建筑环境与能源工程系E-mail:quminglu©收稿日期：0211022修回日期20211221因，并指出其未来的发展方向［011］.然而，目前从能量和炷的角度对太阳能光伏光热热泵系统(PV/T-HP)综合性能的研究较少，PV/T-HP系统运行性能是否优于单一光伏发电系统加单一空气源热泵系统(PV-ASHP)有待研究.本文针对PV/T-HP系统，利用TRNSYS软件建立系统仿真模型，并进行验证.其后进行全年运行性能模拟，并与PV-ASHP系统进行能量分析和悚分析,为提高PV/T-HP系统的节能效率及应用性能提供参考.1实验台系统PV/T-HP实验台系统如图1所示，该系统主要包括太阳能光伏光热组件子系统、水源热泵子系统、生活热水子系统三部分.实验地点位于上海,北纬31°14\东经121°29\实验装置主要由PV/ T板、蓄热水箱、压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器、供热水箱和水泵组成.其中，PV/T板表面积为8.68m2(7X1550mm X800mm)热泵额定制热量为2.785kW,压缩机额定输入功率为0.895瓦W,蓄热和供热水箱容积分别为500L和200L.实验运行模式分为2种，分别为热泵加热模式与直供模式.当蓄热水箱出口水温达到50C及以上时，系统通过对分集水器的开闭控制直接将热水旁通至供热水箱内，实现直接供给.实验台详细介绍见文献［］.图1PV/T-HP实验台系统2系统综合效益分析2.1能量分析对PV/T-HP系统和单一光伏发电系统加单一空气源热泵系统(两者均独立运行)进行全年动态模拟，获得发电量、光电转换效率、系统能耗、制热量、制热效率等，并进行热电性能对比分析. PV/T组件接收的太阳辐射能Q s为Q s=qA(1)式中q为PV/T组件表面接收到的太阳辐照度, W/m2；A为PV/T组件表面积，m2.PV/T组件光电转换效率n为—W pn P=Q⑵式中W p为PV/T组件输出功率，可通过光伏发电输出电压U和电流I相乘得到，W.热泵的制热量Q h为Q h=m L ctt o—tt(3)式中m L为冷凝水循环流量，kg/s；c为比热容, J/(kg・C)t、t o为冷凝水进、出口温度，C.热泵的制热效率COP为COP=Q H(4)式中w为压缩机功率,w.2.2炷分析采用炷损来进一步综合判断2种系统对能量品质的利用程度和性能优劣.炷损是能量系统效率的表征，能够更加深刻地揭示系统用能品质损失的大小［2］;炷损越小，系统造成能源品质的浪费越少，越有优势［3］.炉损等于消耗炉与输出炷的差值.输出炯包含发电量烧P(系统发电量)、热泵制热烧E x和PV/T组件产热炯E；消耗炯包含水泵消耗煙P w(耗电量)、热泵机组消耗炷P h(耗电量)和太阳能辐射炯E s.热泵制热煙E x为E x=Q h(1—T)(5)式中T0为环境温度，K；T为热源温度，K.PV/T组件产热烧E c为E c=Q e(1—T#)(6)式中Q e为集热盘管中循环水的得热量，W；T c 为PV/T组件出口水温,K.Q e=m J c(o—t i)(7)式中m J为集热循环水流量，kg/s；t、t分别为光伏集热器内铜管进、出口水温，C.本文采用Jeter提出的太阳能辐射粧效率计算公式［4］，得出太阳能辐射粧公式为E=q［1-3T t+3(T s)41⑻式中 T s 为太阳辐射温度，取6 000 K.损n 的计算公式为n = P w 十尸日十£$ —(P 十E x 十E c )(9)3仿真模型建立与验证．1 TRNSYS 系统模型根据PV/T-HP 实验台系统原理及对应参数, 利用TRNSYS 软件进行仿真模拟.PV/T-HP 系统仿真模型如图2所示.该仿真模型选用TYPE50作为光伏光热组件模块，TYPE225作为水水源热泵机组模块，TYPE156作为城市典型气象年参数读取模块.不同颜色连接线代表不同 的回路:紫色线为PV/T 冷却水回路，绿色线和棕 色线分别为低温热源水回路和高温热源水回路，黄 色线为直接加热模式水回路，红色线为生活供热水回路.为了分析该系统的节能优势，分别建立了单一光伏发电系统和单一空气源热泵系统模型与其 对比.其主要参数与PV/T-HP 设置一致,仿真模 型分别如图3、4所示..订集热泵.启动时间亠____甘..趟泵进口述噓天咒数据单位换算永箱温度负荷率监控2~$—TYPEIS^KCOP 及------& t间蜀I 出二藝；…阳度及j 发申量 @亠逐•月.发电童及醐…r流量及！温度统计—... ...:..热题组热泵控制启动时间源侧..分腳］水泵 J负载配置i 能耗统计_ &--;-尸罠=丰勒率统# 叨率输出-rzfe ., I -；J ,j ［"I “”…「"“I 袄皙K 箱酝于*右二二——I 偉水器3—1 戟-器弓 T I I图2 PV/T-HP 系统仿真模型发电量及 运行功率发电量及 运行功率—圖功§图示计图3单一光伏发电系统仿真模型．2 模型验证选择5月15日的实验数据进行PV/T-HP 系功率统计风速』热水泵'热泵机组 启动时间血厂一遂月发电量F 霆 及能耗统计*数据［i.…—是回春簣机组水泵 !加遵量逐月能耗统计启停控制负蟲置1流量鸚度统刍'COP-述亠TYPE1冋图4单一空气源热泵供热系统仿真模型统TRNSYS 仿真模型验证.图5显示了实验当天室外逐时环境温度与太阳辐照度的变化.当天的室外平均温度为25. 9 C,平均太阳辐照度为0. 59kW/m 2,全天最高温度和最大辐照度分别出现在 15：15 和 12：00,分别为 30. 5 C 和 0. 87 kW/m 2.为保证实验与模拟的一致性，将实验当天的天气参数编辑成tm2文件导入仿真模型的气象参数模块中，并设置模拟的水箱起始温度与实验相同，此外 实验与模拟的系统控制逻辑一致.热泵机组和集热循环泵分别在07：45和11：45开启，当供热水箱 温度超过50 C 时，热泵机组停机，集热循环泵则全天保持运行，直至17：30系统关闭.■■太阳辐照度-----环境温度Z8600IZCOCO 寸 LD99Z1-^ T —I 1-^ 1— 1-^ T — 1-^ 1— 1-^ T —I 1-^时刻098765432图5 5月15日室外逐时环境温度与太阳辐照度的变化图 6 显 示 了 蓄热 水 箱 与供 热 水 箱 温 度 的 实 验 与模拟数据对比 . 图 7 显 示 了 电 效 率 的 实 验 与 模拟数据对比.从图6、7可以看出，供热水箱温度、 蓄热水箱温度和电效率的模拟数据与实验数据曲线走势基本吻合，平均数据误差分别为6. 01%、4. 50%和5. 76% .4模拟结果分析4.1能量分析4.1.1与单一光伏发电系统对比图8显示了上海市典型气象年参数.将其导 入TRNSYS 模型中，对2个系统进行全年运行模拟，比较2个系统实际的电效率与发电量.图6 2个水箱温度的实验与模拟数据对比8060402000806040(q ・5、呱莊换20O图9全年月总发电量对比%、M ^tf五刻——实验——模拟51___________1_ in g g g g g i 寸i 寸i 寸8 8 6 6 O OO O O O i i4 3 211± 1± 1± 1± 1±%、M ^tf O I I I I I I I I I I I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月份--------PV/T-HP --------PV图7电效率的实验与模拟数据对比图8上海市逐月室外气温与太阳总辐照度图9、10分别显示了 PV/T-HP 系统与单一光伏发电系统的月总发电量和月平均电效率的比较由图9可见，发电量趋势与图8中逐月太阳总辐照 度变化趋势基本一 致 ,2 个 系 统月 总 发电 量 均 在 5月达到最大，分别为155. 65 kW ・h 和122. 02 瓦W ・h 。

太阳能在建筑节能中的作用随着全球环境问题的日益加剧，人们对于可再生能源的需求越来越高。

太阳能作为一种绿色、可持续的能源，正逐渐引起人们的关注。

除了用于发电和供暖等领域，太阳能在建筑节能中也发挥着重要的作用。

本文将探讨太阳能在建筑节能中的应用，并分析其优势和未来发展前景。

一、太阳能采暖系统在建筑中，供暖是耗能最大的一项，但也是最容易利用太阳能的领域之一。

太阳能采暖系统通常包括太阳能集热器、水泵、储水箱等组成部分。

太阳能集热器通过吸收阳光的热量，将其转换成水的热量，然后通过管道输送到建筑的供暖系统中。

与传统的燃煤或燃气供暖系统相比，太阳能采暖系统具有无污染、低运行成本等优势。

尤其对于一些不通电的偏远地区或是发展中国家的农村地区，太阳能采暖系统能够为当地居民提供可靠的供暖方式。

二、太阳能光伏发电太阳能光伏发电是将太阳能直接转化为电能的一种方式。

利用太阳能发电系统，可以为建筑物提供清洁、可再生的电力。

建筑物的屋顶、外墙等空间常常被视为安装光伏板的理想场所。

通过将太阳能光伏板安装在这些空间上，可以将阳光直接转化为电能，供给建筑物的日常用电。

与传统的电力供应方式相比，太阳能光伏发电不仅无污染，而且能够降低建筑物的用电成本。

此外，太阳能光伏发电系统还能够通过储能设备来存储白天收集到的多余电能，以备晚上或阴天使用。

三、太阳能热水系统太阳能热水系统是将太阳能转化为热能，用于加热建筑物中的热水供应。

太阳能热水系统通常由太阳能集热器、热水储存设备、循环泵等组成。

太阳能集热器通过吸收太阳光的热量，将其传导给水，在储存设备中存储热水。

与传统的热水供应方式相比，太阳能热水系统具有更高的能源利用率和更低的能源消耗。

在许多地方，太阳能热水系统已经成为一种常见的家庭供热方式。

在太阳能热水系统的应用下，建筑物能够以更低的成本提供温暖和洗浴服务，同时减少对传统能源的依赖。

四、太阳能建筑整合随着科技的进步，太阳能作为一种建筑材料开始被广泛应用。

建筑暖通系统中的新型太阳能利用技术探讨太阳能作为一种清洁、可再生的能源，被广泛应用于建筑暖通系统中。

在传统的太阳能利用技术基础上，不断涌现出新型的太阳能利用技术，为建筑节能和环保做出了重要贡献。

一、太阳能热水系统太阳能热水系统是建筑暖通系统中最常见的太阳能利用技术之一。

通过太阳能集热器将太阳能转化为热能，再通过热交换器将热能传递给热水系统，供应给建筑内的热水需求。

这种系统具有简单、可靠、经济的特点，可以满足大部分建筑的热水需求。

然而，传统的太阳能热水系统存在一些问题。

首先，集热器的效率受到天气条件的限制，阴雨天气时无法正常工作。

其次，热水的储存和供应需要占用一定的空间，对于一些场地有限的建筑来说，不太适用。

因此，研究人员开始探索新型的太阳能利用技术，以解决这些问题。

二、太阳能空调系统太阳能空调系统是近年来较为热门的新型太阳能利用技术之一。

传统的空调系统需要大量的电能来提供制冷和供暖，而太阳能空调系统则通过太阳能集热器和吸附式制冷机等设备，将太阳能转化为冷热能源，实现建筑的制冷和供暖。

太阳能空调系统具有节能、环保的优势。

然而，由于太阳能的不稳定性和季节性，太阳能空调系统在供暖和制冷方面的性能仍然存在一定的局限性。

因此，研究人员正在不断改进太阳能集热器的设计，提高其效率和稳定性，以实现更好的供暖和制冷效果。

三、太阳能光伏系统太阳能光伏系统是另一种新型的太阳能利用技术。

通过太阳能光伏板将太阳能转化为电能，再通过逆变器将直流电转化为交流电，供应给建筑内的电力需求。

太阳能光伏系统具有可再生、无污染的优势，可以减少对传统电网的依赖，实现建筑的自给自足。

然而，太阳能光伏系统在实际应用中也存在一些问题。

首先，光伏板的效率仍然较低，无法完全满足建筑的电力需求。

其次，夜间和阴雨天气时，太阳能光伏系统无法正常工作，需要依靠传统电网补充电力。

因此，研究人员正在努力提高光伏板的效率，并研发储能技术，以解决这些问题。

四、太阳能外墙系统太阳能外墙系统是一种将太阳能集热器集成到建筑外墙中的新型太阳能利用技术。

电热水器在太阳能光伏系统中的配套应用近年来，太阳能光伏系统得到了广泛的应用和发展，成为可再生能源领域的重要组成部分。

作为光伏系统的一个重要配套设备，电热水器在太阳能光伏系统中的应用也愈发受到关注。

本文将就电热水器在太阳能光伏系统中的配套应用进行探讨。

太阳能光伏系统利用太阳光直接转换成电能，供给住宅、商业建筑等用户使用，不仅可以减少对传统电网的依赖，还可以降低二氧化碳的排放，减少对环境的负面影响。

然而，太阳能光伏系统的电能输出具有时间和季节性的波动，夜晚和阴天时，光伏系统的发电效率较低。

为了解决这个问题，电热水器在光伏系统中发挥了重要的作用。

首先，电热水器可以利用多余的光伏电力进行热水加热。

当光伏系统发电量超过用户需求时，过剩的电能可用于加热水。

传统的电热水器在没有自产电力的情况下，需要依赖电网供电进行加热。

而在太阳能光伏系统中，多余的电能可以直接供应给电热水器，使其在不依赖电网的情况下工作。

这种方式不仅解决了光伏系统发电用不完的问题，还提高了能源的利用效率，节约了电网供电的资源和费用。

其次，电热水器还可以通过光伏系统进行分时控制，合理利用电能。

光伏系统发电量的波动性使得电热水器在供电方面面临一定的挑战。

通过与光伏系统的智能控制系统的连接，电热水器可以根据当天的光照情况，预测光伏系统的发电量，并在光伏电力供应充足的情况下进行加热。

而在光伏电力供应不足的时候，可以自动切换到电网供电模式，以确保用户的热水需求。

这种灵活的分时控制方式，不仅能够最大程度地利用光伏电力，还能够确保用户在任何时候都能够得到稳定的热水供应。

此外，电热水器在太阳能光伏系统中的配套应用还可以进一步提高光伏系统的经济效益。

在传统的光伏系统中，多余的电能被无法利用，导致了能源的浪费。

而当电热水器与光伏系统相连时，多余的电能可以通过电热水器的加热过程转化为热能，起到了能源存储的作用。

这不仅减少了能源的浪费，还提高了光伏系统的经济效益。

总结起来，电热水器在太阳能光伏系统中的配套应用具有多方面的好处。