热电性能分析技术

1.侧重满足供暖季热水负荷需求的方案分析

侧重满足供暖季热水负荷需求，即在供暖季采用热管式太阳能PV/T热泵系统，在空调季及过渡季采用热管式太阳能PV/T热水系统来生产生活热水，并侧重满足供暖季月平均热水负荷50%的热负荷需求。因此，按照在供暖季使用热管式太阳能PV/T热泵系统生成生活热水来进行系统容量的计算。

（1）集热面积计算 热管式太阳能PV/T热泵系统，通过吸取热管式太阳能PV/T集热器侧循环水中的热量来向用户供暖。由于冬季自来水水温较低，且冬季频繁更换蒸发侧循环水较为不便；为保证系统蒸发侧循环水水温的相对恒定，而不致过低，从而导致系统受冻及压缩机保护骤停；因此，将热泵机组的理论蒸发换热量按热管式太阳能PV/T集热器的集热量来计算，则有

Q_evp=Q_t （5-12）

式中 Q_evp——热泵机组蒸发换热量（MJ）；

Q_t——热管式太阳能PV/T集热器集热量（MJ）。

热管式太阳能PV/T集热器集热量按下式计算

Q_t=H_Tη_t′（1-η_L） （5-13）

式中 H_T——热管式太阳能PV/T集热器斜面月平均辐射量（kJ/m²）；

η_t′——热泵系统冬季日平均集热效率，根据实验测试，取值0.15；

η_L——管路及集热水箱热损失率，由于热管式太阳能PV/T热水系统散热面积较小，保温措施较好，且不同于传统直接加热式集热器，故取0。

列出热泵机组能量平衡方程，则有

Q_cond=W+Q_evp-Q_L （5-14）

式中 Q_cond——热泵机组冷凝换热量（MJ）；

W——热泵机组压缩机耗电量（MJ）；

Q_L——热泵机组热损失（MJ），此处忽略不计。

同时，热泵机组性能系数的计算方法为

式中 COP——热泵机组平均性能系数，取3。

将热泵机组供热量都用来生产生活热水，在不考虑传热损失的情况下，则有

Q_cond=Q_h （5-16）

式中 Q_h——热水负荷（MJ）。

综合式（5-13）～式（5-16）可得，在热泵运行工况下，热管式太阳能PV/T集热器面积的计算公式

因此，根据式（5-17），按照年平均热水负荷16.63MJ，太阳能保证率50%，以及供暖季平均辐射量15.89MJ/m²，即可以得出方案一系统的集热面积为2.33m²。选用英利绿色能源型号为YL200P-23b的光伏产品来进行系统性能分析，该型号PV组件，有效集热面积1.233m²，有效光伏电池面积1.168m²，其他详细参数可以参考表2-1。因此，根据该型号单个PV组件的有效集热面积，便可计算出方案一系统所需要PV组件数量为2块，总光伏电池面积为2.34m²，总集热面积为2.47m²。

（2）热负荷太阳能保证率 根据参考文献[68]，可整理出热管式太阳能PV/T热水系统太阳能保证率的计算公式

式中 f_w——热负荷太阳能保证率；

A_t——热管式太阳能PV/T集热器总面积（m²）；

Q_w——热水负荷（MJ）；

η_t——热管式太阳能PV/T集热器年或月平均集热效率，根据实验测试，取值0.3。

根据得出的方案一系统的总集热面积，使用式（5-17）、式（5-18）便可以求出方案一系统全年的热负荷太阳能保证率，见表5-13。

表5-13 全年热负荷太阳能保证率

按照上述总集热面积，对热管式太阳能PV/T热水系统在过渡季和空调季运行时的热性能分析后发现，其各月的理论热负荷太阳能保证率都较高，个别月份可以达到80%，理论计算结果显示，供热水效果非常好。

但根据对热管式太阳能PV/T热水系统在空调季和过渡季的实测发现，由于实验中热管式太阳能PV/T集热器所采用的是成品化的光伏板，产品设计更注重电性能，而忽视其集热性能，且电池覆盖率较高，使得其实测期间光伏板表面最高温度仅达到64℃，最高日平均值仅为55℃；再加上光伏电池同集热管之间以及与循环水之间的热阻较大，使得经过换热后系统循环水可以达到的最终集热温度较低，夏季气象条件良好的情况下，集热终水温一般在40℃左右，春季及秋季过渡季节的集热终水温会更低。因此，为了保证对热管式太阳能PV/T系统应用分析的准确性，了解系统的实际热性能，以各月系统实测终水温度为基础，来确定各月热水系统集热温度的上限值，并以此计算过渡季和空调季各月的热负荷太阳能保证率。表5-14所示为确定的过渡季和过渡季的集热终水温及计算出的实际热负荷太阳能保证率上限。

表5-14 过渡季和空调季的集热终水温及实际热负荷太阳能保证率上限(www.xing528.com)

因此，综合表5-13和表5-14，得出方案一系统的全年热负荷太阳能保证率，见表5-15。

表5-15 全年热负荷太阳能保证率

（3）电负荷太阳能保证率 用太阳能光伏发电系统输出的电量，来满足建筑照明系统能耗及插座系统能耗，电负荷太阳能保证率的计算公式如下

式中 f_e——电负荷太阳能保证率；

Q_e——建筑耗电量（MJ）；

H_T——热管式太阳能PV/T集热器斜面月平均辐射量（MJ/m²）；

η_pv——光伏板年平均电效率，根据实验测试，取值0.11；

A_pv——热管式太阳能PV/T集热器光伏电池面积（m²）。

表5-16为计算出的方案一系统全年电负荷太阳能保证率。

表5-16 全年电负荷太阳能保证率

图5-3所示为方案一系统全年热负荷和电负荷太阳能保证率的逐月变化情况。从图中可以看出，方案一系统的热负荷太阳能保证率4月份最低，为39%，其次为12月份43%，最高为8月份73%，全年平均为55.7%；电负荷太阳能保证率的变化趋势同太阳辐射量变化趋势相同，2月份最高，12月份最低，分别为54%和37%，全年平均为46.8%。

图5-3 全年热负荷和电负荷太阳能保证率

2.侧重满足冬季供暖负荷需求的方案分析

侧重满足冬季供暖负荷需求，即供暖季采用热管式太阳能PV/T热泵系统提供热量来满足供暖季月平均供暖负荷和热水负荷50%的热负荷需求。按照供暖季月平均供暖负荷和热水负荷219.4MJ，太阳能保证率50%，以及供暖季平均辐射量15.89MJ/m²，即可以得出方案二系统的集热面积为24.89m²。需要YL200P-23b型号的光伏产品数量为25块，总光伏电池面积为29.20m²，总集热面积为30.82m²。同样，考虑到热管式太阳能PV/T热水系统的实际运行情况，最终可以得出方案二系统全年的热负荷和电负荷太阳能保证率，见表5-17。

表5-17 热负荷和电负荷太阳能保证率

图5-4所示为方案二系统热负荷和电负荷太阳能保证率的逐月变化情况。从图中可以看出，由于选用的PV组件数量较多，方案二系统在过渡季和空调季各月都达到了热水负荷太阳能保证率上限值，最低为4月份39%，最高为9月82%，平均为62%；方案二系统在供暖季的热负荷太阳能保证率最低为12月份41%，最高为2月份60%，平均为50%；同时，方案二系统全年电负荷太阳能保证率也都非常高，几乎全都在500%以上，最高为2月份的677%，最低为12月份的461%，平均为585%。

图5-4 全年热负荷和电负荷太阳能保证率

3.侧重满足全年电负荷需求方案分析

侧重满足全年电负荷需求，则是采用热管式太阳能PV/T系统输出电量，来满足年平均电负荷100%的电负荷需求。根据式（5-19）整理出光伏电池面积计算公式

式中 f_e——电负荷太阳能保证率，此处取1。

因此，按照年平均电负荷2.50kW·h，太阳能保证率100%，以及全年平均辐射量16.35MJ/m²计算，即可以得出方案三系统的光伏面积为5.00m²。需要YL200P-23b型号的光伏产品数量为4块，总光伏电池面积为4.67m²，总集热面积为4.93m²。由于方案三系统集热器容量较大，因此，方案三系统在冬季供给供暖负荷，则计算出方案三系统各月热负荷和电负荷太阳能保证率，见表5-18。

表5-18 热负荷和电负荷太阳能保证率

图5-5为方案三系统热负荷和电负荷太阳能保证率的逐月变化情况。从图中可以看出，由于方案三系统集热器选型容量较大，方案三系统在过渡季和空调季的热负荷太阳能保证率同方案二都相同，最低在4月份为39%，最高在8、9月份为82%，平均为62%；方案三系统在供暖季的热负荷太阳能保证率则都较低，2月份最高，为10%，12月份最低，仅为7%，平均为8%；电负荷太阳能保证率，最高为2月份108%，最低为12月份74%，平均为94%。

4.方案比较

从以上方案分析可以发现：方案二系统，即使仅保证50%的冬季供暖负荷和热水负荷，需要的热管式太阳能PV/T集热器数量就高达25个，由于过渡季和空调季的生活热水需求有限，生产的生活热水大多无法利用，且初投资高，系统过大，占用屋顶面积较大，安装不便。而方案三系统，虽然使用4块热管式太阳能PV/T集热器即可基本满足全年电负荷需求，但在供暖季的热负荷太阳能保证率最大仅为10%，平均仅为8%，冬季供暖效果不够理想，且在过渡季和空调季也同样产生过量的生活热水。而方案一系统，在仅使用2块热管式太阳能PV/T集热器的情况下，即可基本满足供暖季50%热水负荷需求，最低在4月份为39%，最高在8月份为73%，全年平均为55.7%；同时在满足全年热水负荷的情况下，还可以保证全年最低37%，最高54%，平均46.8%的电负荷需求。因此，经过综合比较，认为方案一系统最经济可行、太阳能利用最有效、最便于实际利用。

图5-5 全年热负荷和电负荷太阳能保证率