第 卷 第 期 年 月 新能源科技 基金項目 國家自然科學基金項目 作者簡介 薛金金 女 碩士研究生 研究方向 建筑節(jié)能 通信作者 劉向東 男 教授 博士 研究方向 傳熱傳質(zhì)學 光伏 光熱 風冷熱泵式供能植物工廠空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計 薛金金 張 龍 吳梁玉 張程賓 劉向東 揚州大學電氣與能源動力工程學院 江蘇揚州 山東電力工程咨詢院有限公司 山東濟南 東南大學能源與環(huán)境學院 江蘇南京 劉向東 年 月生 博士研究生 揚州大學電氣與能源動力工程學院教授 博士 生導師 主持了國家自然科學基金 國防專項 江蘇省優(yōu)秀青年基金等多項課題 在國內(nèi) 外權(quán)威刊物上發(fā)表了 論文 多篇 出版教材 著作 部 獲授權(quán)發(fā)明專利 余件 入選江蘇省高校青藍工程學術(shù)帶頭人 江蘇省 六大人才高峰 高層次人才 江蘇省科協(xié) 青年科技人才托舉工程 兼任中國工程熱物理學會傳熱傳質(zhì)分會青年委員會委員 中國 高等教育學會工程熱物理專業(yè)委員會理事等職 摘要 針對目前植物工廠供能方式單一 盈利性與可持續(xù)性差等問題 文章設(shè)計了太陽能光伏 光熱 風冷熱泵聯(lián)合供能的植物工廠空調(diào)系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用風冷熱泵為植物工廠提供冷量 太陽能集熱為 植物工廠提供熱量以及太陽能光伏供部分植物工廠的用電 通過確定植物工廠的冷熱負荷 選型制 熱量和制冷量分別為 和 的風冷熱泵 通過計算集熱器的集熱面積確定光伏光熱一體 化組件的數(shù)量 確定了光伏光熱一體化組件的發(fā)電量及光伏能夠提供的植物工廠電耗百分比 最后分 析了配置光伏光熱一體化組件的植物工廠投資經(jīng)濟性與碳減排潛力 關(guān)鍵詞 植物工廠 空調(diào) 節(jié)能降耗 光伏光熱一體化 中圖分類號 文獻標志碼 引言 植物工廠通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)作物 周年連續(xù)生產(chǎn) 是一種污染小 空間利用率高 產(chǎn)出品 質(zhì)高和易推廣的農(nóng)業(yè)技術(shù) 在 雙碳 目標 鄉(xiāng)村 振興和共同富裕等多重政策的驅(qū)動下 創(chuàng)新現(xiàn)代設(shè)施 農(nóng)業(yè)供能方案 解決目前植物工廠存在的供能方式單 一 傳統(tǒng)能源依賴性高 盈利性與可持續(xù)性差的問題 實現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)和清潔能源互補互促成了現(xiàn)代農(nóng) 業(yè)發(fā)展的一個重要途徑 我國擁有豐富的太陽能資 源 太陽能光伏供電已經(jīng)在建筑物空調(diào) 照明 電 動汽車 等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 對建筑物碳排放 的降低 運行能耗的降低以及用電高峰期電網(wǎng)壓力 的降低 都具有積極作用 光伏光熱一體化技 術(shù) 的應(yīng)用能夠進一步提升太陽能的綜合利用效 率 光伏光熱一體化技術(shù)通過在光伏組件背面鋪設(shè) 流體通道 由流體內(nèi)冷卻工質(zhì)帶走部分熱量并加以利 用 能夠有效降低光伏組件溫度 繼而提高光電轉(zhuǎn)換 效率 目前 許多研究者在建筑的光伏光熱一體化技術(shù) 方面開展了深入的研究 文獻 研究了在嚴寒和 寒冷地區(qū)利用光伏光熱一體化技術(shù)為住宅供熱的技 術(shù)方案 結(jié)果表明光伏光熱一體化技術(shù)極大地促進了 建筑的節(jié)能減排 文獻 對光伏光熱組件傾角 方 新能源科技 位角等多個關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計 結(jié)果顯示 優(yōu) 化后的光伏光熱組件光電轉(zhuǎn)換率由 增至 減排量提高 發(fā)電量提高了 文獻 以 個不同氣候的典型城市的氣 象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ) 對比分析了光伏光熱一體化 系統(tǒng)和光伏 系統(tǒng)的節(jié)能特性 結(jié)果表明 系統(tǒng)的綜合效率更高 能量償還時間更短 碳減排量 更高 相比于傳統(tǒng)的 系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景 文獻 對不同太陽輻照度 環(huán)境溫度條件下 系統(tǒng)的熱效率 電效率進行對比分析表明 系統(tǒng) 與常規(guī)組件相比 有效降低了光伏組件背板溫度 提 高了光伏組件的發(fā)電效率 平均效率提升約 同 時 系統(tǒng)的光電光熱綜合效率達 然而 目前太陽能光伏 光熱的應(yīng)用研究主要集 中于住宅 辦公樓等常規(guī)建筑物 在封閉 半封閉小 型功能性建筑中的研究罕見報道 尤其是植物工廠 的冷 熱負荷特性與常規(guī)建筑有較大差異 對其光 伏 光熱的供能設(shè)計需要進一步的定量研究 因此 本文提出將太陽能光伏光熱技術(shù)與風冷熱泵結(jié)合 通過光伏為植物工廠提供電能 通過光熱在需要供 暖的季節(jié)為植物工廠提供熱能 實現(xiàn)可持續(xù)節(jié)能減 排效果 工程基本資料 工程概況 采用太陽能光伏 光熱 風冷熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的 植物工廠位于江蘇省揚州市 占地面積 長 寬 高 包含操作區(qū) 種植 區(qū)和動力設(shè)備區(qū) 部分 其中 操作區(qū)包括環(huán)境控制 面板 操作臺 種植區(qū)包括種植架 種植籃 生菜 植物 生長 燈等 動力設(shè)備區(qū)包括 控制器 營養(yǎng) 液儲存等 如圖 所示 圍護結(jié)構(gòu)采用 厚聚氨 酯夾芯金屬壁板 金屬壁板的內(nèi)外層鋼板厚度為 圖 植物工廠 氣象資料 植物工廠所在地的室外氣象參數(shù) 如表 所 示 植物工廠由于用途的特殊性 冬 夏季的室內(nèi)設(shè) 計參數(shù)相同 本文所研究的植物工廠用途為生菜種 植 其設(shè)置溫度為 設(shè)計濕度為 表 室外氣象參數(shù) 夏季冬季 空調(diào)室外干球溫度 采暖計算溫度 空調(diào)室外濕球溫度 空調(diào)計算溫度 空調(diào)日平均溫度 冬季平均風速 室外平均風速 相對濕度 空調(diào)大氣透明度等級 大氣壓 夏季大氣壓 新能源科技 植物工廠負荷計算 植物工廠空調(diào)冷負荷 本文采用負荷系數(shù)法計算夏季空調(diào)冷負荷 通過 冷負荷溫度與冷負荷系數(shù)直接從各種干擾量值求得 各分項逐時冷負荷 各項逐時冷負荷之和的最大值即 為植物工廠的冷負荷 圍護結(jié)構(gòu)傳熱引起的冷負荷 為 式中 為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) 取 為圍護結(jié)構(gòu)表面積 為圍護結(jié)構(gòu)冷負荷溫 度的逐時值 為逐時冷負荷溫度的地點修正值 揚 州地區(qū)為 為植物工廠內(nèi)設(shè)計溫度 取 人體散熱形成的冷負荷 取植物工廠栽 培區(qū) 人 進入房間時刻 進入后小時數(shù)為 照明散熱形成的冷負荷 供植物生長的 燈具每平方米功率 其中 以熱量或輻 射形式散失到室內(nèi) 新風冷負荷 新風量應(yīng)取下列 項的最 大值 補償室內(nèi)排風量和保持室內(nèi)正壓值所需新風量 之和 保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時的新鮮空氣量不 小于 植物工廠空調(diào)冷負荷 匯總?cè)?表 所示 表 植物工廠空調(diào)冷負荷 時間冷負荷 時間冷負荷 時間冷負荷 時間冷負荷 計算得植物工廠總冷負荷 為 冷負荷 指標為 植物工廠空調(diào)熱負荷 植物工廠空調(diào)熱負荷 包括圍護結(jié)構(gòu)耗熱量 以及照明散熱量 圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量 附加耗熱量 照明散熱量 植物燈具每平方米功率 其中 以熱量或輻射形式散失到室內(nèi) 植物工廠空調(diào)總熱負荷 則植物工廠 總熱負荷 為 設(shè)備選型 風冷熱泵機組選型 根據(jù)植物工廠的冷熱負荷選風冷熱泵機組 并考 慮一定的富裕量 取富裕系數(shù) 則熱泵機組制冷量 為 制熱量為 選擇廠家為德州科 納環(huán)境科技的 臺風冷熱泵 型號為 制 冷量 輸入功率為 制熱量 輸 入功率 循環(huán)水泵選型 設(shè)備阻力包含沿程阻力加局部阻力 風冷熱泵阻 力以及空調(diào)末端阻力 計算總和 為 循環(huán)水泵水流量 式中 為循環(huán)水泵流量 為熱泵機組 制冷量 為熱泵使用側(cè)出水溫度 為熱泵 使用側(cè)回水溫度 使用側(cè)循環(huán)水泵流量 為 選擇型號 為 揚程 流量 的水泵 臺 用 備 功率為 光伏光熱一體化設(shè)計 太陽輻射量和安裝傾角確定 揚州地區(qū)水平面年平均太陽輻射量約 峰值日照小時數(shù) 從一年四季盡可能均衡發(fā)電考慮 則 組件 安裝角度取 為宜 這種情況下 組件方陣的 冬季投影面積相差不大 如果太陽輻照量一年四季是 均勻分布的 就可以達到均衡發(fā)電的目的 但是揚州 地區(qū)冬季太陽輻射量較弱 且陰雨天較多 而夏季太 新能源科技 陽輻射量較強 即使冬夏季實際發(fā)電面積相同 發(fā)電 量仍相差很大 從全年多發(fā)電角度考慮 組件 安裝角度取 為宜 此時 冬季 組件方陣 的投影面積較小 夏季投影面積較大 這種犧牲冬季 發(fā)電面積 提升夏季發(fā)電面積的設(shè)計 有利于在太陽 輻射量最大的夏季獲得較大的發(fā)電量 從而使全年發(fā) 電量增加 光熱 當前市場采用的太陽能集熱器主要有平板集熱 器和真空管集熱器 平板集熱器集熱溫度一般為 可以承壓運行 安全性能較好 能以多 種方式和建筑結(jié)合 真空管集熱器防凍性好 但是抗 壓能力差 本文采用的 集熱組件是基于平板 集熱器改進的一種新型集熱器 組件尺寸為 額定發(fā)電效率 額定功率 額定電流 額定電壓 光電轉(zhuǎn)換 效率 由于采用短期蓄熱直接式換熱系統(tǒng) 根 據(jù) 太陽能供熱采暖工程技術(shù)標準 直接系統(tǒng)集熱器面積按下式計算 式中 為供暖計算負荷 取 為太陽 能保證率 取 為集熱器采光面上 月平均 日太陽輻照量 揚州取 為管 路及儲熱裝置熱損失率 取 為基于總面積的 集熱器平均集熱效率 根據(jù)本研究所采用的 組件的熱性能 設(shè)計 用集熱器基于總面積的瞬時效率曲線方程為 式中 為進口歸一化溫差 為集熱器 采光面上總?cè)蛰椛湔斩?取 為工質(zhì)進口溫 度 取 為供暖期平均環(huán)境溫度 取 根據(jù)以上公式計算 可得進口歸一化溫差 集熱器集熱效率 直接系統(tǒng)集熱器面 積 本設(shè)計用 組件單塊面積為 則需要 組件 塊 總面積 滿 足熱負荷需求 光伏 光伏月發(fā)電量 為 式中 為當?shù)厮矫嬖驴傒椛淠?為光伏方陣面積 為光伏組件轉(zhuǎn)換效率 為修 正系數(shù) 其中 式中 為光伏組件類型修正系數(shù) 取 為 灰塵遮擋玻璃及溫度升高造成組件功率下降修正系 數(shù) 取 為光伏組件長期運行性能衰降修正系 數(shù) 取 為光伏方陣朝向與傾斜角修正系數(shù) 為光照利用率系數(shù) 取 為光伏發(fā)電系統(tǒng)可用 率系數(shù) 取 為線路損耗修正系數(shù) 取 為逆變器效率修正系數(shù) 取 光伏方陣朝向與傾 斜角的修正系數(shù)如表 所示 表 光伏方陣朝向與傾斜角的修正系數(shù) 組件朝向太陽電池組件 方陣 與地面的傾斜角 東 東南 南 西南 西 采用 塊尺寸為 的 組件放置于植物工廠的屋頂時 夏季 月 發(fā)電量為 冬季 月 發(fā)電量 為 植物工廠的主要組件耗電量如表 所示 可以看到 夏季的光伏發(fā)電量能夠滿足植物 工廠 的電耗 冬季光伏發(fā)電量能滿足植物工廠 的電耗 表 植物工廠主要組件耗電量 序號名稱每小時耗電量 每天運行時間 每天耗電量 夏季耗電量 冬季耗電量 風冷熱泵 循環(huán)水泵 燈 合計 夏季 冬季 運行系數(shù)取 新能源科技 節(jié)能減排效果分析 經(jīng)濟性分析 組件的價格按 元 塊計 當植物工廠 在其屋頂配置了 塊 組件后 年總發(fā)電量為 由于 組件提供的熱水能夠完全 滿足植物工廠冬季供暖需求 因此可節(jié)省 耗電量 按照風冷熱泵以功率 冬季運行 天 每天運行 計算 所產(chǎn)生的冬季供暖費用 而 夏季 組件能夠提供植物工廠 的電耗 因 此 每年將節(jié)約 按照 元 計 算 即節(jié)約 元的電費 能夠在 年內(nèi)收回 投資 減排量 中國 排放指數(shù) 為 生產(chǎn) 片尺寸為 的 組件消耗的電能 是 光伏光熱減排潛力 按照下式計算 式中 為光伏光熱減排潛力 為 組件的年總發(fā)電量 為冬季供暖節(jié)約電量 為生產(chǎn) 組件消耗的電能 為 中國 排放指數(shù) 為壽命周期 年 使用 片尺寸為 的 組件 在其壽命周期 年 內(nèi) 可以減少 排放量 結(jié)語 針對植物工廠供能形式單一 能耗高的問題 本 文對太陽能光伏 光熱 風冷熱泵供能的植物工廠開 展了研究 提出了光伏 光熱聯(lián)合的供電 供熱方式 并計算了這一供能方式的經(jīng)濟性與減排效果 為植物 工廠的供電及取暖提供新途徑 結(jié)果表明 根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和植物工廠參數(shù)進行計算可 知 植物工廠總冷負荷 為 冷負荷指標為 總熱負荷 為 為滿足植物工廠的需求 所選用的風冷熱泵 制冷量 輸入功率為 制熱量 輸入功率 所選用的 組件數(shù)量為 塊 總面積 采用 塊 組件的植物工廠可節(jié)省 的冬季供暖費用 并在夏季提供植物工廠 的電耗 每年將節(jié)約 元的電費 可在 年 回收投資 在 壽命周期內(nèi)能夠減少 排放量 參考文獻 陳永愛 拉薩地區(qū)住宅光伏光熱一體化系統(tǒng) 設(shè)計與性能研究 天津 天津大學 張夢 郝學軍 太陽能光伏光熱空氣源熱泵供 新能源科技 能系統(tǒng)優(yōu)化模擬 煤氣與熱力 馮仕霖 蔡靖雍 張濤 光伏 光熱與光伏發(fā)電 系統(tǒng)的性能及節(jié)能對比分析 上海電力大 學學報 周玲 周思思 一種光伏光熱 一體化 系統(tǒng)熱電性能研究 價值工程 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 民用建 筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范 北京 中國計劃出版社 陸耀慶 實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊 北京 中國建筑工業(yè)出版社 董微 周增產(chǎn) 姚濤 等 集裝箱植物工廠變頻 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程 陳慧子 石惠嫻 裴曉梅 等 太陽能光伏 地 源熱泵式供能植物工廠空調(diào)系統(tǒng) 建筑節(jié) 能 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 國家市場 監(jiān)督管理總局 太陽能供熱采暖工程技術(shù)標 準 北京 中國建筑工業(yè) 出版社 李鐘實 太陽能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施 工與運維手冊 版 北京 機械工業(yè)出 版社 吳怡然 西藏高原以風光可再生能源驅(qū)動植 物工廠可行性研究 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 編輯 王雪芬