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一、项目基本情况：

该建筑为一栋独立的2层住宅，坐北朝南，屋顶为多面坡，面积约500㎡。已建成多年，原有设备、设施和装修已经老化或失去功能，此次进行整体改造、升级，力图改造后成为一栋具有绿色建筑、被动房理念的低能耗型住宅。

拟定的改造计划，包括：

1. 对建筑的围护结构进行改造，引入一些被动式太阳房的设计元素，以改善其自然舒适性和能耗水平；

2. 采用热泵技术为住宅提供空调制冷和供暖；

3. 将建筑向南侧和北侧分别扩展，扩大使用面积，扩展部分拟采用PVT光伏光热一体化组件进行覆盖，替代传统屋顶系统；

4. 在原有屋顶适度增设PVT组件，尽量扩大PVT组件的安装规模；

5. 光伏发电系统并网运行，并最大限度实现就地消纳、余电上网；

6. 探索最优的PVT与热泵的耦合方案，进一步提升整个系统的能源利用效率；

7. 利用热泵系统保障全年卫生热水需求。

二、针对需求给出初步规划

2.1 屋顶PVT系统的布置

建筑南北侧新扩建部分，其屋顶采用两组PVT组件平铺。原有屋顶有一处南向坡，依坡度铺设4块PVT组件。原有屋顶有一处小平台，拟采用支架安装4块PVT组件。如下图a，共计布设了尺寸2384mm×1303mm，规格为660Wp的PVT光伏组件40片，合计总装机约25.74 KW。拟选用1台光伏并网逆变器(型号GW25KF-DT)，其功率为25KW，拥有2路30A的输入。

原有住宅建筑屋顶系统为采用深色大波纹瓦覆盖的多面坡结构，欧式风格突出，不宜粗鲁地打破。南北侧外扩部分，为实现发电、产热的功能而采用平铺方式，虽不尽完美，但对整栋住宅的观瞻影响相对较小，方案在可接受范围。

原有屋面系统上2处坡度安装的PVT组件，则过于突兀，对建筑外观破坏过大；且位于小平台上的4块PVT组件采光条件复杂，在系统中又与南向坡面的4块PVT组件同处一个组串，相互干扰，影响系统效率。因此，重新考虑将其布置于东向和西向坡屋面上，如下图b，虽然也对建筑观瞻有一定负面影响，但随着近些年公众对屋面光伏系统的接受度越来越高，屋面上整齐敷贴布设的光伏板已经成为业主前卫新潮、崇尚环保的新标签。屋顶小平台建议恢复为屋顶花园景观，提升整个建筑的灵动感。

2.2 PV系统的设计

原方案拟选用1台光伏并网逆变器(型号GW25KF-DT)，其功率为25KW，拥有2路30A的输入。由于屋面结构杂性，造成不同位置的PVT组件受光条件的巨大差异，而这一功率范围主流的并网逆变器，通常拥有的MPPT输入路数较少，不足以满足这种复杂性的需要，严重影响了整个光伏系统的发电效率。

新的方案将采用光伏组件优化器，使得同一组串上，即使光照条件不一致，也能更好地发挥各电池板的最大发电效能。共安装40块PVT组件，系统示意图如下：

优化器的选型：选择采用华为公司出品的MERC-1300W-P优化器产品。

光伏并网逆变器选型：选用华为SUN2000-25KTL。

2.3 集热系统的设计

PVT组件是将光伏电池板与换热板进行结合而衍生出的产品。其缩写中的“T”指的是Thermal，也就是指出了其具有集热的功能部分。通常这部分附加用于收集热量的部分，还需要兼顾在停机情况下光伏电池板的正常散热需求，所以不做保温处理。因此，其只适合工作于与环境温度差距不大的工况下。实际应用中，几乎必须与热泵耦合使用。

从制造工艺上，最常见的换热板有吹胀型（a）和管板型（b），见下图：

本项目中，结合系统设计方面的众多因素，综合研判，更适合选择采用吹胀式的换热板体。此类PVT产品，一般原设计采用氟利昂作为换热工质，把PVT作为蒸发器使用，具有温度均匀性好的特点，但价格较高，且由于热胀冷缩等原因，产品的可靠性需要结合制造工艺、结构优化等，进行仔细甄别。

 

在工质的选择上，由于本项目中大部分PVT为平铺，一旦积雪很难清除，且PVT阵列较大、安装情况复杂，不利于工质以及冷冻油的回流。因此，选择采用JM-EC-04液冷绝缘热管理液作为传热工质，并应用在闭式循环系统中。

 

循环系统主管路采用焊接钢管，规格为DN32，检漏后刷2遍富锌底漆2遍偏氟面漆，采用20mm厚阻燃橡塑保温体系。所有40块PVT组件处于并联状态，分配支管路，采用12mm铝管，表面喷涂与屋面相融合的颜色涂层，不做保温处理。主循环管道按照最短管程设计，采用40路带流量显示的分集水器进行流量分配调节。主循环泵为定频湿转子泵，总流量按2.4m³/h选取，扬程大于8米，具体型号待确定。膨胀罐选用VR24气囊式膨胀罐。

 

2.3 热泵系统设计选型

本工程为二层建筑，高9.6m，建筑面积为494㎡，采用海悟集团自产的热泵作为冷热源，进行供暖及制冷。

 

项目地全年气温变化特点：

项目地全年各月温度变化曲线图：

 

  冬季室外设计参数： 

夏季室外设计参数：

室内设计参数：

冷、热负荷计算结果见下表：

基于此，需要就可能的系统方案进行分析对比。显而易见，该建筑空调冷负荷远大于供暖热负荷，而相比冷暖负荷，卫生热水的负荷可以忽略不计。

方案一：安装一台满足冷负荷64.22kW的空气源热泵。此方案为典型的冷暖热水3联供系统，常见系统如下图。空气源热泵夏季用于空调制冷、冬季用于供暖、热水在供暖季采用热泵切换加热、在非采暖季采用电加热管加热。如果设想夏季利用PVT的热量加热水箱，鉴于热水的需热量过小，系统的复杂程度不宜过高，不予采纳。又由于空气源热泵与pvt热量耦合利用的季节性矛盾，本项目不适用此方案。

方案二：安装一台满足冷负荷64.22kW的地源热泵，PVT从热源端耦合，构成冷暖热水3联供系统，系统如下图。地源热泵夏季用于空调制冷、冬季用于供暖、热水在供暖季采用热泵切换加热、在非采暖季采用电加热管加热。则，冬季PVT与换热井一起向地源热泵提供较高温度的低温热源，地源热泵将获得较高的运行COP，起到一定的节能效果；夏季，系统进入空调制冷模式，热泵输出的热量约80kw、PVT产生的热量约45kW需要通过地源井回灌，则需要约24口井方能满足消纳需求，这从场地、造价以及热量消纳等多维度看显然是不可能的，而采用额外的散热器进行散热，与采用PVT的意义相抵触，本项目不予采纳。

方案三：结合对方案一、方案二的思考，我们明确了需求方向。针对夏季空调负荷大，日照强烈，系统应尽可能发挥PVT水冷降温提效的优势，最大限度多发电，并将热量回灌到地源井；而房间制冷需要尽可能采用最直接的方式向自然环境散热，空气源热泵无疑是最佳选择。冬季供暖，地源和太阳能源可以提供高效稳定的低温热源，采用地源热泵可以最大限度的高能效供暖，又不会出现空气源热泵频繁化霜的情况，无疑也是最佳选项。综上，方案三鉴于供暖和供冷负荷的差异很大，整套系统设计包含2热泵：一台供暖输出19.76kW以上的地源热泵与PVT耦合用于供暖，室外采用单排、间距5米以上打4口120米深的地源井（双U管换热），室内采用地盘管末端；夏季空调时开启另一台满足冷负荷64.22kW的空气源热泵；PVT非采暖季白天通过地埋井向大地回热；卫生热水全年由地源热泵提供加热热源。

设备位置：

设备选型：

空气源热泵主机，选用海悟HLWD086P2C7A空气源热泵机组1台，该机组低温工况制热量（-12℃）为59kW、COP为2.2，极端气候或地源热泵系统故障时，可作为供暖热源备份；额定制冷量65kW，满足本项目夏季制冷的需求。

 

具体技术参数如下：

地源热泵主机：

【注】

1、机组参数根据标准GB/T 19409-2013测试。