海悟PVT耦合热泵“冷-暖-电-热水”四联供综合能源系统方案
海悟集团专注于热泵技术的创新和民用清洁能源应用的扩展,旨在成为数字能源和清洁能源领域的佼佼者。在民用供暖市场,随着降碳意识深入人心,许多客户开始寻求超越传统供暖设备的高效解决方案,从而对供应商提出更高的创新要求。本文我们将以北京某高端别墅住户的项目改造为例,分享一则“PVT耦合热泵”实现“冷-暖-电-热水”四联供综合能源系统的案例。
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:
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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;
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采用热泵技术为住宅提供空调制冷和供暖;
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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;
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在原有屋顶适度增设PVT组件,尽量扩大PVT组件的安装规模;
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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;
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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;
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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。
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