多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)仿真研究

田野 劉濤 馬永志 張晨晨

摘要：? 為解決可再生能源存在的利用率低等問題，本文結合太陽能熱利用技術、太陽能光伏技術、燃料電池系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等一系列技術，設計了一套多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)。通過計算建筑負荷，在Trnsys仿真平臺中建立仿真模型，對系統(tǒng)各部件進出口溫度等進行相關分析。同時，為了對比分析系統(tǒng)的性能，在Simulation Studio中，通過連接各個功能不同的模塊，建立了單一PV/T系統(tǒng)仿真模型。仿真結果表明，單一PV/T系統(tǒng)的全年平均光電效率為0.082 5，全年發(fā)電量約為1 745 kW·h;帶有冷卻循環(huán)多源系統(tǒng)中的PV/T集熱器，其全年平均光電效率為0.123 8，比單一系統(tǒng)提高了50.06%，發(fā)電量為2 560 kW·h，提高了815 kW·h。說明帶有冷卻循環(huán)的多源系統(tǒng)，比單一PV/T系統(tǒng)在發(fā)電量及光電效率等方面均有顯著提升。該研究可提高再生能源的利用率。

關鍵詞：? Trnsys; 太陽能; 燃料電池; 地源熱泵; 熱電聯(lián)產

中圖分類號： TM61文獻標識碼： A

通信作者：? 馬永志（1972-），男，漢族，山東濰坊人，博士，副教授，主要研究方向為節(jié)能環(huán)保技術。 Email： hiking@126.com

太陽能是人類使用能源的重要組成部分，但是單純的利用太陽能效率較低，因此將太陽能技術與地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點進行有效結合，可以提高太陽能的利用率，滿足用戶對電能和熱能的需求。目前，燃料電池技術是最有發(fā)展前景的發(fā)電技術，為了提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，溫術來[1]引入燃料電池技術為系統(tǒng)進行電量供給。為了提高可再生能源的利用率，國內外許多專家學者在這方面進行了相關研究，提出了許多改進措施。E. B. Penrod等人[2]研究了太陽能與地源熱泵之間的內在聯(lián)系，率先提出了將太陽能技術與地源熱泵技術結合的觀點;周剛[3]提出了太陽能補償式地源熱泵系統(tǒng)，并進行了相關實驗;王恩宇等人[4]為提高太陽能利用率，提出了雙地埋管群利用方式;王丹等人[5]對采用閉式垂直U型地埋管換熱器的太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)運行性能進行模擬，并對地源熱泵系統(tǒng)制冷及供熱方面進行了分析;張濤等人[6]結合太陽能技術與燃料電池技術，構建了太陽能耦合質子交換膜燃料電池的聯(lián)供系統(tǒng)，對余熱回收的參數(shù)進行相關模擬。基于此，本文將太陽能技術、地源熱泵技術和燃料電池系統(tǒng)相結合，通過Trnsys仿真平臺中的工具箱，建立了整個多源系統(tǒng)仿真模型，并且對系統(tǒng)的發(fā)電量、發(fā)電功率等方面進行研究。仿真結果表明，系統(tǒng)整體發(fā)電與供熱效果較好，且燃料電池的加入，保證了整個多源系統(tǒng)的電量供應，使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。該研究對節(jié)約能源具有重要意義。

1熱電聯(lián)產系統(tǒng)的構建

1.1系統(tǒng)的組建

本文設計的多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)主要由三部分構成，分別是光伏光熱集熱系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)，太陽能-地源熱泵系統(tǒng)結構如圖1所示，其中，光伏光熱集熱系統(tǒng)采用PV/T集熱器[7]，燃料電池系統(tǒng)選用甲醇溶液，不僅對環(huán)境友好，還能保證電量供應的穩(wěn)定性[8]。

1.2系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)的控制方式有兩種：一是當處于供暖季時，如果負荷率大于10%，此時負荷側水泵開始啟動，熱泵機組工作;二是當PV/T集熱板進出口溫差大于5 ℃時，則地源側水泵開始啟動，地埋管換熱器工作[9]。

在冬季和夏季不同的工況下，系統(tǒng)的運行模式有所不同。夏季時，PV/T集熱器吸收了大量來自太陽輻射的能量，為了保證集熱板正常工作，必須向外界散發(fā)一定的熱量，經過地埋管換熱器對土壤進行補熱，既保證了土壤的溫度，也提高了熱泵機組運行的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)能夠長期有效運行;冬季時，地源熱泵運行，通過PV/T集熱器的作用，吸收來自太陽的輻射，一部分能量可為系統(tǒng)提供一定的電量，另一部分能量轉化為熱能儲存在蓄水箱中[10]，提升了熱泵機組蒸發(fā)器入水溫度，這樣可以大大提高熱泵機組的能效比[11]。

2仿真模型搭建

2.1建筑模型參數(shù)

本文以天津地區(qū)某獨立住宅為研究對象，建筑總面積為150 m2，其中供熱面積138 m2。夏季室內溫度為25 ℃，相對濕度為58%，冬季室內溫度20 ℃，相對濕度為42%。建筑負荷計算模型如圖2所示。

通過查閱相關氣象資料，計算得全年負荷，全年負荷隨模擬時間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在研究期間，最大瞬時熱負荷為10.30 kW，而供暖季平均熱負荷為5.39 kW。

2.2系統(tǒng)仿真模型

模擬軟件采用Trnsys仿真平臺，在Simulation Studio中通過連接各個功能不同的模塊搭建仿真模型。構建多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)采用的主要模塊包括：PV/T集熱器（Type50b）、地埋管換熱器（Type557a）、熱泵機組（Type225）、控制器（Type2b）、積分計算（Type24）、圖形輸出部件（Type65a）等[12]。

系統(tǒng)模型主要由PV/T集熱器、燃料電池、熱泵機組、地埋管換熱器、閥門、控制器、顯示器等組成[13-15]。多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)仿真模型如圖4所示[16]。

3仿真結果分析

對上述多源系統(tǒng)進行一年的仿真，步長設置為1 h，主要在負荷側供水和回水溫度、地埋管進出口溫度等方面進行仿真計算[17]，系統(tǒng)各部件溫度輸出如圖5所示。對系統(tǒng)全年發(fā)電量及發(fā)電功率進行了仿真計算[18]，系統(tǒng)全年發(fā)電量和發(fā)電功率分布如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，光伏光熱集熱器收集的熱量能提高蒸發(fā)器入口溫度，有利于提高熱泵機組COP。同時，在集熱過程中，降低了光伏板組件溫度，提高了發(fā)電性能，降低了機組的運行費用。土壤溫度波動較低，系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定，提高了對可再生能源的利用率。

為了對比分析多源系統(tǒng)的性能，添加一個無集熱循環(huán)的單一PV/T系統(tǒng)進行對比[19]，單一PV/T系統(tǒng)模型如圖7所示。經過模擬，得到單一PV/T系統(tǒng)輸出如圖8所示[20]。比較圖8和圖6可以看出，單一PV/T系統(tǒng)的全年平均光電效率為0.082 5，全年發(fā)電量約為1 745 kW·h。帶有冷卻循環(huán)多源系統(tǒng)中的PV/T集熱器的全年平均光電效率為0.123 8，比單一系統(tǒng)提高50.06%，發(fā)電量為2 560 kW·h，提高了815 kW·h。這是因為單一PV/T系統(tǒng)沒有冷卻循環(huán)裝置[21]，光伏組件在運行過程中冷卻效果較差，溫度提高過快，超出了標準工作溫度，降低了系統(tǒng)的光電效率，此外，由于光伏組件長期在高溫環(huán)境下運行，會降低光伏電池使用壽命。

多源系統(tǒng)中的冷卻循環(huán)能夠使系統(tǒng)部件溫度得到顯著降低，使系統(tǒng)處于適當?shù)墓ぷ鳒囟戎?，提高系統(tǒng)的光電效率。在非供暖季運行工況下，PV/T系統(tǒng)可以通過水泵循環(huán)將大部分的熱量輸送到地下土壤層中;在供暖季運行工況下，PV/T系統(tǒng)的熱量可用來增加蒸發(fā)器入口溫度，有效提升熱泵機組COP。在此兩種工況下，熱量都可以得到有效利用，增加了光伏電池的使用壽命，提高了光電效率和發(fā)電量。

4結束語

本文將地源熱泵技術、燃料電池、太陽能技術結合在一起，開發(fā)出多源熱電聯(lián)產系統(tǒng)，提高了對可再生能源的利用效果，同時也能夠保證用戶對熱能和電能方面的需求。利用Trnsys仿真平臺進行建模仿真。仿真結果表明，系統(tǒng)充分利用了太陽能、地熱能等可再生能源，能源利用率較高，對環(huán)境的污染較小，而且系統(tǒng)整體的發(fā)電與供熱效果較好。同時，燃料電池的加入，保證了整個多源系統(tǒng)的電量供應，使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。通過對比多源系統(tǒng)與不帶冷卻循環(huán)的單一PV/T系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多源系統(tǒng)的全年發(fā)電量及光電轉化效率均有大幅度提高。該研究可以提升設備的使用壽命。

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Abstract：?? In order to solve the problem of low utilization rate of renewable energy， this paper designs a set of multi-source cogeneration system based on solar thermal utilization technology， solar photovoltaic technology， fuel cell system， ground source heat pump system and so on. By calculating the building load， the simulation model is established in the Trnsys simulation platform， and the correlation analysis of the inlet and outlet temperature of the system components is carried out. At the same time， in order to compare and analyze the performance of the system， through connecting various modules with different functions in simulation studio， a single PV/T system simulation model is established. The simulation results show that the annual average photoelectric efficiency of a single PV/T system is 0.082 5， and the annual power generation is about 1 745 kW·h; the annual average photoelectric efficiency of PV/T collector with cooling cycle multi-source system is 0.123 8， which is 50.06% higher than that of single system， and the power generation is 2 560 kW·h， which is 815 kW·h higher than that of single system. The results show that the multi-source system with cooling cycle can significantly improve the power generation and photoelectric efficiency compared with the single PV/T system. The research can improve the utilization rate of renewable energy.

Key words： Trnsys; solar energy; fuel cell; ground source heat pump; cogeneration