有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨.pdf
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1、110No.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)Renewable EnergyJournalof BEE2023年第7 期(总第51卷第3 8 9 期)可再生能源利用建筑节能(中英文)doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.019有限屋面面积条件下太阳能利用方式探讨杨玉鹏,俞志强(龙源(北京)太阳能技术有限公司,北京100034)摘要:充分利用太阳能资源是我国法律、政策、规范多方面的要求。随着我国能源转型与能源革命的推进、国家能源形势的变化、“双碳”目标的分解落实,在城市内充分挖掘可再生资源是有效可行的城市降碳技术路线。然而在城市里,
2、可利用太阳能的场地空间十分有限。如何最大化利用有限的建筑屋面资源,如何取舍太阳能热水系统、光伏发电系统,是建筑规划设计阶段需要认真考虑的问题。对太阳能热水系统、电辅助加热系统、空气源热泵热水系统、光伏发电系统组合分析。考虑太阳能资源、气温等因素逐日计算各系统运行效果,综合对比不同组合方案定性定量指标。发现光伏发电+空气源热泵热水系统多方面指标均优于太阳能热水系统+常规辅助系统。因此,建议在规划设计太阳热水系统时应先充分论证建设光伏发电系统必要性。关键词:有限屋面;大太阳能;光伏发电;大太阳能热水;空气源热泵;优选中图分类号:TU822文献标志码:A文章编号:22096-9422(2023)07
3、-0110-04Solar Energy Utilization Under the Limited Roof AreaYANG Yupeng,YU Zhiqiang(LongYuan(Beijing)SSolar Engineering Technology Co.,LTD,Beijing 100034,China)Abstract:Making full use of solar energy resource is the requirement of Chinas laws,policies anddesign codes.With the energy revolution push
4、ing forward,the national energy situations changing,andthe targets of peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality decomposing and implementing,theefficient and viable technology route to reduce carbon dioxide emissions in urban area is to fully tap intothe renewable resources.Nevertheless,th
5、e space for solar energy in urban area is quite limited.In theprocess of architectural planning and design stage,it is worth of thinking seriously about the questions howto make maximum use of the limited roof area,and how to make a choice between Solar Water HeatingSystem and Photovoltaic Power Gen
6、eration System.With the consider of the indicators(such as solarresource,temperatures,etc.),three plans of combinations with Solar Water Heating System,ElectricalAuxiliary Heating System,Air Source Heat Pump Hot Water System and Photovoltaic Power GenerationSystem,are calculated and analyzed time by
7、 time,and it is found that the plan-Photovoltaic PowerGeneration System+Air Source Heat Pump Hot Water System,is better than the others.Consequently,itis recommended to fully demonstrate the necessity of building a Photovoltaic Generation System whenplanning and designing the Solar Hot Water System.
8、Keywords:limited roof area;photovoltaic power generation;solar hot water;air source heat pump;preferred0引言充分利用太阳能资源早已是我国法律、标准、政策、各类规划强调的基本用能原则。与此同时,太收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 9;修回日期:2 0 2 3-0 7-19阳能利用产品行业也在政策和市场的推动下不断发展壮大,在技术、规模、综合实力等多个维度引领世界,并在国内实现大规模应用 2.3 1北方城市冬季清洁供暖、雾霾治理、散煤治理等111杨玉鹏,等:有限屋面面积条件下太阳能利用方式探
9、讨政策的有效实施,加速了低温型空气热泵产品的研发生产。目前空气源热泵厂家大都可提供2 0 运行的低温型空气源热泵产品 4-6 ,且满足国家能效标准。在寒冷、严寒地区投产运行空气源热泵供热项目众多。前人已经对太阳能热水系统 7.8 、太阳能热水结合空气源热泵系统 19-1、空气源热泵热水系统 12.13 进行了较多的研究,但从太阳能最大化利用角度分析建筑光伏发电与太阳能热水系统比较方面研究较少 14 然而随着太阳能产品、热泵产品的性能提高及价格降低,在具体建筑应用场景下,原有“常规”方案思路就需要根据新情况进行调整。就太阳能热水系统来说,城市中满足可再生资源开发条件的物理空间十分匮乏,利用有限的
10、建筑屋面建设太阳能热水系统还是光伏发电系统是一个值得探讨的问题。本文基于北京地区某太阳能集中热水项目典型场景,分析在相同屋面面积及相同安装倾角条件下,“光伏发电+空气源热泵热水”技术方案与“太阳能热水+辅助电加热(或辅助空气源热泵)”技术方案优缺点。通过详细分析典型年3 个方案的逐时产热、产电、耗电情况,对比各方案年度产出、净耗电、投资、使用寿命、维护便利性等指标,最终推荐出在有限屋面资源条件下更适宜的太阳能利用方案1典型项目概况本项目位于北京市大兴区,建筑为一栋3 层钢筋混泥土框架结构备勤楼,总建筑面积3 4 8 9 m,总高度11.95m。建筑每层设3 2 间备勤间,每间设2 个床位,并配
11、套独立卫浴间。建筑空调冷热源为一套空气源热泵系统,空调末端采用风机盘管加新风系统。建筑生活热水系统采用太阳能热水+电辅助加热系统,太阳能系统设计保证率4 5%,设计总集热面积160m。本项目建筑电源引自附近变配电室,其中消防、排烟、照明、插座、风机盘管总用电负荷155kW,太阳能热水、热风幕等其他负荷13 1kW,以上电负荷均不含空气源热泵机组负荷。本项目为宿舍性质备勤楼,3 层总计19 2 个床位。根据建筑给水排水设计标准15 生活热水章节,按照平均每人日用热水50 L,2 4 h 供应,冷水年平均计算温度12 等参数计算。本项目平均每日热水用量为9.6吨,日热水耗热量为18 9.7 万kJ
12、/d(52 6.8 k Wh/d)。本文具体算法及参数均按照规范执行,详细过程参见规范章节,不在此赘述。本项目太阳能集热系统布置占用屋面面积230m。安装太阳能集热器58 18 50 型2 1块,单块集热面积7.3 m,总集热面积153.3 m。2 1块集热器分3 行7 列排列,采用镀锌钢固定支架,支架倾角30。集热系统配套10 t蓄热水箱1个、6 0 kW电辅助热水加热器1台、9 kW电伴热系统1套等。目前太阳能热水系统运行可满足全楼热水需求。2气候及太阳能资源北京气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短。北京年平均气温12.3,年极端最低气温-18.3。
13、1月份最冷,月平均气温为3.8。冬季空气调节室外计算温度-9.9 16 北京年平均日照时数在2 0 0 0 2 8 0 0 h之间,冬季是日照时数最少季节,月日照一般仅17 0 19 0 h。北京地区水平面太阳辐射量全年为13 50 kWh/(ma),属于我国太阳能资源丰富区根据Meteonorm7.2气象数据库,北京地区3 0 倾角斜面全年太阳能全辐射资源为158 1kWh/(m a),平均每天日全辐射资源为4.3 3 kWh/(m d)。全年每日单位面积辐射量分布情况见图1。8.0)M日7.06.05.04.03.02.01.00.01月1日2 月2 0 日4 月10 日5月3 0 日7
14、月19 日9 月7 日10 月2 7 日12 月16 日日期图1全年每日全辐射量分布Fig.1 Annual distribution of the daily total solar radiation3多方案比较分析3.1太阳能热水系统由于太阳能的波动性,设计太阳能热水系统提供部分生活热水是经济合理的。本项目太阳能热水系统设计保障率为4 5%,即按照年均日辐照条件下,其余55%热量还需电加热等辅助系统提供。按照本项目实际153.3 m总集热面积,根据民用建筑太阳能热水系统应用技术标准5.4 章节推荐计算方法及参数 17 ,计算每日太阳能集热量、电加热加热量及耗电量。主要参数取值:太阳能集热
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