西藏高原阿里、日喀则等地区地域辽阔、住区分散,部分乡镇、军队哨所位置偏远且相对孤立,完善的市政电网无法覆盖.在上述地区发展离网型分布式光伏尤为关键.基于上述情况,本文对西藏高原某孤立地区居住建筑采用三种离网型“光伏+”供暖系统进行了性能对比分析:系统一:光伏+空气源热泵+蓄电供热系统,系统二:光伏+空气源热泵+蓄热供热系统,系统三:光伏+电采暖设备+蓄电池供热系统.

系统一:太阳能光伏+空气源热泵+蓄电综合能源供热技术方案原理图如图1所示.系统由太阳能光伏发电系统以及热源系统构成.太阳能光伏系统主要由太阳能光伏发电场、逆变稳压器以及蓄电池构成.热源系统为空气源热泵.根据藏区建筑室内温度要求及供暖负荷特征确定空气源热泵的供水温度,再通过热泵将热水加热到指定温度后供给热用户.针对该离网光伏供热系统,在连续阴雨天或极端天气下光伏系统供能不足时,可考虑与当地实际相符的柴油发电等形式满足短缺电负荷.

图1 光伏+空气源热泵+蓄电供暖系统原理图
Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic + air source heat pump + storage heating system

系统二:太阳能光伏+空气源热泵+储热综合能源供热技术方案原理如图2所示.该系统由太阳能光伏发电系统,空气源热泵以及蓄热水箱构成.太阳能光伏发电系统为空气源热泵提供驱动电力.空气源热泵将水加热后,储存到蓄热水箱中,根据藏区建筑室内温度要求及供暖负荷特征确定水箱供水温度,然后供给热用户采暖.

图2 光伏+空气源热泵+储热供暖系统原理图
Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic + air source heat pump + heat storage heating system

系统三:太阳能光伏+建筑电采暖设备综合能源供热技术方案原理如图3所示.系统由太阳能光伏发电场,逆变稳压器以及蓄电池构成.用户末端采用电热膜或电加热器采暖,实现了从光伏系统产生的电能直接向室内散热的转化过程.

图3 太阳能光伏+建筑电采暖设备供暖系统原理图
Fig.3 Schematic diagram of heating system of solar photovoltaic + building electric heating equipment

使用TRNSYS 18建立上述三种综合能源供热技术方案模型,主要部件包括太阳能光伏组件、逆变器组件、蓄电池组件、空气源热泵/锅炉组件、蓄热水箱组件,不同组件的数学模型如下.

西藏高原阿里、日喀则等地区部分城镇偏远,无完善的市政电力体系.基于此,选择西藏自治区日喀则市某孤立型两层居住建筑为分析对象,总建筑面积为468 m².该建筑平面布局及尺寸如图4所示,建筑围护结构热工参数见表1.

图4 建筑平面图
Fig.4 Building floor plan diagram

表1 建筑围护结构热工参数
Tab.1 Thermal parameters of building envelope

日喀则市供暖日期为10月22日至3月30日.根据西藏地区建筑室内采暖温度设定要求,建筑采暖室内设计温度为18 ℃,建筑日总负荷如图5所示.

图5 采暖期建筑日总负荷变化规律
Fig.5 Diagram of the change rule of the total daily load of the building during the heating period

从图5可以看出,在供暖期内,建筑最大日总负荷达到240.3 kW·h,最小值为14.3 kW·h,平均为101.3 kW·h.

当光伏场面积变化时,光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图6所示.此处充分考虑了蓄电池的蓄电量,即当光伏发电量大于设备用电量时,多余的电力资源全部储存在蓄电池中.从图6可以看出,随着光伏场面积的增大,光伏向系统的供电量逐渐增加,而系统对其他电力资源的需求量逐渐降低.当光伏场面积达到70 m²时,通过光伏的发电量,空气源热泵可完全满足建筑热负荷,此时太阳能保证率为100%.

图6 太阳能保证率随光伏场面积变化图(系统一)
Fig.6 The solar fraction changes with the area of the photovoltaic field(System 1)

在上述分析中,充分考虑了蓄电池蓄电量,为了找到较合适的蓄电池容量,对蓄电池容量进行了优化.对于系统一,光伏场面积设定为70 m².随着蓄电池容量的变化,系统1中光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图7所示.从图7中可以看出,当电池容量为0时,即系统中不考虑蓄电池,光伏向系统中的供电量为2 153 kW·h,而其他电力资源的需求量为6 196 kW·h,太阳能保证率为61.54%.随着电池容量的增加,太阳能保证率逐渐升高,当电池容量为100 kW·h时,太阳能保证率达到91.78%.此后,当电池容量再增加时,太阳能保证率变化缓慢,若使太阳能保证率达到100%,蓄电池容量需达到1 600 kW·h,以应对连续的极端天气,此时经济成本增加明显.因此,可采用蓄电池容量为80～100 kW·h.

图7 太阳能保证率随电池容量变化图(系统一)
Fig.7 The solar fraction changes with the battery capacity(System 1)

从前文模拟结果可以看出,对于光伏+空气源热泵系统,当光伏场面积达到70 m²时,空气源热泵的产热量可完全满足建筑热负荷.用热水蓄热代替蓄电池蓄电后,对蓄热水箱的容量进行优化,辅助电力资源量以及太阳能保证率变化如图8所示:

图8 供热能力与水箱容积关系(系统二)
Fig.8 The relationship between heating capacity and water tank volume(System 2)

从图8可以看出,对于光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统,当水箱容积为5 m³时,辅助热源的耗电量为1 113 kW·h,太阳能保证率为93.1%.随着水箱容积的进一步增大,太阳能保证率逐渐增大,当水箱容积达到15 m³时,太阳能保证率达到98.6%,再增加水箱容积,太阳能保证率变化较小.

对于系统三,假定电采暖末端的电热转化效率为90%,充分考虑了蓄电池的蓄电量.图9表明了随着光伏场面积增加,光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化.从图9可以看出,随着光伏场面积的增大,系统的供电量逐渐增加,而系统对其他电力资源的需求量逐渐降低.当光伏场面积达到152 m²时,通过光伏的发电量,建筑内电加热末端可完全满足建筑热负荷,此时太阳能保证率为99.1%.

图9 太阳能保证率随光伏场面积变化图(系统三)
Fig.9 The solar fraction changes with the area of the photovoltaic field(System 3)

为了给系统匹配合适的蓄电池容量,对蓄电池容量进行了优化.先设定光伏场面积为152 m².随着蓄电池容量的变化,系统三中光伏、其他电力资源向系统的供电量以及太阳能保证率的变化如图 10所示.

图 10 太阳能保证率随电池容量变化图(系统三)
Fig.10 The solar fraction changes with the battery capacity(System 3)

从图中可以看出,当电池容量为0时,光伏向系统中的供电量为4 384 kW·h,而其他电力资源的需求量为13 517 kW·h,太阳能保证率为16.1%.随着电池容量的增加,太阳能保证率逐渐升高,当电池容量为200 kW·h时,太阳能保证率达到81.30%.此后再增加电池容量时,太阳能保证率变化缓慢.若使太阳能保证率达到100%,蓄电池容量需达到3 200 kW·h.因此,蓄电池容量推荐值为180～200 kW·h.

针对西藏高原地区孤立型建筑,从光伏场面积、蓄能设备容积、太阳能保证率对比了优化后的上述三种离网型“光伏+”综合能源供热技术方案,结果如表2所示:

表2 不同光伏供暖系统方案对比
Tab.2 Comparison of different heating schemes

从表2可以看出,对于蓄电系统,光伏+空气源热泵综合能源供热系统所用光伏场面积小于光伏+建筑电气化设备系统,蓄电池容量更小,太阳能保证率更高.对于光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统,将太阳能以热水形式储存,建议蓄热水箱容积15 m³,太阳能保证率可达98.6%.从经济性上分析,蓄热设备投资远低于蓄电设备,可见对于孤立地区,在本文所述的三种离网型“光伏+”综合能源供热系统中,光伏+空气源热泵+蓄热综合能源供热系统具有更高的经济性与可靠性.