基于PV/T的集装箱临时办公建筑离网式供热系统研究

作     者：赵国云 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘芳

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：PV/T组件 集装箱临时办公建筑 离网式供热系统 TRNSYS模拟 

摘      要：在“双碳战略目标的驱动下,面对当今疫情和工业化生产对集装箱等临时建筑的客观需求,采用清洁能源对可持续性建筑进行低碳供热成为一个热点研究课题。由于太阳能清洁无害,与建筑结合有其独特的优势,近年来其利用技术也在不断地更新和突破。光伏光热一体化组件(PV/T)由于其综合性能效率高于太阳能光电技术和光热技术的单独使用,其应用性研究成为了一个重点的研究热点。基于此研究背景,本文将PV/T敷设于集装箱建筑屋面,其产热直接供建筑用能,产电驱动空气源热泵为建筑供能,储热水箱及蓄电池作为储能装置,为集装箱搭建一个PV/T耦合空气源热泵供热系统并分析其离网的可能性。本文基于对不同类型的PV/T形式进行调研,确定采用市场上现有的平板型水冷式PV/T组件为建筑供能,并对其性能进行仿真模拟及实验验证。以现有集装箱临时办公建筑作为研究对象,联合蓄热水箱及蓄电池等储能装置,设计搭建PV/T耦合空气源热泵离网式供热系统。采用De ST动态能耗模拟软件和TRNSYS系统仿真软件模拟建筑能耗及供热系统运行控制策略,对供热系统的运行性能及能耗进行分析。采用Hooke-Jeeves算法,在允许全年5天不满足用热需求的约束条件下,以费用年值为目标函数对系统控制运行参数进行优化。最后以现有集装箱为原始建筑,按照不同节能标准进行围护结构改造,研究当该供热系统用于此类集装箱建筑时,最经济的建筑形式,并对不同建筑形式下供热系统的节能减排进行评价。通过本文的实验和模拟研究,得出以下结论:(1)通过对PV/T的性能影响因素进行研究,发现PV/T的集热效率整体偏低,发电效率较高。进水温度为40℃时,最大太阳能集热效率为6.8%,此时发电效率最低,为18.1%。PV/T最佳进水流量在30-50kg/h,超过50kg/h后,集热和发电效率变化不明显。通过对PV/T性能参数的实验和模拟结果进行对比分析,显示其误差范围均在10%之内。(2)以现有集装箱为研究对象,搭建PV/T耦合空气源热泵离网式供热系统。采用De ST动态能耗模拟软件及TRNSYS系统仿真软件对建筑能耗及系统性能进行模拟分析。能耗模拟结果显示标准集装箱建筑能耗为指标为96.69 k W?h/m,采暖季累积热负荷为1750.21 k W?h,生活用热水设计小时耗热量为252.71 k J/h。系统性能模拟结果显示,采暖季最大瞬时集热效率为23.2%,发电效率最高为19.01%,最大综合性能效率为73.23%。通过对采暖季性能评价指标进行统计,发现采暖季PV/T集热保证率只能达到13.74%,主要依靠PV/T发电驱动空气源热泵运行。整个采暖季系统不满足率为4.62%,即不满足小时数为134.2 h。(3)以不满足率为目标函数,采用Genopt优化程序对供热系统控制运行参数进行了优化分析,优化后结果显示整个采暖季热泵的性能系数COP值从2.483增加到了2.82,提升了13.6%。系统不满足小时数为46 h,在允许的不满足工况时间范围内。(4)以不同节能标准围护结构传热系数为参考,对集装箱围护结构进行了节能改造,并对其供能系统最佳容量配置进行了研究,结果表明,使用该系统对该类集装箱建筑进行供能时,采用高性能建筑材料改造围护结构并不能提升总体成本的经济性,主要由于高性能建筑材料价格相对较高且PV/T集热效率较低。原始集装箱建筑供热系统节约标准煤为633.989 kg,CO减排量为1565.93 kg。