光伏-光热-风冷热泵式供能植物工厂空调系统设计.pdf

第 卷 第 期 年 月 新能源科技 基金项目 国家自然科学基金项目 作者简介 薛金金 女 硕士研究生 研究方向 建筑节能 通信作者 刘向东 男 教授 博士 研究方向 传热传质学 光伏 光热 风冷热泵式供能植物工厂空调系统设计 薛金金 张 龙 吴梁玉 张程宾 刘向东 扬州大学电气与能源动力工程学院 江苏扬州 山东电力工程咨询院有限公司 山东济南 东南大学能源与环境学院 江苏南京 刘向东 年 月生 博士研究生 扬州大学电气与能源动力工程学院教授 博士 生导师 主持了国家自然科学基金 国防专项 江苏省优秀青年基金等多项课题 在国内 外权威刊物上发表了 论文 多篇 出版教材 著作 部 获授权发明专利 余件 入选江苏省高校青蓝工程学术带头人 江苏省 六大人才高峰 高层次人才 江苏省科协 青年科技人才托举工程 兼任中国工程热物理学会传热传质分会青年委员会委员 中国 高等教育学会工程热物理专业委员会理事等职 摘要 针对目前植物工厂供能方式单一 盈利性与可持续性差等问题 文章设计了太阳能光伏 光热 风冷热泵联合供能的植物工厂空调系统 该系统采用风冷热泵为植物工厂提供冷量 太阳能集热为 植物工厂提供热量以及太阳能光伏供部分植物工厂的用电 通过确定植物工厂的冷热负荷 选型制 热量和制冷量分别为 和 的风冷热泵 通过计算集热器的集热面积确定光伏光热一体 化组件的数量 确定了光伏光热一体化组件的发电量及光伏能够提供的植物工厂电耗百分比 最后分 析了配置光伏光热一体化组件的植物工厂投资经济性与碳减排潜力 关键词 植物工厂 空调 节能降耗 光伏光热一体化 中图分类号 文献标志码 引言 植物工厂通过设施内高精度环境控制实现作物 周年连续生产 是一种污染小 空间利用率高 产出品 质高和易推广的农业技术 在 双碳 目标 乡村 振兴和共同富裕等多重政策的驱动下 创新现代设施 农业供能方案 解决目前植物工厂存在的供能方式单 一 传统能源依赖性高 盈利性与可持续性差的问题 实现绿色生态农业和清洁能源互补互促成了现代农 业发展的一个重要途径 我国拥有丰富的太阳能资 源 太阳能光伏供电已经在建筑物空调 照明 电 动汽车 等领域获得了广泛的应用 对建筑物碳排放 的降低 运行能耗的降低以及用电高峰期电网压力 的降低 都具有积极作用 光伏光热一体化技 术 的应用能够进一步提升太阳能的综合利用效 率 光伏光热一体化技术通过在光伏组件背面铺设 流体通道 由流体内冷却工质带走部分热量并加以利 用 能够有效降低光伏组件温度 继而提高光电转换 效率 目前 许多研究者在建筑的光伏光热一体化技术 方面开展了深入的研究 文献 研究了在严寒和 寒冷地区利用光伏光热一体化技术为住宅供热的技 术方案 结果表明光伏光热一体化技术极大地促进了 建筑的节能减排 文献 对光伏光热组件倾角 方 新能源科技 位角等多个关键参数进行了优化设计 结果显示 优 化后的光伏光热组件光电转换率由 增至 减排量提高 发电量提高了 文献 以 个不同气候的典型城市的气 象数据为基础 对比分析了光伏光热一体化 系统和光伏 系统的节能特性 结果表明 系统的综合效率更高 能量偿还时间更短 碳减排量 更高 相比于传统的 系统具有更好的应用前景 文献 对不同太阳辐照度 环境温度条件下 系统的热效率 电效率进行对比分析表明 系统 与常规组件相比 有效降低了光伏组件背板温度 提 高了光伏组件的发电效率 平均效率提升约 同 时 系统的光电光热综合效率达 然而 目前太阳能光伏 光热的应用研究主要集 中于住宅 办公楼等常规建筑物 在封闭 半封闭小 型功能性建筑中的研究罕见报道 尤其是植物工厂 的冷 热负荷特性与常规建筑有较大差异 对其光 伏 光热的供能设计需要进一步的定量研究 因此 本文提出将太阳能光伏光热技术与风冷热泵结合 通过光伏为植物工厂提供电能 通过光热在需要供 暖的季节为植物工厂提供热能 实现可持续节能减 排效果 工程基本资料 工程概况 采用太阳能光伏 光热 风冷热泵式空调系统的 植物工厂位于江苏省扬州市 占地面积 长 宽 高 包含操作区 种植 区和动力设备区 部分 其中 操作区包括环境控制 面板 操作台 种植区包括种植架 种植篮 生菜 植物 生长 灯等 动力设备区包括 控制器 营养 液储存等 如图 所示 围护结构采用 厚聚氨 酯夹芯金属壁板 金属壁板的内外层钢板厚度为 图 植物工厂 气象资料 植物工厂所在地的室外气象参数 如表 所 示 植物工厂由于用途的特殊性 冬 夏季的室内设 计参数相同 本文所研究的植物工厂用途为生菜种 植 其设置温度为 设计湿度为 表 室外气象参数 夏季冬季 空调室外干球温度 采暖计算温度 空调室外湿球温度 空调计算温度 空调日平均温度 冬季平均风速 室外平均风速 相对湿度 空调大气透明度等级 大气压 夏季大气压 新能源科技 植物工厂负荷计算 植物工厂空调冷负荷 本文采用负荷系数法计算夏季空调冷负荷 通过 冷负荷温度与冷负荷系数直接从各种干扰量值求得 各分项逐时冷负荷 各项逐时冷负荷之和的最大值即 为植物工厂的冷负荷 围护结构传热引起的冷负荷 为 式中 为围护结构传热系数 取 为围护结构表面积 为围护结构冷负荷温 度的逐时值 为逐时冷负荷温度的地点修正值 扬 州地区为 为植物工厂内设计温度 取 人体散热形成的冷负荷 取植物工厂栽 培区 人 进入房间时刻 进入后小时数为 照明散热形成的冷负荷 供植物生长的 灯具每平方米功率 其中 以热量或辐 射形式散失到室内 新风冷负荷 新风量应取下列 项的最 大值 补偿室内排风量和保持室内正压值所需新风量 之和 保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不 小于 植物工厂空调冷负荷 汇总如 表 所示 表 植物工厂空调冷负荷 时间冷负荷 时间冷负荷 时间冷负荷 时间冷负荷 计算得植物工厂总冷负荷 为 冷负荷 指标为 植物工厂空调热负荷 植物工厂空调热负荷 包括围护结构耗热量 以及照明散热量 围护结构基本耗热量 附加耗热量 照明散热量 植物灯具每平方米功率 其中 以热量或辐射形式散失到室内 植物工厂空调总热负荷 则植物工厂 总热负荷 为 设备选型 风冷热泵机组选型 根据植物工厂的冷热负荷选风冷热泵机组 并考 虑一定的富裕量 取富裕系数 则热泵机组制冷量 为 制热量为 选择厂家为德州科 纳环境科技的 台风冷热泵 型号为 制 冷量 输入功率为 制热量 输 入功率 循环水泵选型 设备阻力包含沿程阻力加局部阻力 风冷热泵阻 力以及空调末端阻力 计算总和 为 循环水泵水流量 式中 为循环水泵流量 为热泵机组 制冷量 为热泵使用侧出水温度 为热泵 使用侧回水温度 使用侧循环水泵流量 为 选择型号 为 扬程 流量 的水泵 台 用 备 功率为 光伏光热一体化设计 太阳辐射量和安装倾角确定 扬州地区水平面年平均太阳辐射量约 峰值日照小时数 从一年四季尽可能均衡发电考虑 则 组件 安装角度取 为宜 这种情况下 组件方阵的 冬季投影面积相差不大 如果太阳辐照量一年四季是 均匀分布的 就可以达到均衡发电的目的 但是扬州 地区冬季太阳辐射量较弱 且阴雨天较多 而夏季太 新能源科技 阳辐射量较强 即使冬夏季实际发电面积相同 发电 量仍相差很大 从全年多发电角度考虑 组件 安装角度取 为宜 此时 冬季 组件方阵 的投影面积较小 夏季投影面积较大 这种牺牲冬季 发电面积 提升夏季发电面积的设计 有利于在太阳 辐射量最大的夏季获得较大的发电量 从而使全年发 电量增加 光热 当前市场采用的太阳能集热器主要有平板集热 器和真空管集热器 平板集热器集热温度一般为 可以承压运行 安全性能较好 能以多 种方式和建筑结合 真空管集热器防冻性好 但是抗 压能力差 本文采用的 集热组件是基于平板 集热器改进的一种新型集热器 组件尺寸为 额定发电效率 额定功率 额定电流 额定电压 光电转换 效率 由于采用短期蓄热直接式换热系统 根 据 太阳能供热采暖工程技术标准 直接系统集热器面积按下式计算 式中 为供暖计算负荷 取 为太阳 能保证率 取 为集热器采光面上 月平均 日太阳辐照量 扬州取 为管 路及储热装置热损失率 取 为基于总面积的 集热器平均集热效率 根据本研究所采用的 组件的热性能 设计 用集热器基于总面积的瞬时效率曲线方程为 式中 为进口归一化温差 为集热器 采光面上总日辐射照度 取 为工质进口温 度 取 为供暖期平均环境温度 取 根据以上公式计算 可得进口归一化温差 集热器集热效率 直接系统集热器面 积 本设计用 组件单块面积为 则需要 组件 块 总面积 满 足热负荷需求 光伏 光伏月发电量 为 式中 为当地水平面月总辐射能 为光伏方阵面积 为光伏组件转换效率 为修 正系数 其中 式中 为光伏组件类型修正系数 取 为 灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正系 数 取 为光伏组件长期运行性能衰降修正系 数 取 为光伏方阵朝向与倾斜角修正系数 为光照利用率系数 取 为光伏发电系统可用 率系数 取 为线路损耗修正系数 取 为逆变器效率修正系数 取 光伏方阵朝向与倾 斜角的修正系数如表 所示 表 光伏方阵朝向与倾斜角的修正系数 组件朝向太阳电池组件 方阵 与地面的倾斜角 东 东南 南 西南 西 采用 块尺寸为 的 组件放置于植物工厂的屋顶时 夏季 月 发电量为 冬季 月 发电量 为 植物工厂的主要组件耗电量如表 所示 可以看到 夏季的光伏发电量能够满足植物 工厂 的电耗 冬季光伏发电量能满足植物工厂 的电耗 表 植物工厂主要组件耗电量 序号名称每小时耗电量 每天运行时间 每天耗电量 夏季耗电量 冬季耗电量 风冷热泵 循环水泵 灯 合计 夏季 冬季 运行系数取 新能源科技 节能减排效果分析 经济性分析 组件的价格按 元 块计 当植物工厂 在其屋顶配置了 块 组件后 年总发电量为 由于 组件提供的热水能够完全 满足植物工厂冬季供暖需求 因此可节省 耗电量 按照风冷热泵以功率 冬季运行 天 每天运行 计算 所产生的冬季供暖费用 而 夏季 组件能够提供植物工厂 的电耗 因 此 每年将节约 按照 元 计 算 即节约 元的电费 能够在 年内收回 投资 减排量 中国 排放指数 为 生产 片尺寸为 的 组件消耗的电能 是 光伏光热减排潜力 按照下式计算 式中 为光伏光热减排潜力 为 组件的年总发电量 为冬季供暖节约电量 为生产 组件消耗的电能 为 中国 排放指数 为寿命周期 年 使用 片尺寸为 的 组件 在其寿命周期 年 内 可以减少 排放量 结语 针对植物工厂供能形式单一 能耗高的问题 本 文对太阳能光伏 光热 风冷热泵供能的植物工厂开 展了研究 提出了光伏 光热联合的供电 供热方式 并计算了这一供能方式的经济性与减排效果 为植物 工厂的供电及取暖提供新途径 结果表明 根据气象数据和植物工厂参数进行计算可 知 植物工厂总冷负荷 为 冷负荷指标为 总热负荷 为 为满足植物工厂的需求 所选用的风冷热泵 制冷量 输入功率为 制热量 输入功率 所选用的 组件数量为 块 总面积 采用 块 组件的植物工厂可节省 的冬季供暖费用 并在夏季提供植物工厂 的电耗 每年将节约 元的电费 可在 年 回收投资 在 寿命周期内能够减少 排放量 参考文献 陈永爱 拉萨地区住宅光伏光热一体化系统 设计与性能研究 天津 天津大学 张梦 郝学军 太阳能光伏光热空气源热泵供 新能源科技 能系统优化模拟 煤气与热力 冯仕霖 蔡靖雍 张涛 光伏 光热与光伏发电 系统的性能及节能对比分析 上海电力大 学学报 周玲 周思思 一种光伏光热 一体化 系统热电性能研究 价值工程 中华人民共和国住房和城乡建设部 民用建 筑供暖通风与空气调节设计规范 北京 中国计划出版社 陆耀庆 实用供热空调设计手册 北京 中国建筑工业出版社 董微 周增产 姚涛 等 集装箱植物工厂变频 空调系统设计与应用 农业工程 陈慧子 石惠娴 裴晓梅 等 太阳能光伏 地 源热泵式供能植物工厂空调系统 建筑节 能 中华人民共和国住房和城乡建设部 国家市场 监督管理总局 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