田野 刘涛 马永志 张晨晨
摘要： 为解决可再生能源存在的利用率低等问题，本文结合太阳能热利用技术、太阳能光伏技术、燃料电池系统、地源热泵系统等一系列技术，设计了一套多源热电联产系统。通过计算建筑负荷，在Trnsys仿真平台中建立仿真模型，对系统各部件进出口温度等进行相关分析。同时，为了对比分析系统的性能，在Simulation Studio中，通过连接各个功能不同的模块，建立了单一PV/T系统仿真模型。仿真结果表明，单一PV/T系统的全年平均光电效率为0.082 5，全年发电量约为1 745 kW·h;带有冷却循环多源系统中的PV/T集热器，其全年平均光电效率为0.123 8，比单一系统提高了50.06%，发电量为2 560 kW·h，提高了815 kW·h。说明带有冷却循环的多源系统，比单一PV/T系统在发电量及光电效率等方面均有显著提升。该研究可提高再生能源的利用率。
关键词： Trnsys; 太阳能; 燃料电池; 地源热泵; 热电联产
中图分类号：
TM61文献标识码：
A
通信作者： 马永志（1972-），男，汉族，山东潍坊人，博士，副教授，主要研究方向为节能环保技术。
Email：
hiking@126.com
太阳能是人类使用能源的重要组成部分，但是单纯的利用太阳能效率较低，因此将太阳能技术与地源热泵系统的优点进行有效结合，可以提高太阳能的利用率，满足用户对电能和热能的需求。目前，燃料电池技术是最有发展前景的发电技术，为了提高系统运行的稳定性，温术来[1]引入燃料电池技术为系统进行电量供给。为了提高可再生能源的利用率，国内外许多专家学者在这方面进行了相关研究，提出了许多改进措施。E. B. Penrod等人[2]研究了太阳能与地源热泵之间的内在联系，率先提出了将太阳能技术与地源热泵技术结合的观点;周刚[3]提出了太阳能补偿式地源热泵系统，并进行了相关实验;王恩宇等人[4]为提高太阳能利用率，提出了双地埋管群利用方式;王丹等人[5]对采用闭式垂直U型地埋管换热器的太阳能-土壤源热泵系统运行性能进行模拟，并对地源热泵系统制冷及供热方面进行了分析;张涛等人[6]结合太阳能技术与燃料电池技术，构建了太阳能耦合质子交换膜燃料电池的联供系统，对余热回收的参数进行相关模拟。基于此，本文将太阳能技术、地源热泵技术和燃料电池系统相结合，通过Trnsys仿真平台中的工具箱，建立了整个多源系统仿真模型，并且对系统的发电量、发电功率等方面进行研究。仿真结果表明，系统整体发电与供热效果较好，且燃料电池的加入，保证了整个多源系统的电量供应，使系统能够长期稳定运行。该研究对节约能源具有重要意义。
1热电联产系统的构建
1.1系统的组建
本文设计的多源热电联产系统主要由三部分构成，分别是光伏光热集热系统、燃料电池系统、地源热泵系统，太阳能-地源热泵系统结构如图1所示，其中，光伏光热集热系统采用PV/T集热器[7]，燃料电池系统选用甲醇溶液，不仅对环境友好，还能保证电量供应的稳定性[8]。
1.2系统的运行
系统的控制方式有两种：一是当处于供暖季时，如果负荷率大于10%，此时负荷侧水泵开始启动，热泵机组工作;二是当PV/T集热板进出口温差大于5 ℃时，则地源侧水泵开始启动，地埋管换热器工作[9]。
在冬季和夏季不同的工况下，系统的运行模式有所不同。夏季时，PV/T集热器吸收了大量来自太阳辐射的能量，为了保证集热板正常工作，必须向外界散发一定的热量，经过地埋管换热器对土壤进行补热，既保证了土壤的温度，也提高了热泵机组运行的稳定性，使系统能够长期有效运行;冬季时，地源热泵运行，通过PV/T集热器的作用，吸收来自太阳的辐射，一部分能量可为系统提供一定的电量，另一部分能量转化为热能储存在蓄水箱中[10]，提升了热泵机组蒸发器入水温度，这样可以大大提高热泵机组的能效比[11]。
2仿真模型搭建
2.1建筑模型参数
本文以天津地区某独立住宅为研究对象，建筑总面积为150 m2，其中供热面积138 m2。夏季室内温度为25 ℃，相对湿度为58%，冬季室内温度20 ℃，相对湿度为42%。建筑负荷计算模型如图2所示。
通过查阅相关气象资料，计算得全年负荷，全年负荷随模拟时间变化曲线如图3所示。由图3可以看出，在研究期间，最大瞬时热负荷为10.30 kW，而供暖季平均热负荷为5.39 kW。
2.2系统仿真模型
模拟软件采用Trnsys仿真平台，在Simulation Studio中通過连接各个功能不同的模块搭建仿真模型。构建多源热电联产系统采用的主要模块包括：PV/T集热器（Type50b）、地埋管换热器（Type557a）、热泵机组（Type225）、控制器（Type2b）、积分计算（Type24）、图形输出部件（Type65a）等[12]。
系统模型主要由PV/T集热器、燃料电池、热泵机组、地埋管换热器、阀门、控制器、显示器等组成[13-15]。多源热电联产系统仿真模型如图4所示[16]。
3仿真结果分析
对上述多源系统进行一年的仿真，步长设置为1 h，主要在负荷侧供水和回水温度、地埋管进出口温度等方面进行仿真计算[17]，系统各部件温度输出如图5所示。对系统全年发电量及发电功率进行了仿真计算[18]，系统全年发电量和发电功率分布如图6所示。由图5和图6可以看出，光伏光热集热器收集的热量能提高蒸发器入口温度，有利于提高热泵机组COP。同时，在集热过程中，降低了光伏板组件温度，提高了发电性能，降低了机组的运行费用。土壤温度波动较低，系统运行十分稳定，提高了对可再生能源的利用率。
为了对比分析多源系统的性能，添加一个无集热循环的单一PV/T系统进行对比[19]，单一PV/T系统模型如图7所示。经过模拟，得到单一PV/T系统输出如图8所示[20]。比较图8和图6可以看出，单一PV/T系统的全年平均光电效率为0.082 5，全年发电量约为1 745 kW·h。带有冷却循环多源系统中的PV/T集热器的全年平均光电效率为0.123 8，比单一系统提高50.06%，发电量为2 560 kW·h，提高了815 kW·h。这是因为单一PV/T系统没有冷却循环装置[21]，光伏组件在运行过程中冷却效果较差，温度提高过快，超出了标准工作温度，降低了系统的光电效率，此外，由于光伏组件长期在高温环境下运行，会降低光伏电池使用寿命。
多源系统中的冷却循环能够使系统部件温度得到显著降低，使系统处于适当的工作温度中，提高系统的光电效率。在非供暖季运行工况下，PV/T系统可以通过水泵循环将大部分的热量输送到地下土壤层中;在供暖季运行工况下，PV/T系统的热量可用来增加蒸发器入口温度，有效提升热泵机组COP。在此两种工况下，热量都可以得到有效利用，增加了光伏电池的使用寿命，提高了光电效率和发电量。
4结束语
本文将地源热泵技术、燃料电池、太阳能技术结合在一起，开发出多源热电联产系统，提高了对可再生能源的利用效果，同时也能够保证用户对热能和电能方面的需求。利用Trnsys仿真平台进行建模仿真。仿真结果表明，系统充分利用了太阳能、地热能等可再生能源，能源利用率较高，对环境的污染较小，而且系统整体的发电与供热效果较好。同时，燃料电池的加入，保证了整个多源系统的电量供应，使系统能够长期稳定运行。通过对比多源系统与不带冷却循环的单一PV/T系统，发现多源系统的全年发电量及光电转化效率均有大幅度提高。该研究可以提升设备的使用寿命。
参考文献：
[1]温术来. 燃料电池的研究现状及进展[J]. 现代化工， 2019， 39（7）：
66-70.
[2]Penrod E B， Prasanna D V. Design of flat-plate collector for solar earth heat pump[J]. Solar Energy， 1962， 6（1）：
9-22.
[3]周刚. 太阳能补偿式土壤源热泵研究[D]. 陕西：
陕西理工大学， 2018.
[4]王恩宇， 沈云祥， 陈宇朴， 等. 太阳能-地源热泵系统双地埋管群利用方式研究[J]. 热科学与技术， 2020， 19（2）：
103-109.
[5]王丹， 陈科. Fluent软件对太阳能-地源热泵系统模拟分析[J]. 价值工程， 2019， 38（26）：
164-165.
[6]张涛， 韩吉田， 于泽庭， 等. 太阳能耦合燃料电池联供系统余热回收的运行参数模拟研究[J]. 农业工程学报， 2019， 35（12）：
239-247.
[7]邱升. 太阳能光伏光热系统集热器流动传热特性及优化[D]. 扬州：
扬州大学， 2018.
[8]马晓丰. 太阳能光伏光热-热泵系统动态模拟及优化研究[D]. 青岛：
青岛理工大学， 2018.
[9]徐子龙， 程鹏月， 任佳艺， 等. 谈太阳能与地源热泵联合供热[J]. 山西建筑， 2019， 45（3）：
180-181.
[10]王政伟， 吕长宁， 蔡佳霖， 等. 光热发电高温固体蓄热系统的优化设计[J]. 节能技术， 2018， 36（4）：
357-360.
[11]刘霖. 南堡地區集中供热系统热源改造及运行优化[D]. 唐山：
华北理工大学， 2018.
[12]宫克勤， 杨子昱， 吕松炎， 等. 基于TRNSYS的地源热泵优化设计仿真模拟分析[J]. 河南科学， 2020， 38（4）：
613-619.
[13]明坤， 高林， 郇庆秋， 等. 基于太阳能和燃气的多能互补系统 热电负荷分配技术研究[J]. 热力发电， 2019， 48（7）：
39-46.
[14]鲍玲玲， 耿杰雯， 朱淑静， 等. 温室用地埋管与空气源热泵系统运行特性研究[J]. 农机化研究， 2020， 42（12）：
258-264.
[15]李少华， 林清龙， 段新胜， 等. 杭州某地埋管地源热泵系统地温场监测与分析[J]. 暖通空调， 2020， 50（8）：
70-74.
[16]徐伟， 刘超， 李锦堂， 等. 济宁文化中心地源热泵系统性能化设计与能效测评[J]. 暖通空调， 2020， 50（8）：
8-15， 99.
[17]张宇航， 孙博， 张小松， 等. 住宅地源热泵系统设计及冬季运行性能分析[J]. 制冷学报， 2020， 41（5）：
89-95， 107.
[18]李骥， 乔镖， 马宁， 等. 某医院大型地源热泵系统的设计优化与运行效果验证[J]. 暖通空调， 2020， 50（8）：
27-34.
[19]曲明璐， 宋小军， 卢明琦， 等. PV/T与热泵一体化系统中蓄热水箱温度分层性能研究[J]. 流体机械， 2020， 48（6）：
66-71.
[20]张昕宇， 殷翀， 张磊， 等. 太阳能光伏光热组件（PV/T）性能评价方法研究[J]. 建筑科学， 2019， 35（12）：
152-156.
[21]陈红兵， 姚华宁， 龚雨桐， 等. 新型平板热管式太阳能PV/T集热系统的 性能研究[J]. 可再生能源， 2019， 37（8）：
1139-1145.
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
