上海办公室装 PVT，全年发电又产热，冬天夏天够用吗？实测数据来了

现在大家都在推可再生能源，光伏板早就不是新鲜东西了，很多建筑屋顶都装了。但光伏板有个问题，它受太阳辐射影响特别大，太阳强的时候发电多，太阳弱的时候就不行，建筑用电用热的稳定性就没保障。

我最近关注到上海一栋办公楼的阴面房间，专门研究了用 PVT 系统供能的情况。PVT 你们可能没听过，其实就是在光伏发电的基础上，再把光伏板产生的热量利用起来，又发电又产热，比单独装光伏板或者光热板实用多了。我用数值计算的方法，算了算这系统一年能发多少电、产多少热，也算了算这房间冬天要多少暖气、夏天要多少冷气，最后看看两者能不能对上。先跟你们说下基础数据。我参考的是上海典型年份的气象数据，那年最高温 36.8℃，最低温 - 4.48℃，一年下来每平方米能接收到的太阳辐射能量，差不多相当于 154 公斤标准煤燃烧放出的热量。季节划分也按常用的来，春天是 3 月 23 日到 5 月 30 日，共 69 天；夏天是 5 月 31 日到 10 月 3 日，共 126 天；秋天是 10 月 4 日到 12 月 5 日，共 63 天；冬天是 1 月 1 日到 3 月 22 日、12 月 6 日到 12 月 31 日，共 107 天。研究的这间办公室在阴面，面积 86㎡，窗户和墙面的比例是 0.37。房间的墙体、窗户这些围护结构，都是按照上海公共建筑节能设计标准来的。比如窗户是镀膜三玻的，传热系数 2.20W/(㎡・℃)；外墙是钢筋混凝土加石膏板再加聚苯乙烯泡沫塑料，传热系数 0.62W/(㎡・℃)。室内温度控制也有讲究，超过 28℃就开空调制冷，降到 26℃保持；低于 16℃就开暖气，升到 18℃保持，而且每小时会和室外通风 2 次。我用 DeST 软件建了模型，把这些参数都输进去，算了算全年每小时的冷热负荷需求。再说说 PVT 系统。这套系统冬天用 PVT 产的热水给房间供暖，同时用 PVT 发的电驱动空调辅助制热；夏天就用 PVT 发的电驱动空调制冷。空调的制冷能效比是 2.7，制热能效比是 2.55。PVT 组件是平板型的，面积和房间一样，也是 86㎡，由玻璃盖板、光伏组件、背板、流体通道和保温板组成。太阳光照到玻璃盖板，一部分透过去到光伏组件，光伏组件把光能转成电能，剩下的热量要么散到空气里，要么通过背板传到流体通道的水里，保温板还能减少热量损失。

我给 PVT 组件的各个部分都建了能量平衡方程，还设定了一些参数。比如光伏组件在 20℃时的光电转化效率是 0.12，温度每升高 1℃，效率就下降 0.0045；水的质量流量是 0.1kg/s，春冬季和夏秋季的入口水温也不一样。之后用自编程序迭代计算，得出各个部分的温度、光电转化效率、流道出口水温这些数据，再根据这些数据算 PVT 的发电量和产热量。先看房间的冷热需求和 PVT 的热电产量。从全年来看，房间的热需求比冷需求大很多。热需求主要集中在秋末到初春，春天刚开始的时候有少量热需求，整个春天只有 4 天热需求超过 40kWh；夏天阴面房间的冷需求不大，差不多一半时间冷需求是 0，有冷需求的时候平均每天 54.50kWh；秋天的热需求比春天多，主要在秋末的 23 天；冬天热需求最大，入冬后每天热需求从 70kWh 往上增，12 月 22 日达到最大，一天 149kWh，之后降到 80kWh 左右，1 月中旬又升高，到 2 月下旬都保持在 110kWh 以上，冬天平均每天热需求 94.60kWh。PVT 的热电产量有明显的季节波动。夏天的产热量比其他季节都高，不过因为入口水温设定的问题，春天的产热量可能比实际运行时高，秋天的可能低。发电量也是春夏季比秋冬季多。具体数值上，房间全年最大热负荷 26.12kW，最大冷负荷 12.76kW，全年累计热需求 11538.81kWh，累计冷需求 3217.44kWh，采暖季热负荷指标 45.30W/㎡，空调季冷负荷指标 12.28W/㎡。而 PVT 全年最大发电功率 7.54kW，最大产热功率 66.52kW，全年累计发电量 7838.88kWh，累计产热量 78079.20kWh。再看两者的匹配情况。从全年尺度看，86㎡的 PVT 组件，全年产热量是相同面积房间热需求的 6.76 倍，发电量是冷需求的 2.43 倍，明显供大于求。但太阳能不稳定，只看全年数据不够，得看更小的时间尺度。分季节来看，春天房间热需求 478.26kWh，冷需求 0，PVT 发电量 1901.93kWh，产热量 26712.03kWh，电供能率（能满足需求的倍数）10.14，热供能率 55.85；夏天房间冷需求 3217.40kWh，热需求 0，PVT 发电量 3164.13kWh，产热量 35928.86kWh，电供能率 2.66；秋天房间热需求 936.9kWh，冷需求 0，PVT 发电量 1055.30kWh，产热量 5465.39kWh，电供能率 2.87，热供能率 5.83；冬天房间热需求 10123.64kWh，冷需求 0，PVT 发电量 1717.52kWh，产热量 9972.93kWh，电供能率 0.43，热供能率 0.99。整体来看，就算冬天供能率比其他季节低，PVT 热电联合供能也能满足房间需求。再看逐日尺度。冬天大部分天数 PVT 产热量能满足或超过热需求，但有 39 天满足不了，占冬天总天数的 36%，其中 25 天供能率还不到 0.5，占 23%。而且房间热需求和 PVT 产热量还成反比，天气好的时候 PVT 产热多，房间热需求反而小；热需求高的时候，PVT 产热又少了。冬天最冷的那天，PVT 产热只在 10 点到 15 点，发电时间虽然长点，但量也不多，单独靠热能或电能都满足不了需求，全天只有 3 个小时能满足瞬时负荷，供能率 0.61。夏天情况好一些，大部分时间 PVT 发电量能满足制冷需求，只有 13 天明显不够，占制冷需求天数的 22%。夏天冷需求最大的那天，PVT 供能率 0.56，还差 41.38kWh 的冷量。那天早上 6 点 PVT 就开始发电了，9 点开空调前能攒下约 6kWh 的冷量，但刚开空调时冷负荷 12.80kW，PVT 只能提供 3kW 的制冷功率，还不到四分之一。之后四个小时供能率还不错，分别是 0.87、1.03、0.49、1.08，再往后就慢慢下降，到 19 点就没法提供冷量了。不过夏天平均气温最高的那天，PVT 供能就比较充足，制冷量超过冷需求，能满足需求的时间有 6 小时，超过了当天制冷总时间的一半。春天和秋天属于过渡季，房间热需求小，只有 1 到 2 天 PVT 供能小于需求。典型日里，供能总量是够的，但刚开始供暖的时候满足不了，之后就能超过负荷需求。春天典型日能持续供能 8 小时，秋天典型日能持续供能 6 小时。

从这些数据能得出几个结论。第一，这间阴面办公室的热需求不管是持续时间还是数值，都比冷需求大很多，全年热负荷是冷负荷的 3.6 倍。第二，PVT 组件的供能有明显季节波动，春夏季产量比秋冬季高，发电量大概是产热量的十分之一。第三，全年来看 PVT 供能远大于房间需求，但按天算的话，冬天有 36% 的天数满足不了供暖，夏天有 22% 的天数满足不了制冷。不过这次研究用的参数都来自数据库，比较理想。接下来还得考虑实际情况，比如建筑内部的热量干扰，再优化一下 PVT 热电产量的预测模型，加上储能装置。有了储能装置，不仅能存下空调开之前没用到的电，还能把多余的电和热存起来，晚上或者阴天的时候用，这样 PVT 系统和房间负荷的匹配效果应该会更好。