海悟集團(tuán)專注于熱泵技術(shù)的創(chuàng)新和民用清潔能源應(yīng)用的擴展，旨在成為數(shù)字能源和清潔能源領(lǐng)域的佼佼者。在民用供暖市場，隨著降碳意識深入人心，許多客戶開始尋求超越傳統(tǒng)供暖設(shè)備的高效解決方案，從而對供應(yīng)商提出更高的創(chuàng)新要求。本文我們將以北京某高端別墅住戶的項目改造為例，分享一則“PVT耦合熱泵”實現(xiàn)“冷-暖-電-熱水”四聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)的案例。
一、項目基本情況：
該建筑為一棟獨立的2層住宅，坐北朝南，屋頂為多面坡，面積約500㎡。已建成多年，原有設(shè)備、設(shè)施和裝修已經(jīng)老化或失去功能，此次進(jìn)行整體改造、升級，力圖改造后成為一棟具有綠色建筑、被動房理念的低能耗型住宅。
擬定的改造計劃，包括：
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對建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，引入一些被動式太陽房的設(shè)計元素，以改善其自然舒適性和能耗水平；
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采用熱泵技術(shù)為住宅提供空調(diào)制冷和供暖；
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將建筑向南側(cè)和北側(cè)分別擴展，擴大使用面積，擴展部分?jǐn)M采用PVT光伏光熱一體化組件進(jìn)行覆蓋，替代傳統(tǒng)屋頂系統(tǒng)；
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在原有屋頂適度增設(shè)PVT組件，盡量擴大PVT組件的安裝規(guī)模；
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光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行，并最大限度實現(xiàn)就地消納、余電上網(wǎng)；
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探索最優(yōu)的PVT與熱泵的耦合方案，進(jìn)一步提升整個系統(tǒng)的能源利用效率；
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利用熱泵系統(tǒng)保障全年衛(wèi)生熱水需求。
二、針對需求給出初步規(guī)劃
2.1 屋頂PVT系統(tǒng)的布置
建筑南北側(cè)新擴建部分，其屋頂采用兩組PVT組件平鋪。原有屋頂有一處南向坡，依坡度鋪設(shè)4塊PVT組件。原有屋頂有一處小平臺，擬采用支架安裝4塊PVT組件。如下圖a，共計布設(shè)了尺寸2384mm×1303mm，規(guī)格為660Wp的PVT光伏組件40片，合計總裝機約25.74 KW。擬選用1臺光伏并網(wǎng)逆變器(型號GW25KF-DT)，其功率為25KW，擁有2路30A的輸入。
原有住宅建筑屋頂系統(tǒng)為采用深色大波紋瓦覆蓋的多面坡結(jié)構(gòu)，歐式風(fēng)格突出，不宜粗魯?shù)卮蚱啤Ｄ媳眰?cè)外擴部分，為實現(xiàn)發(fā)電、產(chǎn)熱的功能而采用平鋪方式，雖不盡完美，但對整棟住宅的觀瞻影響相對較小，方案在可接受范圍。
原有屋面系統(tǒng)上2處坡度安裝的PVT組件，則過于突兀，對建筑外觀破壞過大；且位于小平臺上的4塊PVT組件采光條件復(fù)雜，在系統(tǒng)中又與南向坡面的4塊PVT組件同處一個組串，相互干擾，影響系統(tǒng)效率。因此，重新考慮將其布置于東向和西向坡屋面上，如下圖b，雖然也對建筑觀瞻有一定負(fù)面影響，但隨著近些年公眾對屋面光伏系統(tǒng)的接受度越來越高，屋面上整齊敷貼布設(shè)的光伏板已經(jīng)成為業(yè)主前衛(wèi)新潮、崇尚環(huán)保的新標(biāo)簽。屋頂小平臺建議恢復(fù)為屋頂花園景觀，提升整個建筑的靈動感。
2.2 PV系統(tǒng)的設(shè)計
原方案擬選用1臺光伏并網(wǎng)逆變器(型號GW25KF-DT)，其功率為25KW，擁有2路30A的輸入。由于屋面結(jié)構(gòu)雜性，造成不同位置的PVT組件受光條件的巨大差異，而這一功率范圍主流的并網(wǎng)逆變器，通常擁有的MPPT輸入路數(shù)較少，不足以滿足這種復(fù)雜性的需要，嚴(yán)重影響了整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。
新的方案將采用光伏組件優(yōu)化器，使得同一組串上，即使光照條件不一致，也能更好地發(fā)揮各電池板的最大發(fā)電效能。共安裝40塊PVT組件，系統(tǒng)示意圖如下：
優(yōu)化器的選型：選擇采用華為公司出品的MERC-1300W-P優(yōu)化器產(chǎn)品。
光伏并網(wǎng)逆變器選型：選用華為SUN2000-25KTL。
2.3 集熱系統(tǒng)的設(shè)計
PVT組件是將光伏電池板與換熱板進(jìn)行結(jié)合而衍生出的產(chǎn)品。其縮寫中的“T”指的是Thermal，也就是指出了其具有集熱的功能部分。通常這部分附加用于收集熱量的部分，還需要兼顧在停機情況下光伏電池板的正常散熱需求，所以不做保溫處理。因此，其只適合工作于與環(huán)境溫度差距不大的工況下。實際應(yīng)用中，幾乎必須與熱泵耦合使用。
從制造工藝上，最常見的換熱板有吹脹型（a）和管板型（b），見下圖：
本項目中，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計方面的眾多因素，綜合研判，更適合選擇采用吹脹式的換熱板體。此類PVT產(chǎn)品，一般原設(shè)計采用氟利昂作為換熱工質(zhì)，把PVT作為蒸發(fā)器使用，具有溫度均勻性好的特點，但價格較高，且由于熱脹冷縮等原因，產(chǎn)品的可靠性需要結(jié)合制造工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，進(jìn)行仔細(xì)甄別。
在工質(zhì)的選擇上，由于本項目中大部分PVT為平鋪，一旦積雪很難清除，且PVT陣列較大、安裝情況復(fù)雜，不利于工質(zhì)以及冷凍油的回流。因此，選擇采用JM-EC-04液冷絕緣熱管理液作為傳熱工質(zhì)，并應(yīng)用在閉式循環(huán)系統(tǒng)中。
循環(huán)系統(tǒng)主管路采用焊接鋼管，規(guī)格為DN32，檢漏后刷2遍富鋅底漆2遍偏氟面漆，采用20mm厚阻燃橡塑保溫體系。所有40塊PVT組件處于并聯(lián)狀態(tài)，分配支管路，采用12mm鋁管，表面噴涂與屋面相融合的顏色涂層，不做保溫處理。主循環(huán)管道按照最短管程設(shè)計，采用40路帶流量顯示的分集水器進(jìn)行流量分配調(diào)節(jié)。主循環(huán)泵為定頻濕轉(zhuǎn)子泵，總流量按2.4m³/h選取，揚程大于8米，具體型號待確定。膨脹罐選用VR24氣囊式膨脹罐。
2.3 熱泵系統(tǒng)設(shè)計選型
本工程為二層建筑，高9.6m，建筑面積為494㎡，采用海悟集團(tuán)自產(chǎn)的熱泵作為冷熱源，進(jìn)行供暖及制冷。
項目地全年氣溫變化特點：
項目地全年各月溫度變化曲線圖：
基于此，需要就可能的系統(tǒng)方案進(jìn)行分析對比。顯而易見，該建筑空調(diào)冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于供暖熱負(fù)荷，而相比冷暖負(fù)荷，衛(wèi)生熱水的負(fù)荷可以忽略不計。
方案一：安裝一臺滿足冷負(fù)荷64.22kW的空氣源熱泵。此方案為典型的冷暖熱水3聯(lián)供系統(tǒng)，常見系統(tǒng)如下圖。空氣源熱泵夏季用于空調(diào)制冷、冬季用于供暖、熱水在供暖季采用熱泵切換加熱、在非采暖季采用電加熱管加熱。如果設(shè)想夏季利用PVT的熱量加熱水箱，鑒于熱水的需熱量過小，系統(tǒng)的復(fù)雜程度不宜過高，不予采納。又由于空氣源熱泵與pvt熱量耦合利用的季節(jié)性矛盾，本項目不適用此方案。
方案二：安裝一臺滿足冷負(fù)荷64.22kW的地源熱泵，PVT從熱源端耦合，構(gòu)成冷暖熱水3聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)如下圖。地源熱泵夏季用于空調(diào)制冷、冬季用于供暖、熱水在供暖季采用熱泵切換加熱、在非采暖季采用電加熱管加熱。則，冬季PVT與換熱井一起向地源熱泵提供較高溫度的低溫?zé)嵩矗卦礋岜脤@得較高的運行COP，起到一定的節(jié)能效果；夏季，系統(tǒng)進(jìn)入空調(diào)制冷模式，熱泵輸出的熱量約80kw、PVT產(chǎn)生的熱量約45kW需要通過地源井回灌，則需要約24口井方能滿足消納需求，這從場地、造價以及熱量消納等多維度看顯然是不可能的，而采用額外的散熱器進(jìn)行散熱，與采用PVT的意義相抵觸，本項目不予采納。
方案三：結(jié)合對方案一、方案二的思考，我們明確了需求方向。針對夏季空調(diào)負(fù)荷大，日照強烈，系統(tǒng)應(yīng)盡可能發(fā)揮PVT水冷降溫提效的優(yōu)勢，最大限度多發(fā)電，并將熱量回灌到地源井；而房間制冷需要盡可能采用最直接的方式向自然環(huán)境散熱，空氣源熱泵無疑是最佳選擇。冬季供暖，地源和太陽能源可以提供高效穩(wěn)定的低溫?zé)嵩矗捎玫卦礋岜每梢宰畲笙薅鹊母吣苄Ч┡植粫霈F(xiàn)空氣源熱泵頻繁化霜的情況，無疑也是最佳選項。綜上，方案三鑒于供暖和供冷負(fù)荷的差異很大，整套系統(tǒng)設(shè)計包含2熱泵：一臺供暖輸出19.76kW以上的地源熱泵與PVT耦合用于供暖，室外采用單排、間距5米以上打4口120米深的地源井（雙U管換熱），室內(nèi)采用地盤管末端；夏季空調(diào)時開啟另一臺滿足冷負(fù)荷64.22kW的空氣源熱泵；PVT非采暖季白天通過地埋井向大地回?zé)幔恍l(wèi)生熱水全年由地源熱泵提供加熱熱源。
設(shè)備位置：
設(shè)備選型：
空氣源熱泵主機，選用海悟HLWD086P2C7A空氣源熱泵機組1臺，該機組低溫工況制熱量（-12℃）為59kW、COP為2.2，極端氣候或地源熱泵系統(tǒng)故障時，可作為供暖熱源備份；額定制冷量65kW，滿足本項目夏季制冷的需求。
具體技術(shù)參數(shù)如下：
地源熱泵主機：
【注】
1、機組參數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19409-2013測試。
