光伏电站预制舱中结合双通道特龙贝墙与压缩式制冷技术的新型集成系统性能研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance of a novel integrated system combining dual-channel Trombe wall with compression refrigeration for prefabricated cabins in PV power stations

　　摘要：为解决光伏电站预制舱在温湿度控制方面的高能耗问题，本研究提出了一种新型集成系统，该系统将双通道特龙贝墙与压缩制冷子系统相结合。研究建立了包含能量、质量及能耗三个维度的综合模型，以评估该系统的节能效果。以中国上海（炎热潮湿）和玉树（寒冷干燥）两种气候为例，分析了室内电气设备产生的热量对系统能源性能的影响。最后，将所提系统的能耗与系统1（两台传统压缩制冷空调）、系统2（无特龙贝墙的压缩制冷子系统）以及系统3（带传统特龙贝墙的压缩制冷子系统）的能耗进行了比较，同时分析了其与系统1相比的经济性。研究结果表明，在这两种气候条件下，该集成系统全年大部分时间都能将室内温度维持在23℃左右。在上海，随着室内电气设备产生的热量增加，系统的年总能耗和除湿能力上升，室内平均相对湿度下降，而该系统相较于其他三种系统的节能率则呈单调下降趋势。在玉树，系统的年总能耗和室内平均相对湿度均有所下降，由于主要以供暖为主，系统的年总除湿能力可忽略不计，其节能率起初上升，随后因双通道特龙贝墙与室内热量的相互作用而下降。此外，节能率还会随气候条件而变化。当室内电气设备产生的热量为25瓦/平方米时，上海地区的节能率分别为20.12%（相对于系统1）、5.94%（相对于系统2）、4.95%（相对于系统3），而玉树地区则分别为31.75%、19.57%、12.93%。在电价为1元人民币/千瓦时的情况下，与系统1相比，该系统所需的投资回收期在上海为4.07年，在玉树为3.05年。

引言：随着社会经济的持续发展，对能源尤其是电力的需求不断上升。2012年，国家电网公司提出了新的模块化智能变电站设计理念，而预制舱则是这类模块化智能变电站中的关键组成部分[1]。它们用于容纳和保护重要的电气设备，其运行状况直接影响整个设施的安全性与效率。然而，这些预制舱往往被安装在环境条件极为恶劣的场所，常常面临高温、高湿度以及通风不良等问题，尤其是在上海这样的炎热潮湿地区，除湿问题尤为突出。目前，人们通常使用大功率空调和除湿机来调节预制舱内的温湿度[2]，但这不仅会大幅增加运营和维护成本，还与绿色可持续发展的目标相悖。尤其是预制舱内的现代逆变器等电气设备，其功率越来越大，体积却越来越小，这就导致了设备内部的热流强度升高，热量分布也更为复杂[3]。过度的热量积累会严重影响这些设备的运行可靠性和使用寿命，因此，对光伏电站中预制舱进行热管理显得愈发重要。为此，开发能够同时实现节能与除湿功能的新型技术，对于提升预制舱的节能性能具有重要的理论意义，同时也具备巨大的实际应用价值。

目前，关于预制舱节能的研究还相对有限。Shinoda等人[4]开发了一种多功能计算流体动力学仿真模型，用于预测舱壁温度，并通过经济分析评估了安装屋顶遮阳板的可行性。他们的研究表明，遮阳板可实现13%至20%的节能效果，同时还能使电费降低约4.82%。Kristiansen等人[5]则引入了热能储存技术，以降低预制舱的能耗，为不同气候条件下的节能提供了参考和控制策略。Xuan等人[6]通过在聚合物基体中随机分散功能性填料，开发出一种辐射冷却涂层材料，并将其应用于香港某建筑工地的正在使用的预制舱中。实地测试表明，在当地气候条件下，该涂层能使表面温度降低18℃，并实现23.5%的节能效果，优于传统的白色涂层。Liang等人[7]采用了两种成本较低的改造方法：热桥绝缘处理和外部遮阳百叶窗。热桥绝缘处理可使边缘和接合处的能耗降低60%以上，从而使整体能耗降低约40%；外部遮阳百叶窗则可使与窗户相关的能耗降低约40%。将这两种改造措施结合使用，可使总能耗降低约25.9%。Wang等人[8]采用了四种被动冷却技术，以改善预制舱内的热舒适度。实验结果表明，在墙壁和屋顶上安装反射率为0.9的反射膜，再加上外部窗帘，可显著改善内部热环境。Meng等人[9]在预制舱上使用了逆反射材料，以减少辐射热量的吸收。对比实验显示，使用这种材料的预制舱，其空气温度可降低7℃以上，峰值辐射温度则可降低约10℃。Jiang等人[10]对极寒地区的典型预制舱进行了模拟研究，比较了平顶、斜顶以及悬挑屋顶设计的能耗情况。研究结果表明，悬挑屋顶的节能效果最佳，节能率可达19.38%。Wang等人[11]则将超薄围护结构与相变材料结合用于预制舱，建立了相应的耦合传热模型。基于成都的气候特点，他们通过数值分析研究了相变材料的各项参数——包括导热系数、潜热、相变温度以及安装位置——对预制舱热性能的影响。这些研究都表明，目前针对预制舱的节能研究主要集中于材料和结构方面的改进，但所取得的节能效果仍然有限。

被动技术为预制舱的节能提供了创新性的解决方案。其中，作为经典的被动式太阳能系统，特龙贝墙在建筑节能领域得到了广泛应用。玻璃罩、通风口、空气通道以及厚实墙体共同构成了标准的特龙贝墙结构。太阳辐射穿过玻璃罩后，被厚实墙体吸收，进而加热通道中的空气。随后，加热后的空气会上升并通过上方的通风口排出，而“烟囱效应”则会使室内空气通过下方的开口进入通道。特龙贝墙的优点在于设计简单且维护成本低，因此长期以来一直是研究的重点[12]。特龙贝墙的热性能受结构因素和环境因素的共同影响[13][14]，这些因素包括墙体结构、材料与玻璃的性能、表面积、墙体厚度、空气通道的厚度、保温措施、遮阳策略以及通风口的设计[15]。不过，由于该技术依赖于太阳辐射强度，因此存在一些局限性[16]，比如热能产生具有间歇性，在太阳辐射较弱的时段则不会产生热量。在阳光充足的地区，如果设计或安装不当，还可能因过热而导致结构损坏[17]。为了解决这些问题并提升性能，研究人员对传统的特龙贝墙设计提出了多种结构改进方案[18]。

双通道特龙贝墙因其内部隔板的作用而形成了独立的内外空气通道，因此受到了广泛关注。与传统特龙贝墙相比，这种设计具有更好的通风效果和隔热性能，无论在冬季还是夏季都能保持良好的工作状态。已有不少研究人员对这种改进后的结构进行了性能研究。Liu等人[19]通过实验和数值模拟，全面研究了这种高性能的新型双通道特龙贝墙。研究结果表明，与传统结构相比，这种新型结构在冬季的隔热性能有显著提升，其热效率高出1.6至3.4倍，室内最高温度的上升幅度则可达5.7℃。Xu等人[20]提出了一种将双通道空气通道与相变材料相结合的混合系统。与没有特龙贝墙的房间相比，该系统可使夏季的室内最高温度降低1.7℃，同时使冬季夜间的平均温度上升1.4℃。Ke等人[21]在中国乌鲁木齐、北京和合肥实施了采用相变材料的双通道特龙贝墙系统，结果显示该系统可带来显著的年度节能效果。Hashemi等人[22]研究了复合型特龙贝墙系统（由两块厚实墙体、两个通风通道以及一个玻璃罩组成）的热性能，阐明了保温层以及附近的空气温度如何帮助维持热稳定性，同时还验证了所提出的热模型和优化方法的有效性。Li等人[23]提出了一种多导管式特龙贝墙系统，该系统用管道代替了传统结构中的隔板，部分空气通过这些管道进出。与传统的特龙贝墙相比，该系统的日平均热效率提升了27.8%。此外，为进一步增强双通道特龙贝墙的性能，一些研究人员用百叶窗或遮阳帘替换了内部的隔板，还有研究专门探讨了这些装置在冬季的运行模式[24][25]。此外，也有研究致力于评估该系统在夏季的运行性能[26][27]。

为了获得更好的节能效果，目前关于将双通道特龙贝墙与暖通空调等主动技术相结合的研究还相对较少。Ma等人[28]在日本福冈县北九州市展示了一种带有温控直流风扇的双通道特龙贝墙系统，实验表明，无需强制送风的情况下，该系统的能耗可降低约0.6千瓦时/立方米。Hu等人[29]在装有分体式空调的办公楼中，将特龙贝墙与百叶窗结合用作冷却系统。实验结果显示，略微增加空气间隙的厚度会增大冷却负荷，而增大百叶窗的闭合角度则可以降低热流强度。Ma等人[30]在中国山东省青岛市将双通道特龙贝墙与温控风扇相结合，研究了该系统在冬季和夏季的能源性能。他们发现，该系统在冬季模式下的能效提升了30.27%，在夏季模式下的能效提升了31.18%。

目前，预制舱的除湿方法主要分为两类：冷凝除湿和加热除湿[31][32]。虽然加热除湿能够降低湿度，但同时也会提高室内温度，这可能会加速设备老化，并增加额外的能耗[33]。而冷凝除湿则是通过将空气冷却到露点以下来去除水蒸气。根据不同的制冷原理，冷凝除湿可分为基于压缩机的类型和基于热电效应的类型[34]。前者通常适用于大型空间，在这些空间中，空气先被除湿，然后再被加热到目标温度[35]；后者则是利用珀尔帖效应来实现冷却和除湿功能[36]。不过，热电除湿在除湿能力和速度方面都存在一定的局限性，因此目前还无法满足光伏电站中预制舱的高效除湿需求。所以，对于预制舱的温湿度控制而言，压缩制冷技术更为适用。

综上所述，目前关于预制舱节能的研究主要侧重于材料和结构方面的改进，但取得的节能效果仍然有限。鉴于双通道特龙贝墙出色的被动性能，预计它有望被应用于那些经常面临高温、高湿度以及高能耗问题的恶劣环境，比如预制舱。同时，考虑到压缩制冷技术在温湿度控制方面的优异效果，本研究提出了一种将双通道特龙贝墙与压缩制冷技术相结合的集成系统，该系统是专为预制舱设计的。尤其是双通道特龙贝墙结构，它能够实现更灵活的气流组织，从而提升热调节能力。与单通道结构相比，双通道特龙贝墙能够更好地平衡太阳能的收集、热量的散发以及气流的分布，进而提升在不同气候条件下，被动式的双通道特龙贝墙与主动式的压缩制冷系统之间的协同工作性能。

所提出的集成系统的创新之处在于，它将双通道特龙贝墙（被动技术）与压缩制冷技术（主动技术）进行了深度整合，使得双通道特龙贝墙能够被应用于那些存在大量室内电气设备散热问题的预制舱中。通过这种创新的组合，各种技术优势得以互补，该系统能够有效解决预制舱中存在的能耗过高、湿度过大以及凝结风险等问题，对于确保光伏电站的经济、高效、安全运行具有重要意义。

不过，目前大多数现有的双通道特龙贝墙辅助型暖通空调系统，都仅仅是将双通道特龙贝墙与分体式空调或温控风扇简单组合在一起。关于针对预制舱的全年综合温湿度调控以及相关应用的研究仍然十分有限。因此，那些研究中所使用的模型和性能评估方法并不适用于所提出的、用于预制舱的集成系统。而开发这类系统对于弥补现有缺陷极为重要。随后，基于该集成系统，建立了相应的物理和数学模型，以研究包括外部气候条件以及舱内电气设备产生的热量在内的多种参数对系统性能的综合影响。最后，将该集成系统的能耗和经济性能与其他系统进行比较，以展现其在预制舱中的节能效果。这项研究对于光伏电站中预制舱的节能设计具有重要意义。图1展示了技术路线的示意图，以便清晰呈现本研究的工作逻辑。

集成系统描述
图2展示了将双通道特龙贝墙与压缩制冷技术相结合的预制舱集成系统。该集成系统由双通道特龙贝墙和压缩制冷子系统组成。双通道特龙贝墙包括玻璃盖（6）、隔板（7）、复合墙（8）、内外两个空气通道，以及内通道通风口（9）和外通道通风口（5）。压缩制冷子系统则包含一些组件。

模型建立与验证
本研究通过将建筑能源模拟软件EnergyPlus与几何建模工具SketchUp以及接口平台OpenStudio相结合，建立了一个集成模拟环境。其中，SketchUp用于精确构建几何模型，OpenStudio用于设定模型的关键热参数，而EnergyPlus则用于构建能耗模型。在求解模型之前，需要选择合适的时间步长，以确保模拟结果的准确性。

气象数据
本研究基于两种截然不同的气候条件：中国上海和青海省玉树。选择上海和玉树是因为上海属于炎热潮湿的气候，其能源需求以制冷为主；而玉树则属于寒冷干燥的气候，具有强烈的太阳辐射，能源需求以供暖为主。通过对比这两种地点的情况，可以评估所提出的集成系统在不同环境条件下的适应性。

结论
为了解决光伏电站中预制舱因温湿度调节而产生的高能耗问题，本研究提出了一种新的集成系统，该系统将双通道特龙贝墙与压缩制冷子系统相结合。通过建立能量平衡、质量平衡和能耗模型，研究了该系统的能源和经济性能。主要结论如下：该集成系统表现出稳定且可靠的性能。

作者贡献声明
吴双英：监督、资源提供、方法设计、研究实施、资金获取、概念构思。秦小双：初稿撰写、方法设计、研究实施、数据整理。肖兰：审稿与编辑、资金获取。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢
本研究得到了广西壮族自治区自然科学基金（项目编号2024GXNSFDA010068）和重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2024NSCQ-MSX1000）的资助。

吴双英|秦小双|肖兰
中国重庆400044，重庆大学，教育部低品位能源利用技术及系统重点实验室