1 适用地区

（1）光照充足，全年光照时间长，满足光伏光热一体化热水系统所需集热面积的太阳能资源，一般全年日照时间超过3000h，年太阳总辐射超过2500W/m2,夏季气候凉爽、空气相对湿度小、气温较低，全年无霜期在120d以上。

（2）年平均气温在0℃~10℃之间，满足太阳能集热系统所需水箱的水温要求。

（3）夏冬季雨水较多，空气相对湿度较大，大气温度高。

（4）具备完善的管网及电力输送系统，能够满足太阳能集热系统的供水需求。

（5）建筑物保温效果良好且具备相应的建筑保温标准。

（6）供水水质要求较高。

（7）太阳能热水系统需安装在屋顶上或阳台上，受环境影响小，安装位置不受限制。若采用集中式太阳能热水系统还需考虑到当地的电网负荷情况^[1]。以上海为例，该地区夏季最高气温达40℃以上、平均气温25℃左右；冬季最低气温在0℃以下、平均气温8℃左右；年平均日照时间约3000h以上、年降水量约600 mm。根据上海市气象部门提供的气象资料及上海市太阳能资源利用现状分析得知：上海地区太阳能资源丰富，可利用的太阳总辐射约为3000~3500W/m2;夏季主导风向为偏北风；年平均风速在1m/s左右；年平均相对湿度在40%~60%之间。

综上所述，本文针对上海地区太阳能资源、气候条件及建筑保温情况进行了调研分析，并结合光伏光热一体化热水系统的基本原理及运行特性提出了适用于上海地区的光伏光热一体化热水系统设计方案。方案设计过程中将上海地区气候条件分为四个区域进行分析，分别为：夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、夏季干燥地区、冬季湿冷地区^[2]。根据各区域的气候特点及光伏光热一体化热水系统的设计要求提出相应的设计方法与建议。

2 光伏光热系统

光伏光热一体化热水系统是一种集太阳能光伏发电与太阳能热水供应为一体的系统，在寒冷地区，如北方和西北地区，光伏光热一体化热水系统可以在冬季提供采暖用热水；而在温暖地区如南方，由于气温较高，光伏光热一体化热水系统则主要利用太阳能发电。

与普通太阳能集热器相比，光伏光热一体化热水系统具有以下优点：

（1）太阳能利用率高。由于太阳能的利用方式主要以太阳光为热源，因此光伏光热一体化热水系统相比普通太阳能集热器能更好的利用太阳光。

（2）可实现全天候供水。由于采用了集热装置和储热装置，该系统可以实现全天候供水。即使在晚上或阴天等天气条件下，也可以向用户提供充足的热水。

（3）运行费用低。由于采用了集中供热方式，与热泵相比，该系统的运行费用较低。

（4）寿命长且安全可靠。由于采用了集中供热方式，因此整个系统的寿命长且安全可靠。

光伏光热一体化热水系统目前仍处于研究阶段，对于其在不同地区的适用性研究尚不够深入。在实际工程中应结合不同地区的气候条件和建筑特点来选择最合适的设计方案。如针对东北寒冷地区光伏光热一体化热水系统可以采用集中供暖方式；而在华南地区则可以考虑采用分散供热方式^[3]。

本文对光伏光热一体化热水系统进行了较为全面的介绍和分析，并将其应用于不同地区时所适用的气候条件进行了总结，以期为光伏光热一体化热水系统在不同地区的推广和应用提供参考。

2.1系统组成

光伏光热一体化热水系统主要由光伏发电系统、集热器储热水箱、热泵型热泵、辅助热源等部分组成。光伏发电系统为光伏光热一体化热水系统提供电能。在晴天时，光伏发电系统的光伏组件将太阳光转化成电能，然后由逆变器将电能转换成交流电，再通过电缆送到集热器中。在阴天时，太阳能不再为集热器提供电能，此时集热器通过电加热棒向水箱中加水，为水箱加热，同时集热器也可以通过蓄热水箱储存太阳能。在太阳光线不足或晚上时，集热系统将储热水箱的热水加热至一定温度后供给用户使用。集热器储热水箱的热水则作为辅助热源，向热泵机组提供能量。同时，辅助热源还可以向整个系统提供其他形式的能量，如锅炉、热泵等。辅助热源包括燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油/燃气锅炉、电锅炉等。辅助热源之间可以相互切换。

2.2系统工作原理

系统包括集热器、储热装置、自动控制装置和供热管路。当用户需要热水时，打开集热器上的循环泵，热水在集热器中被加热后进入储热装置中。在储热装置中，热水储存在其内部的储水箱中。当系统不需要热水时，储水箱中的热水会被加热并通过管道送到用户处。

当温度高于设定值时，自动控制装置会发出信号启动热泵机组，启动后通过压缩将热量传递给冷凝水箱，将水加热到设定值。在整个运行过程中，系统通过热泵机组与光伏发电系统进行能量交换。

当系统运行时，集热器所接收的太阳辐射量通过集热器内的循环泵被输送到储热装置中。在储热装置中，热水通过管道输送到用户处。当用户需要热水时，打开循环泵向储热装置内注入热水，然后通过管道输送到用户处。

当光伏发电系统充电时，电池的直流输出电压和电流被连接到逆变器上；在此过程中光伏电池产生的直流电流将被输送到逆变器上。逆变器将输入的直流电流转换成电压较低的交流电流，并将其馈入电网以供负载使用。

2.3适用地区分析

光伏光热一体化热水系统在不同地区的适应性。光伏光热一体化热水系统在寒冷地区具有较好的适应性，尤其是在东北地区，太阳能资源较为丰富，此时太阳能光伏光热一体化热水系统可以为该地区用户提供采暖用热水^[4]。但在该地区的部分地区，由于全年日照时间较短，此时系统的运行费用较高，因此不适合采用太阳能光伏光热一体化热水系统。而在华南地区，由于全年日照时间较长，且气候温暖湿润，此时太阳能资源较为丰富。因此，在该地区可考虑采用太阳能光伏光热一体化热水系统。此外，在西北地区由于冬季寒冷干燥且日照时间短，因此可考虑采用集中供暖的方式对建筑物进行供暖。

3 双源热泵系统

双源热泵系统是将太阳能集热器和空气源热泵系统进行结合，通过双源热泵系统来满足室内冷热需求。其原理是在夏季时，将太阳能集热器中的水加热后送入空气源热泵机组，同时将空气中的热量输送到室内；在冬季时，将空气源热泵机组中的水加热后送入太阳能集热器，同时将室内的热量输送到空气源热泵机组，实现一次能源的多次利用。

双源热泵系统主要由太阳能集热器、空气源热泵机组和土壤源热泵系统组成。该系统采用两种热源相互补充的方式，以提高系统性能系数。通过在不同季节调节双源热泵机组的运行状态，可以实现夏季制冷、冬季制热的功能。其适用于建筑面积较大、温度较高且存在夜间用电高峰的地区。

3.1适用于我国不同地区

该系统具有灵活性强、适应性广的特点，可在不同地区根据具体情况进行灵活的组合，应用范围较广。在南方地区，由于当地气候炎热，且多集中于夏季，故太阳能集热器全年运行，并由空气源热泵机组提供生活热水；在北方地区，由于气候寒冷且多为冬季采暖期，故空气源热泵机组全年运行，并由太阳能集热器提供生活热水。同时由于该系统具有灵活性强、适应性广的特点，当光伏发电系统为电网供电时，系统可以作为制冷系统或制热系统运行；当光伏发电系统为电网供电时，系统可以作为辅助加热装置或太阳能辅助加热装置运行。

3.2应用范围

双源热泵系统在建筑应用中的最大优势在于可以充分利用太阳能和空气能等可再生能源，从而实现建筑的绿色节能。但是，双源热泵系统作为一种新型的热水系统，在实际应用过程中仍存在一些问题。目前，双源热泵系统在实际应用过程中还存在以下问题：①对于太阳能资源丰富的地区，可以使用双源热泵系统实现太阳能集热器和空气源热泵机组联合供热；②对于太阳能资源相对匮乏的地区，可以使用双源热泵系统实现太阳能集热器和空气源热泵机组联合供冷/热；③对于同时存在夏季制冷和冬季制热需求的建筑，可以将双源热泵系统与地源热泵系统结合使用；④在我国大部分地区，双源热泵系统不适用于高层建筑。

4 经济性分析

本研究对两种不同的系统进行了经济性分析，对比其使用成本。

1.系统初投资：光伏光热一体化热水系统由于采用了光伏电池板和集热器，因此在初投资方面较空气源热泵低，但在后期的维护、更新和其他费用方面相对空气源热泵高^[5]。

2.年运行成本：光伏光热一体化热水系统与空气源热泵系统在运行方式和能源效率上都有一定的区别。由于光伏光热一体化热水系统采用了太阳能集热和发电相结合的方式，因此其年运行成本比空气源热泵高。

光伏光热一体化热水系统的年运行成本高于空气源热泵的年运行成本，其主要原因是：光伏光热一体化热水系统采用了太阳能集热器，因此在初投资方面较空气源热泵高；在后期的维护、更新和其他费用方面较空气源热泵低。

3.环境效益：光伏光热一体化热水系统相比较于空气源热泵而言，对环境的影响较小，但对于集中供暖区域而言，由于其存在冬季供暖问题，因此对于集中供暖区域而言，由于冬季气温低、气温较低，光伏光热一体化热水系统的节能效益低于空气源热泵。

4.1年运行成本

光伏光热一体化热水系统在太阳能集热方面，采用了光伏电池板，通过将太阳能转化为电能，实现了系统的自动控制。因此，其在能源利用方面相比较于空气源热泵而言更具优势。据测算，在全年太阳辐射强度为600~1000 MJ/m2时，光伏光热一体化热水系统的太阳能集热效率可达45%~65%；在全年太阳辐射强度为250~600 MJ/m2时，光伏光热一体化热水系统的太阳能集热效率可达65%~75%。光伏光热一体化热水系统的全年平均发电量为3~5 kWh/m2。如果以太阳能集热器的面积为100m2来计算，则光伏光热一体化热水系统的太阳能发电量可达1 500 kWh/m2。因此，光伏光热一体化热水系统相比较于空气源热泵而言，其在太阳能发电方面具有明显的优势。

光伏光热一体化热水系统年运行成本主要包括：光伏电池板成本、系统初投资、后期维护费用以及能源效率损失等。其中，能源效率损失是指在实际运行过程中由于能耗造成的电量损失；因此，在能源效率方面主要通过提高光伏电池板的光电转化效率来降低其能耗。

4.2环境效益

光伏光热一体化热水系统与空气源热泵系统的主要区别在于系统运行时对环境的影响程度不同，对于集中供暖区域而言，由于存在冬季供暖问题，因此其对于环境的影响较大，但对于非集中供暖区域而言，由于不存在冬季供暖问题，因此其对环境的影响较小。在日平均气温低于10℃的情况下，两种系统的环境效益分别为415.1元/（kW·h）和221.5元/（kW·h）。此外，两种系统的年平均辐射值分别为496.7 MJ/m2和240.6 MJ/m2。两种系统的年平均辐射值均小于1 mJ/m2,这说明两种系统不会对当地生态环境造成影响。

4.3经济评价指标

本文采用等年值和等年度化对光伏光热一体化热水系统和空气源热泵系统进行了经济性评价，具体评价指标如下：

1.光伏光热一体化热水系统的年收益包括发电收益和供暖收益，而空气源热泵系统的年收益包括发电收益和供暖收益。本研究仅对发电收益进行分析，在经济评价指标中，采用了等年值进行计算。

2.光伏光热一体化热水系统的初始投资为100 000元，而空气源热泵的初始投资为500 000元；光伏光热一体化热水系统在每3年内的总费用为1500 000元，而空气源热泵的总费用为500 000元；光伏光热一体化热水系统的投资回收期为4年，而空气源热泵的投资回收期为7年。

3.光伏光热一体化热水系统和空气源热泵系统在我国不同地区的年收益率。

4.通过上述分析可知，虽然光伏光热一体化热水系统的初始投资较高，但在使用寿命内能够通过太阳能发电获得额外的收益；在相同的环境效益下，光伏光热一体化热水系统具有一定优势。

5 总结

本文通过对不同地区太阳能资源的分析，研究了光伏光热一体化系统在不同地区的适用性。结果表明：在全年气候条件下，西北地区太阳能资源丰富，是光伏光热一体化系统最适宜的地区；而在其他地区，太阳能资源并不是十分丰富，可作为辅助能源。此外，光伏光热一体化系统可以与空气源热泵联合使用，从而降低了空气源热泵的运行费用。而在光伏光热一体化系统中采用空气源热泵时，应选择适当的热泵运行策略，避免热泵出现“卡死”现象。本文的研究结果可以为光伏光热一体化系统在不同地区的推广提供理论依据和参考。

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