卞    峰¹，梁慧媛¹，牛蔚然¹，邵珠坤²

（1. 國網山東節能服務有限公司；2.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南   250000）

       【摘   要】建立了濟南某節能別墅型住宅建筑太陽能-空氣源熱泵供暖系統。利用Dest軟件進行了逐時熱負荷分析計算，利用Trnsys軟件對太陽能-空氣源熱泵系統進行了建模和模擬，并與單獨空氣源熱泵供暖系統進行了比較。結果表明：復合能源系統的COP值達到5以上，年運行費用較單獨空氣源熱泵供暖系統均有所降低，有利于環保節能。

       【關鍵詞】復合能源系統；節能環保；COP

0   引言

       我國太陽能資源較為豐富，全國有三分之二以上的地區每年太陽福射量都高于5000MJ/m²以上，年日照時間在3000~3300小時之間。

       太陽能是一種可再生能源，與常規能源相化，太陽能具有以下優點：

       第一，含量豐富。到目前為止太陽僅消耗了自身能量的2%，因此太陽能幾乎是取之不盡、用之不竭的。

       第二，方便獲取。太陽能可就地開發—因此不存在運輸問題，對交通不發達的偏遠地區利用價值尤為突出。

       第三，清潔、無污染。太陽能在開發和利用的過程中不會產生廢渣、廢水、廢氣，不會對生態環境造成破壞。

       與此同時，太陽能的利用也存在一些不足之處：

       第一，能流密度較低。地面上每平方米的面積所接受的太陽能只有1000W左右，因此太陽能熱水系統中需要較大的集熱器采光面積才能滿足使用要求，増加了系統成本。

       第二，間斷性和不穩定性。由于受到地理緯度、海拔高度、季節更替、晝夜和陰雨天等因素的影響，太陽能熱水系統必須增加輔助加熱裝置，才能保證系統的連續運行。

       熱泵系是一種能夠通過消耗少量電能將熱量從低溫熱源轉移到高溫熱源的裝置，具有高效節能的特點。但空氣源熱泵供暖系統在冬季使用時對環境溫度有一定的要求^[1]。

       根據太陽能熱水系統自身的優勢和缺陷，利用空氣源熱泵的特點作為輔助加熱，有機的結合兩個系統，組成太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統。作為輔助加熱的空氣源熱泵熱水系統可以彌補太陽能熱水供暖系統的缺陷，既克服了太陽能間歇性、不穩定的缺陷，延長了太陽能采暖的使用時間，又彌補了空氣源熱泵在寒冷季節效率問題的不足，因此能夠實現有效、全天候運行，這對降低能源消耗，滿足建筑節能、環保具有重要意義。

1   太陽能—空氣源熱泵的組成及工作原理

       根據太陽能集熱器中工作介質的不同，太陽能熱泵系統可分為兩大類：直膨脹式太陽能熱泵供暖系統和非直接膨脹式太陽能熱泵供暖系統。按照集熱循環和熱泵循環的連接方式的不同，非直接膨脹式太陽能熱泵供暖系統，分為以下幾種結構形式：串聯式、并聯式和雙熱源式等^[2]。本文采用并聯的方式。

圖1   太陽能—空氣源熱泵供暖系統圖

       圖1是太陽能—空氣源熱泵供暖系統圖。太陽能—空氣源熱泵供暖系統主要有三部分組成：

     （1）太陽能集熱供暖系統；

     （2）空氣源熱泵供暖系統；

     （3）末端用戶。

       太陽能集熱系統主要包括太陽能集熱器、循環泵、蓄熱水箱；空氣源熱泵系統主要包括冷凝器、壓縮機、蒸發器、循環水泵、蓄熱水箱等；末端用戶主要包括地板輻射采暖等。

       太陽能—空氣源熱泵系統的運行模式主要包括：

     （1）在太陽輻射條件較好、建筑的熱負荷較小的情況下，此時僅僅依靠太陽能集熱供暖系統就能滿足用戶的供暖需求，不開啟空氣源熱泵供暖系統。系統中的水流經太陽能集熱器后流入到蓄熱水箱中，換熱結束后流回到太陽能集熱器中進行加熱。

     （2）在太陽輻射條件較差的情況下，這時僅僅依靠太陽能集熱供暖系統不能滿足用戶側的供暖要求，此時開啟空氣源熱泵系統，太陽能供暖系統和空氣源熱泵系統聯合運行為用戶側供暖。

     （3）在沒有太陽輻射的條件下，例如夜間、陰雨天氣等，關閉太陽能集熱系統，開啟空氣源熱泵供暖系統，此時由空氣源熱泵系統對用戶進行供暖。

2   太陽能供暖系統的設計計算

       2.1   模擬建筑負荷

       該別墅建筑面積為189m²，供暖期為11月15日到次年3月15日。首先在Dest軟件中，根據該別墅建筑的平面圖搭建模擬所需要的三維立體圖形，并按照不同類型房間的不同功能對每個房間進行參數設置，以保證模擬結果盡可能與實際工程相似。
圖2是由Dest軟件模擬得出的該建筑供暖期的逐時負荷，由圖可知，供暖期最大的熱負荷出現在1月份，為7.2kW；供暖期平均熱負荷為2.37kW。

圖2   供暖期建筑逐時負荷分布圖

       太陽能供暖系統的設計計算主要包括平板集熱器面積的確定、集熱系統流量的確定、集熱循環水泵的選取和蓄熱水箱的選擇。

       2.2   平板集熱器面積的計算

       太陽能系統集熱器面積由下式計算^[3]：

       式中：A_c為太陽能供熱采暖系統的集熱器總面積（m²）；Q_h為供暖負荷的日平均值（W）；J_T為當地釆暖期在集熱器安裝傾斜面上的平均日太陽輻照量（J/m²）；f為太陽能保證率（%）；η_cd為系統使用期的平均集熱效率；根據經驗取值宜為0.2~0.5；η_L為管道及貯水箱的熱損失率；根據經驗取值宜為0.2~0.30。
上式中，Q_h為日平均負荷，為2365.1W。按照文獻[3]的附錄，査得當地采暖期在集熱器安裝傾斜面上的平均日太陽轄照量為13.854MJ/(m²·d)。η_cd與η_L根據經驗值分別取0.35和0.2。表1是太陽能保證率在不同地區的推薦選用值范圍。

表1 太陽能供熱采暖系統在不同地區的太陽能保證率

       經計算，平板集熱器集熱面積為15.8m²。

       2.3   蓄熱水箱體積計算

       蓄熱系統應考慮太陽能集熱系統的性能、投資、形式、太陽能保障率以及供熱采暖負荷等因素通過技術經濟性分析來進行選取。在粗略計算的情況下，可根據具體的太陽能供熱采暖系統形式，査取單位面積集熱器采光面積所對應的儲熱水箱、水箱容積范圍，如表2。本文所研究的系統類型為短期蓄熱的太陽能供熱采暖系統，所以每平米集熱器蓄熱水箱的容積為100L/m²，蓄熱水箱容積為1.6m³。

表2   蓄熱水箱的容積范圍

       2.4   系統流量的確定

       在部分情況下集熱器生產廠家一般會給出影響太陽能集熱系統流量的特性。若無相關技術參數可以查詢，可采用估算的形式：平板型集熱器可估算為0.02L/(s·m²)，真空型太陽能集熱器可按照0.015~0.02L/(s·m²)估算。

       2.5   系統設備選型 

       根據上述計算，太陽能—空氣源熱泵供暖系統主要設備選型型號和初投資的估算見表3。

表3   系統主要設備選型和初投資

3   系統的建立和模擬

       3.1   Trnsys系統模型的建立

       利用Trnsys對太陽能—空氣源熱泵供暖系統建模，選擇相應的模塊。系統用到的模塊有：平板集熱器Type1b、典型氣象年數據資料Type109、水泵Type114、集水器Type11b、分水器Type11f、蓄熱水箱Type4c、負荷讀取器Type682、空氣源熱泵機組Type505b、方程編輯器Equa、在線繪圖儀Type65c、控制器Type2b等。本文模擬的太陽能—空氣源熱泵供暖系統的連接方式如圖3所示。

圖3   太陽能—空氣源熱泵系統圖

       其中，該系統的控制模式為：

     （1）在太陽能集熱器出水溫度為30℃以上時，只運行太陽能集熱器循環系統，不開啟空氣源熱泵系統。

     （2）在太陽能集熱器出水溫度為27℃以上，30℃以下時，同時運行太陽能集熱器循環系統和空氣源熱泵系統為用戶側聯合供暖。

     （3）在太陽能集熱器出水溫度為27℃以下時，不運行太陽能集熱器循環系統，開啟空氣源熱泵系統為用戶側供暖。

       3.2   模擬結果分析

       用戶側供回水溫度

       圖4是供暖期用戶側的供回水溫度，由圖可以看出，用戶側的供水溫度基本維持在32℃左右，供水溫度比較穩定，符合地板采暖的供暖要求，提高了房間的舒適度。

圖4   用戶側供回水溫度

       圖5是用戶側供回水溫差與室外氣溫的關系。由圖5可知，在室外氣溫比較高的情況下，用戶側的供回水溫差比較??；隨著氣溫的逐漸降低，溫差也逐漸增大。

圖5   供回水溫差與室外氣溫

       根據圖2和圖5可知，一月份的室外氣溫最低，此時建筑的負荷也最大，用戶側的供回水溫差也達到最大。當室外氣溫逐漸升高時，供回水的溫差也逐漸減小。

       由圖6可知，在整個采暖期，空氣源熱泵機組的COP在3.5左右，實際工程中的空氣源熱泵的COP在2~3左右，在復合能源系統中，空氣源熱泵機組的COP有所上升；在太陽能—空氣源熱泵供暖系統中，系統的COP達到了5.5，和熱泵機組相比，COP大大提高，說明了太陽能—空氣源熱泵系統與單一空氣源熱泵相比，在相同能耗下，制熱效率大大提高。

圖6   機組COP和系統COP

       圖7是太陽能—空氣源熱泵系統整個供暖期的耗電量，由圖可知，整個供暖期，該系統的耗電量為865.84kW·h；單一空氣源熱泵的耗電量約為2747.41kW·h，節省電能74.8%。

圖7   太陽能—空氣源熱泵

4   經濟效益分析

       常用的熱水系統經濟效益的評價方法有:綜合能源價格法、靜態投資回收期、動態投資回收期和費用年值法等[4-5]。綜合能源價格法，指在使用年限內系統總投資與在此期間所提供的總能量的比值。靜態投資回收期，一般用系統每年節省的運行費用與初投資的比值來表示，這種方法沒有考慮資金的時間價值，能在一定程度上評價系統的資金回收能力，但無法反應整個使用年限內的收益能力。動態投資回收期，是在考慮資金時間價值的情況下收回投資所需要的時間。按基準收益率把投資項目各年的凈現金流量折成現值，再來推算投資回收期。

       費用年值法，是將參與比較的各方案的系統初投資按資金的時間價值折算為每年的費用，與運行費用和得到費用年值，各方案中費用年值最小的即為最佳方案。該方法全面考慮系統的初投資和運行費用，更加合理和科學。本文采用費用年值法對熱水系統來進行經濟效益分析。由于不同供暖方案系統的使用年限不同，費用年值的詳細計算公式如下：

       式中：Y_d為費用年值（元/年）；i為利率(或部門內部的標準收益率系數)，取8%；n為系統的使用壽命（年）；C_i，C_k為分別指系統初投資和系統年運行費用（元）。

       其中， 定文為初投資折算值，系統運行費用包括能耗費用和維護管理費用，按設備固定資產投資的2%計算^[6]。

表4   初投資和運行費用比較

       根據式（2）計算可知，復合能源系統的年運行費用為3238元/年，空氣源熱泵系統的年運行費用為3564元/年。雖然復合能源系統的初投資高，但其年運行費用和費用年值較空氣源熱泵供暖方案低，同時也符合我國可持續發展的政策。

5   總結

       太陽能—空氣源熱泵供暖系統充分利用了我國太陽能資源豐富的優勢，有效解決了空氣源熱泵在低溫環境下運行效率低的缺點，將兩者的特點有效的結合起來。復合能源系統的COP較傳統熱泵供暖系統的COP有了較大提高，使用年限延長，耗電量少，運行費用低，有利于環保節能，符合可持續發展的政策。

參考文獻

       [1] 包濤，董玉軍，周翔等.熱泵系統的經濟性分析[J].制冷， 2004,23(2):83–86.

       [2] 趙宏偉，胡明輔，李勇.太陽能熱泵技術及其研究進展[J].能源與環境, 2008,(2):83–84.

       [3] 何梓年，朱敦智主編.太陽能供熱采暖應用技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2009,114–115.

       [4] 于國清,張曉莉,孟凡兵.單戶住宅太陽能熱累供熱的技術和經濟分析[J].建筑節能, 2007,35(1):55–57.

       [5] 王飛,曹永生等.小型太陽能生活熱水綜合熱價模擬分析[J].建筑節能, 2007, 35(6):54–56.

       [6] 劉雨曦.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在夏熱冬冷地區的運行模擬和應用研究[D].重慶：重慶大學, 2011.

注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期《2017全國供暖技術年會論文集》中。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。