嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)節(jié)能和環(huán)保效益分析

王楊洋

（吉林建筑大學(xué)　城建學(xué)院，吉林　長(zhǎng)春　130000）

嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)節(jié)能和環(huán)保效益分析

王楊洋

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000）

為促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程進(jìn)行土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出所需的太陽(yáng)能集熱面積.與傳統(tǒng)常規(guī)能源系統(tǒng)相比，計(jì)算出本示范工程土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的年節(jié)能量和因節(jié)省常規(guī)能源而減少的二氧化碳、煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放量.可見，嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱具有很高的節(jié)能和環(huán)保效益.

嚴(yán)寒地區(qū)；土壤源熱泵；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)；節(jié)能效益；環(huán)保效益

根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，建筑供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用可再生能源，減少一次能源的使用.可再生能源主要包括太陽(yáng)能、地源熱泵、空氣源熱泵及生物質(zhì)燃料等.本示范工程通過前期調(diào)研論證并根據(jù)相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則推薦，采用土壤源熱泵作為冷熱源系統(tǒng).嚴(yán)寒地區(qū)的熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的全年吸熱量大于排熱量，由于系統(tǒng)的吸排熱量不平衡率和土壤原始溫度影響，會(huì)產(chǎn)生“冷堆積”問題，利用太陽(yáng)能這種可再生能源進(jìn)行補(bǔ)熱，做到全年綜合應(yīng)用.本文以嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程為例，對(duì)土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效益進(jìn)行計(jì)算分析.

1　工程概況

本示范工程位于吉林省長(zhǎng)春市（緯度43°54′），面積近3000m2，五層住宅加一層閣樓，共六層，18戶，建筑平面圖如圖1和圖2所示.

圖1　一層平面圖

采用eQUEST能耗模擬軟件對(duì)本示范工程進(jìn)行能耗模擬，主要模擬計(jì)算的是全年范圍內(nèi)逐時(shí)、逐月以及典型日的建筑冷、熱負(fù)荷變化.冬季連續(xù)供暖，供暖期為10月25日至次年4月10日，夏季空調(diào)間歇開啟.整個(gè)系統(tǒng)采用土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供冷供熱，太陽(yáng)能除滿足日常熱水供應(yīng)需求外，還對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱補(bǔ)償.

圖2　二—五層平面圖

2　太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1長(zhǎng)春市氣象參數(shù)

水平面年平均日輻照量：13.663MJ/(m2·d)；

當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年平均日輻照量：16.127MJ/(m2·d)；

年平均每日的日照小時(shí)數(shù)：7.4h

年平均環(huán)境溫度：5.8℃

計(jì)算采暖期平均環(huán)境溫度：-6.7℃

2.2系統(tǒng)形式

經(jīng)過方案論證，本示范工程采用液體工質(zhì)集熱器、間接式、季節(jié)蓄熱太陽(yáng)能集熱系統(tǒng).太陽(yáng)能集熱器陣列安裝于屋頂，南向放置，與地面成45度傾角，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)用于補(bǔ)熱和熱水供應(yīng).

2.3設(shè)計(jì)選型

太陽(yáng)能集熱器選型如下:

集熱器類型：雙排全玻璃真空管型太陽(yáng)能集熱器

集熱器型號(hào)：Z-QB/0.06-WF-3.27/50-47/1500/1-HS

集熱器總面積：5.57㎡，采光面積：3.27㎡

集熱器瞬時(shí)效率曲線方程（基于采光面積、集熱器入口溫度）為:ηa=0.721-2.670Ti*

由前期研究計(jì)算得出用于補(bǔ)熱需要81塊集熱器，而18戶居民集中熱水供應(yīng)需要8塊集熱器，共計(jì)89塊集熱器，集熱器采光面積291.03㎡[1].

3　系統(tǒng)節(jié)能效益分析

將系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱源方式進(jìn)行比較，分析土壤源-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)的節(jié)能效益，從而為該系統(tǒng)是否適宜在嚴(yán)寒地區(qū)推廣提供依據(jù).本示范工程太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)初投資增量為46萬(wàn)元，電價(jià)按0.525元/kWh考慮.

3.1系統(tǒng)的年節(jié)能量計(jì)算

3.1.1太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的有用得熱量

式中△Qa—采暖季節(jié)天陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用得熱量，MJ；

Ac—太陽(yáng)能集熱器采光面積，291.03㎡；

JTi—當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系奶?yáng)總輻射年平均日輻照量，16.127MJ/(m2·d)；

ηcd—基于采光面積的集熱器平均集熱效率，50.5%；

ηL—管道及貯熱裝置熱損失效率，10%.

3.1.2系統(tǒng)的年節(jié)能量

本項(xiàng)目采用電作為常規(guī)供熱熱源，將本項(xiàng)目的節(jié)能量折算到一次能源的節(jié)能量為：

式中△Qs——太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的節(jié)能量，MJ；

ηds——輔助熱源系統(tǒng)的工作效率，0.95；

Ce——系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)年我國(guó)單位供電煤耗，349g/kWh.

3.2系統(tǒng)的年節(jié)能費(fèi)用

3.2.1太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的節(jié)能費(fèi)用

式中Cs—太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)節(jié)能費(fèi)用，元；

Cs'—輔助能源的價(jià)格，0.142元/MJ.

3.2.2太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的總節(jié)省費(fèi)用

式中d—五年以上銀行貸款利率5.94%（2008年執(zhí)行）

e—年燃料價(jià)格上漲率，按1%考慮；

n—分析節(jié)省費(fèi)用的年限，取15年.

則15年內(nèi)節(jié)省燃料費(fèi)用SAV

式中SAV—系統(tǒng)壽命周期內(nèi)總節(jié)省費(fèi)用，元

PI—折現(xiàn)系數(shù)；

A—太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)總增投資，46萬(wàn)元

DJ—維修費(fèi)用（用于集熱器部件維護(hù)、管路保溫等）占總投資的百分率，一般取1%.

4　系統(tǒng)環(huán)保效益分析

我國(guó)目前集中供熱方式主要以燃煤為主，燃煤的主要污染物是煙塵、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳，其中煙塵會(huì)危害人和動(dòng)物的健康；二氧化硫會(huì)形成酸雨，危害土壤和農(nóng)作物；氮氧化物會(huì)造成在紫外線照射下會(huì)形成光化學(xué)煙霧；二氧化碳為溫室氣體，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，會(huì)引起全球變暖.

土壤源熱泵-太陽(yáng)能供能系統(tǒng)與電能相比，污染物排放量大大減少.目前所有污染物減排量的計(jì)算方法是系統(tǒng)壽命期內(nèi)的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量，然后乘以相應(yīng)的排放因子.

4.1折算的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量系統(tǒng)壽命期內(nèi)的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量

4.2各種污染物排放量

4.2.1二氧化碳排放量

系統(tǒng)壽命期內(nèi)二氧化碳減排量

FCO2——碳排放因子，2.662.

4.2.2煙塵排放量

4.2.3二氧化硫排放量

4.2.4氮氧化物排放量

式中P為氮氧化物脫除率，通常按80%考慮[2].

5　結(jié)論

與電作為常規(guī)供熱熱源作比較分析，嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供能系統(tǒng)中僅太陽(yáng)能部分的節(jié)能量折算到一次能源為2328648MJ，在15年工作壽命期內(nèi)可節(jié)省燃料費(fèi)用291.5萬(wàn)元.太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)因節(jié)省常規(guī)能源而減少的二氧化碳排放量為3172.62噸，煙塵排放量為11.92噸，二氧化硫排放量23.84噸，氮氧化物排放量為1.73噸，可見，可再生能源太陽(yáng)能在嚴(yán)寒地區(qū)具有很高的節(jié)能和環(huán)保效益.

〔1〕王楊洋，陶進(jìn).地源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑中的設(shè)計(jì)分析[J].山西建筑，2015，35（12）：147.

〔2〕鄭瑞澄，路賓，李忠，何濤.太陽(yáng)能供熱采暖工程應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

TU995

A

1673-260X（2016）09-0048-02

2016-05-19

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（吉教科合字［2015］第576號(hào)）