太陽(yáng)能豐富的寒冷地區(qū)三種清潔能源供暖的適用性分析

邱國(guó)棟，宇世鵬，聶麗君

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在我國(guó)“十三五”期間，國(guó)家能源局指出要實(shí)施能源規(guī)劃編制，推進(jìn)能源清潔高效利用，推動(dòng)形成有效競(jìng)爭(zhēng)的能源市場(chǎng)機(jī)制[1].多地政府也相繼出臺(tái)“煤改電”相關(guān)工作文件，改善能源結(jié)構(gòu)，大力支持清潔能源供暖.

空氣源熱泵供暖和太陽(yáng)能熱水供暖都是比較清潔的供暖方案，但并不適合所有地區(qū)[2].空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，存在低溫制熱性能差，制熱效率低的問(wèn)題[3]；太陽(yáng)能是現(xiàn)階段熱門(mén)新能源，太陽(yáng)能分布廣泛但不穩(wěn)定，能流密度低[4].隨著室外溫度的降低，太陽(yáng)能集熱器的集熱溫差增加，其集熱效率逐漸下降，給利用太陽(yáng)能進(jìn)行供暖帶來(lái)困難[5].為了彌補(bǔ)太陽(yáng)能的不足，多熱源結(jié)合成為一個(gè)有效的手段，進(jìn)而出現(xiàn)太陽(yáng)能組合形式.胡鵬飛[6]等將地?zé)崤c太陽(yáng)能結(jié)合，吳曉寒[7]考慮了地源熱泵和太陽(yáng)能的結(jié)合.現(xiàn)階段對(duì)太陽(yáng)能和空氣源熱泵探索較多.李智[8]等初步從性能角度對(duì)太陽(yáng)能和空氣源熱泵結(jié)合進(jìn)行分析.Buker[9]等分析了小溫差下太陽(yáng)能熱泵供暖的優(yōu)勢(shì).Li[10]等采用聯(lián)合太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)與季節(jié)能量存儲(chǔ)相結(jié)合的方法顯著的提升了系統(tǒng)COP.Poppi[11]等研究不同邊界條件下的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)對(duì)電力需求的變化.Chargui[12]等利用TRNSYS軟件對(duì)太陽(yáng)能輔助熱泵在住宅中進(jìn)行模擬分析，通過(guò)改變水箱出水溫度來(lái)尋求最佳COP.Tzivanidis[13]等通過(guò)TRNSYS軟件對(duì)雅典不同工況下太陽(yáng)能輔助熱泵、空氣源熱泵和太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的能耗、制熱量和COP進(jìn)行模擬，并通過(guò)比較所有投資項(xiàng)目的凈現(xiàn)值(NPV)，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，結(jié)果表明空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性最好，主要原因是雅典的冬季室外溫度最低才3 ℃，空氣源熱泵的COP較高.然而對(duì)于冬季室外溫度較低且太陽(yáng)能較豐富的地區(qū)，如我國(guó)的蘭州市，空氣源熱泵的COP相對(duì)于文獻(xiàn)[13]將顯著下降，空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性是否還優(yōu)于太陽(yáng)能供暖或二者的組合還不得而知.

本文針對(duì)蘭州市某典型住宅，基于TRNSYS軟件對(duì)太陽(yáng)能、單一空氣源熱泵和太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵三種供暖方案的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬研究，并通過(guò)NPV法[14]來(lái)分析其經(jīng)濟(jì)性，為太陽(yáng)能較豐富的寒冷地區(qū)的清潔能源供暖工程提供支持.

1 建筑模型和模擬方法

選擇蘭州市某典型農(nóng)宅作為本文的建筑模型，包括三個(gè)房間，客廳在中間，兩側(cè)為臥室，供暖面積為80 m2，長(zhǎng)為10 m，寬為8 m，層高為3 m.設(shè)室內(nèi)供暖溫度為22 ℃，供暖季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4 434 W，最大供暖熱負(fù)荷為5 497 W.蘭州地區(qū)太陽(yáng)能資源屬于Ⅱ區(qū)，根據(jù)《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[15]推薦太陽(yáng)能保證率f在30%～50%.蘭州地區(qū)年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 543 h，水平面上年平均太陽(yáng)輻射量為5 314 MJ/m2，1月份的水平日輻照量為7.5 MJ/m2.

太陽(yáng)能保證率的計(jì)算公式為

(1)

式中：Qsolar為集熱器表面接受到的太陽(yáng)輻射熱量，kW·h；Qheat為總加熱量，kW·h.

給出太陽(yáng)能集熱器效率的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中：η1為集熱器平均效率；η2為集熱器逐時(shí)效率；Qu為有效加熱量，kW·h；Qsolar為集熱器表面接受到的太陽(yáng)輻射熱量，kW·h；a0為集熱器效率截距；a1為集熱器效率斜率；a2為集熱器效率曲率；R為太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度，W/m2；Tin為集熱器進(jìn)口水溫， ℃；Tamb為環(huán)境溫度， ℃.

熱泵性能系數(shù)(COP) 計(jì)算公式為

(4)

式中：Pel為耗電量，kW·h.

采用凈現(xiàn)值的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為

(5)

式中：(CI-CO)t為第t年的凈現(xiàn)金流量；ic為給定的折現(xiàn)率，即基準(zhǔn)收益率；n為方案的計(jì)算期，一般為項(xiàng)目的壽命周期.

在TRNSYS軟件中對(duì)三種供暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬，時(shí)間步長(zhǎng)選取為6分鐘(=0.1 h).在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證1月份的供暖要求，即可保證整個(gè)供暖季的熱舒適性.在太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中應(yīng)用靈敏度分析法結(jié)合太陽(yáng)能保證率和集熱器平均效率來(lái)確定集熱器面積和蓄熱水箱的容積.

圖1 空氣源熱泵的COP隨輸入功率的變化

2 系統(tǒng)描述

常規(guī)計(jì)算一般是先在確定一個(gè)合理的太陽(yáng)能保證率，然后通過(guò)太陽(yáng)能保證率反推出集熱器面積等關(guān)鍵性設(shè)備，此種方法對(duì)于經(jīng)濟(jì)性分析十分不友好.因此本文考慮到各系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的選型對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，從而利用靈敏度分析結(jié)合太陽(yáng)能保證率推薦范圍、太陽(yáng)能集熱器效率和初投資等來(lái)確定關(guān)鍵設(shè)備的選型.為了便于比較，不同系統(tǒng)中的相同部件用同種型號(hào)，并保證不同系統(tǒng)的供暖溫度在整個(gè)供暖季的平均值基本相等，以消除室內(nèi)舒適性對(duì)分析結(jié)果的影響.

2.1 單一空氣源熱泵供熱系統(tǒng)

本文使用Trnsys模擬得到在5 kW輔熱的條件下，平均COP隨熱泵輸入功率的變化，如圖1所示.存在最優(yōu)輸入功率為2.1 kW的柜式熱泵使平均COP最大，加裝5 kW輔助電加熱，當(dāng)室內(nèi)溫度低于21 ℃時(shí)開(kāi)啟輔熱.

2.2 太陽(yáng)能熱水風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)

采用常見(jiàn)的太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)其末端形式為風(fēng)機(jī)盤(pán)管，在蓄熱水箱后匹配一個(gè)5 kW輔助電加熱器，用于太陽(yáng)能不足時(shí)維持蓄熱水箱溫度.輔助電加熱將蓄熱水箱溫度控制在45 ℃左右，上下浮動(dòng)5 ℃.為防止吹冷風(fēng)感，室內(nèi)出風(fēng)溫度設(shè)置為40 ℃.本文使用Trnsys模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)集熱器的傾角取為56°時(shí)，集熱器單位面積收集的熱量最多，故集熱器傾角確定為56°，如圖2所示.

如圖3所示，隨著太陽(yáng)能集熱器面積和蓄熱水箱的增大，太陽(yáng)能保證率逐漸增加；但是當(dāng)集熱面積和水箱容積達(dá)到一定值以后，太陽(yáng)能保證率增加幅度較小.《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》給出的蘭州地區(qū)太陽(yáng)能保證率f的推薦值在30%～50%.在該范圍內(nèi)，根據(jù)圖3的曲線走勢(shì)以及考慮到系統(tǒng)初投資，最終確定蓄熱水箱容積V為3 m3，集熱器面積Acol為40 m2.系統(tǒng)其它參數(shù)，如表1所示.

表1 太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)參數(shù)

2.3 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

該系統(tǒng)由單一空氣源熱泵產(chǎn)生的熱空氣和太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管產(chǎn)生的熱空氣混合送入室內(nèi)為建筑物供暖，如圖4所示.優(yōu)先使用太陽(yáng)能供暖，當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)啟動(dòng)空氣源熱泵，最大程度的減少電能的消耗，提高系統(tǒng)COP.該系統(tǒng)集熱面積和水箱容積的確定方法與太陽(yáng)能熱水風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)類(lèi)似，如圖5所示.最終采用18 m2的平板集熱器和2 m3的蓄熱水箱，空氣源熱泵的輸入功率為2.1 kW匹配5 kW的輔助電加熱.該系統(tǒng)其它相關(guān)參數(shù)，如表2所示.

圖4 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖5 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率隨集熱面積和蓄熱水箱容積的變化

當(dāng)室內(nèi)溫度高于22 ℃時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤(pán)管的循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)，富余的太陽(yáng)能存儲(chǔ)到蓄熱水箱中；當(dāng)室內(nèi)溫度低于21 ℃時(shí)表明太陽(yáng)能不足，此時(shí)開(kāi)啟空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)室內(nèi)溫度低于20.5 ℃時(shí)表明太陽(yáng)能加空氣源熱泵的供熱量仍不足，此時(shí)開(kāi)啟輔助電加熱.輔助電加熱將蓄熱水箱的溫度控制為45 ℃左右，向下浮動(dòng)溫度同樣為5 ℃.

表2 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)參數(shù)

3 性能和經(jīng)濟(jì)性比較

整個(gè)供暖季三種系統(tǒng)的室內(nèi)溫度都集中在21 ℃～23 ℃，單一空氣源熱泵、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵三種系統(tǒng)的室內(nèi)溫度季節(jié)平均值分別為21.85 ℃、22 ℃和21.75 ℃.三者基本相同，滿足三種系統(tǒng)進(jìn)行性能和經(jīng)濟(jì)性比較的前提條件.

3.1 系統(tǒng)性能比較

如表3和表4所示三個(gè)系統(tǒng)在整個(gè)供暖季和1月份運(yùn)行情況.各系統(tǒng)總制熱量相差不多，這是性能比較的基礎(chǔ).從整個(gè)供暖季來(lái)看，系統(tǒng)COP最高的是太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)(COP=2.74)，其次是單一空氣源熱泵(COP=2.11)，最低的是太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)(COP=1.90).太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的太陽(yáng)能保證率為52.5%，集熱器平均效率為33.2%，而在1月份這兩個(gè)數(shù)值分別為39.4%和34.8%.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，集熱器效率要高于太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)，這是因?yàn)榍罢叩奶?yáng)能集熱器所承擔(dān)的熱負(fù)荷較小，其進(jìn)口平均水溫相對(duì)較低有利于提高集熱效率，后者的太陽(yáng)能集熱器承擔(dān)較大熱負(fù)荷，需要更高的水溫才能滿足要求；太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵的太陽(yáng)能保證率為38.6%，低于太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)(52.5%).從熱泵耗電和輔熱耗電來(lái)看，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵優(yōu)于單一空氣源熱泵，這是因?yàn)椴捎锰?yáng)能作為輔助熱源，減少了熱泵和輔熱開(kāi)啟的時(shí)間，降低了能耗，提升了系統(tǒng)COP.在額外耗電方面(包含泵、風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)耗電)，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵略大于太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，但是額外耗電占總能耗比例較小.從總能耗來(lái)看，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的總能耗最低，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)次之，太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖系統(tǒng)最高，體現(xiàn)出太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵在運(yùn)行上的優(yōu)勢(shì).

表3 各系統(tǒng)供暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4 各系統(tǒng)1月份運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖6 各系統(tǒng)的NPV值隨使用年限的變化

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)采用所有投資的凈現(xiàn)值(NPV)來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，經(jīng)濟(jì)性分析主要包括初投資和運(yùn)行費(fèi)用.系統(tǒng)初投資如表5所示，各系統(tǒng)使用壽命按20年計(jì)算，系統(tǒng)折現(xiàn)率取5%，集熱器投資包含集熱器、閥門(mén)、管路、支架、安裝等費(fèi)用折合為500元/m2，根據(jù)當(dāng)?shù)卣邔?duì)于采用清潔能源供暖系統(tǒng)實(shí)行分時(shí)價(jià)格政策，低谷時(shí)段延長(zhǎng)2小時(shí)，為每日22：00至次日8：00，用電價(jià)格在對(duì)應(yīng)居民生活用電平段目錄電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上降低0.20元/kW·h，其它時(shí)段為每日8：00至22：00，用電價(jià)格在對(duì)應(yīng)居民生活用電平段目錄電價(jià)基礎(chǔ)上提高0.03元/kW，期間不再執(zhí)行居民階梯電價(jià)[16]，居民用電平段電價(jià)為0.50元/kW·h[17].三個(gè)系統(tǒng)的NPV曲線如圖6所示，單一空氣源熱泵的總投資凈現(xiàn)值始終是最小的，經(jīng)濟(jì)性是三種系統(tǒng)中最好的.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)NPV線的斜率明顯小于單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，表明前者的運(yùn)行費(fèi)用低于后者，但因前者初投資遠(yuǎn)大于后者，且民用電價(jià)較低，前者節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用在壽命期內(nèi)未能抵消其多增加的成本.對(duì)于電價(jià)較高的商業(yè)建筑而言，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵將會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)性.太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)不僅初投資最高，運(yùn)行費(fèi)也最高，主要原因是太陽(yáng)能的能流密度較低導(dǎo)致集熱器系統(tǒng)的造價(jià)較高，太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性導(dǎo)致輔助電加熱的能耗較高.對(duì)于只用于白天供暖的建筑而言，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)明顯提升.

從系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性綜合比較來(lái)看，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的初投資小，節(jié)能性較好，適用于電價(jià)較低的居住建筑.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)能性最好，但初投資偏大，適用于電力資源缺乏地區(qū)或電價(jià)較高的商用建筑.太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，初投資最大，節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性在本文的居住建筑案例中是最差的，對(duì)于只在白天使用且電價(jià)較高的商用建筑而言，其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)顯著提升，相關(guān)內(nèi)容還有待進(jìn)一步研究.

表5 各系統(tǒng)初投資

4 結(jié) 論

本文針對(duì)蘭州市某典型住宅，基于TRNSYS軟件對(duì)太陽(yáng)能、單一空氣源熱泵和太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵三種供暖方案的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬研究，并通過(guò)NPV法來(lái)分析其經(jīng)濟(jì)性，所得結(jié)論如下：

(1)從系統(tǒng)性能比較來(lái)看，各系統(tǒng)總制熱量和平均供暖溫度基本相等；太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的COP最大(2.74)，輔熱耗電最小；單一空氣源熱泵的COP居中(2.11)，輔熱耗電也居中；太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的COP最小(1.90)，輔熱耗電最大.

(2)從經(jīng)濟(jì)性比較來(lái)看，單一空氣源熱泵的總投資凈現(xiàn)值始終是最小的，經(jīng)濟(jì)性是三種系統(tǒng)中最好的.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用低于單一空氣源熱泵系統(tǒng)，但因前者初投資遠(yuǎn)大于后者，且民用電價(jià)較低，前者節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用在壽命期內(nèi)未能抵消其多增加的成本.太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)不僅初投資最高，運(yùn)行費(fèi)也最高，經(jīng)濟(jì)性最差.

(3)綜合比較來(lái)看，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的初投資小，節(jié)能性較好，適用于電價(jià)較低的居住建筑.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)能性最好，但初投資偏大，適用于電力資源缺乏地區(qū)或電價(jià)較高的商業(yè)建筑.太陽(yáng)能風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，初投資最大，節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性在本文的居住建筑案例中是最差的，對(duì)于只在白天使用且電價(jià)較高的商用建筑而言，其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)顯著提升，相關(guān)內(nèi)容還有待進(jìn)一步研究.