多能互補(bǔ)分散式供熱的系統(tǒng)設(shè)計探究

張霞

摘要：經(jīng)濟(jì)和環(huán)境一體化的推動下，采用清潔環(huán)保的可再生能源提供采暖和生活熱水成為目前城市可持續(xù)發(fā)展的一大戰(zhàn)略。本文在多能互補(bǔ)分散式供熱系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，提出一種多能互補(bǔ)的供熱采暖系統(tǒng)，并以實例對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng);分散式供熱;綜合能效;系統(tǒng)優(yōu)化

一、系統(tǒng)原理

多能互補(bǔ)分散式供熱系統(tǒng)由太陽能集熱單元、空氣源熱泵單元、燃?xì)獠膳療崴疇t單元和水箱儲熱單元等組成。系統(tǒng)運行原理如圖1所示：

通過太陽能集熱器吸收太陽輻射，使得太陽能循環(huán)工質(zhì)溫度升高，通過太陽能工質(zhì)循環(huán)泵將高溫工質(zhì)循環(huán)到水箱，給水箱加熱;空氣源熱泵中，低溫低壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸收熱量，變成低溫低壓氣體后進(jìn)入壓縮機(jī)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，高溫高壓氣體經(jīng)過冷凝器與水箱換熱，加熱水箱后冷凝，再經(jīng)過膨脹閥變成低溫低壓蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器，循環(huán)運行;生活熱水系統(tǒng)自來水直接進(jìn)入水箱，從水箱中取熱，采暖水循環(huán)系統(tǒng)通過水箱上盤管間接從水箱中取熱，當(dāng)生活熱水和采暖出水溫度不滿足要求時，直接進(jìn)入燃?xì)獠膳療崴疇t中進(jìn)行二次加熱。

二、多能互補(bǔ)分散式供熱系統(tǒng)運行控制

2.1太陽能集熱單元運行控制

在太陽能集熱單元控制面板上設(shè)置太陽能循環(huán)水泵的啟停溫度。當(dāng)太陽能循環(huán)高溫工質(zhì)溫度與水箱溫度的差值大于4℃時，太陽能循環(huán)泵自動開啟，加熱水箱;當(dāng)兩者溫差小于2℃時，太陽能循環(huán)泵自動關(guān)閉，避免工質(zhì)循壞帶走水箱熱量。

2.2空氣源熱泵單元運行控制

在空氣源熱泵單元控制面板上設(shè)置水箱出水溫度，當(dāng)水箱溫度大于設(shè)置溫度時，空氣源熱泵關(guān)閉，停止加熱水箱;當(dāng)水箱水溫小于設(shè)置溫度5℃時，空氣源熱泵打開，開始加熱水箱。

2.3燃?xì)獠膳療崴疇t單元運行控制

在燃?xì)獠膳療崴疇t單元控制面板上設(shè)置采暖出水溫度和熱水出水溫度。當(dāng)水箱生活熱水出水溫度小于設(shè)置熱水溫度時，打開閥門使水箱出水進(jìn)入燃?xì)獠膳療崴疇t生活熱水路進(jìn)行二次加熱;當(dāng)水箱生活熱水出水溫度不小于設(shè)置熱水溫度時，水箱出水則直接進(jìn)入生活熱水供水管路。當(dāng)水箱采暖換熱盤管中采暖出水溫度小于設(shè)置采暖溫度時，打開閥門使采暖出水進(jìn)入燃?xì)獠膳療崴疇t采暖路進(jìn)行二次加熱;當(dāng)水箱采暖換熱盤管中采暖出水溫度不小于設(shè)置采暖溫度時，盤管采暖出水則直接進(jìn)入采暖供水管路。

三、案例分析

3.1工程概況

本項目為我國珠三角某市的一個居民小區(qū)單元，該住宅總建筑面積為105.16m2，居住人數(shù)為3人。維護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻是加氣混凝土保溫外墻，冬季傳熱系數(shù)為0.44W/m2·K，樓面是鋼筋混凝土地面，地板為非包圍地面，外窗采用PVC框+Low-E玻璃，尺寸為1.8×1.5m，傳熱系數(shù)為2.4W/m2·K，外門為單層節(jié)能門，尺寸為1.8×2.5m，傳熱系數(shù)為3.02W/m2·K，層高3m。該地區(qū)在氣候分區(qū)中屬于夏熱地區(qū)，在太陽能分區(qū)中屬于較豐富地區(qū)，因此三種熱源設(shè)備均可以采用。住宅建筑冬季室內(nèi)設(shè)計計算溫度為20℃，該地區(qū)冬季生活熱水自來水溫度取20℃。

3.2 設(shè)計過程

本項目位于珠三角地區(qū)，氣候分區(qū)中屬于夏熱冬暖地區(qū)，空氣源熱泵熱水器冬季效率較高但尚可使用;根據(jù)我國的太陽能資源分布可以知道，該地區(qū)屬于資源較豐富區(qū)，水平面上年太陽輻照量在4200～5400MJ/（m2·a），太陽能資源良好，適宜采用太陽能集熱器。生活熱水負(fù)荷最大負(fù)荷為2.79kW，采暖季日平均采暖負(fù)荷為2.80kW。則根據(jù)公式 ～式 可知，太陽能集熱器面積范圍為：0≤A≤13.3m2。根據(jù)式 ～式 可知，空氣源熱泵熱水器制熱量范圍為：0≤Qh≤5.59kW。 ?根據(jù)公式 可知，燃?xì)獠膳療崴疇t制熱量范圍為：0≤Qh≤5.59kW。根據(jù)公式 可知，雙盤管儲熱水箱容積范圍為：0<V≤1330L。本文設(shè)備太陽能集熱器規(guī)格為2m2，單價為800元/塊;空氣源熱泵熱水器可選規(guī)格為3.5kW、5.2kW，價格分別為4000元、5000元;燃?xì)獠膳療崴疇t最小規(guī)格即為18kW，可滿足需求，價格為6000元;雙盤管儲熱水箱可選范圍為200L、300L，價格為1000元、1500元。由于水箱容積可選200L和300L，由公式 可知太陽能集熱器面積最大為6m2，當(dāng)面積為6m2時，水箱容積為300L。正交設(shè)計確定組合形式由正交設(shè)計思路可知，應(yīng)首先確定影響因素及其因素水平，然后根據(jù)因素水平選擇合適的正交表。

3.3設(shè)計結(jié)果分析和結(jié)論

將不同組合形式代入第二章數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)系統(tǒng)運行控制策略進(jìn)行模擬計算，以一年為周期，得到該系統(tǒng)運行一年的運行費用。

組合1：太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統(tǒng)初投資為13900元。計算得該系統(tǒng)運行一年太陽能集熱單元提供熱量10894.62MJ，消耗電量198.1kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量10329.24MJ，耗電量為748.8kW·h，燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量4396.82MJ，耗氣量為143.687m3，則統(tǒng)年運行費用為766元，費用年值為2047元，系統(tǒng)全年綜合能效比為1.62。

組合2：太陽能集熱器面積為2m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統(tǒng)初投資為11800元。計算得該系統(tǒng)運行一年太陽能集熱單元提供熱量3683.09MJ，消耗電量66.9kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量14245.16MJ，耗電量為1093.1kW·h，燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量4524.04MJ，耗氣量為147.844m3，則系統(tǒng)年運行費用為1002元，費用年值為2089元，系統(tǒng)全年綜合能效比為1.30。

組合3：太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量5.2kW，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統(tǒng)初投資為14900元。計算得該系統(tǒng)運行一年太陽能集熱單元提供熱量10704.62MJ，消耗電量194.7kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量12458.59MJ，耗電量為920.9kW·h，燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量3233.55MJ，耗氣量為105.673m3，則系統(tǒng)年運行費用為743元，費用年值為2116元，系統(tǒng)全年綜合能效比為1.73。

組合4：不采用太陽能集熱器和空氣源熱泵，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統(tǒng)初投資為7000元。計算得該系統(tǒng)運行一年燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量24829.81MJ，耗氣量為811.432m3，則系統(tǒng)年運行費用為1785元，費用年值為2430元，系統(tǒng)全年綜合能效比為0.85。

組合5：太陽能集熱器面積為4m2，不采用空氣源熱泵，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統(tǒng)初投資為9100元。計算得該系統(tǒng)運行一年太陽能集熱單元提供熱量9892.09MJ，消耗電量179.9kW·h，燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量14937.71MJ，耗氣量為488.16m3，則系統(tǒng)年運行費用為1164元，費用年值為2000元，系統(tǒng)全年綜合能效比為1.28。

組合6：不采用太陽能集熱器，空氣源熱泵制熱量5.2kW，燃?xì)獠膳療崴疇t18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統(tǒng)初投資為12000元。計算得該系統(tǒng)運行一年空氣源熱泵熱水器提供熱量21336.87MJ，耗電量為1769.18kW·h，燃?xì)獠膳療崴疇t提供熱量1657.36MJ，耗氣量為54.162m3，則系統(tǒng)年運行費用為1084元，費用年值為2190元，系統(tǒng)全年綜合能效比為1.14。

根據(jù)計算結(jié)果可知，通過表1分析，以費用年值最低為目標(biāo)函數(shù)，則組合1為最優(yōu)方案，即太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃?xì)獠膳療崴疇t為18kW，雙盤管儲熱水箱為300L，此系統(tǒng)費用年值為2047元/年，綜合能效系數(shù)為1.62;以綜合能效系數(shù)最高為目標(biāo)函數(shù)，則組合3為最優(yōu)方案，即太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為5.2kW，燃?xì)獠膳療崴疇t為18kW，雙盤管儲熱水箱為300L，此系統(tǒng)綜合能效系數(shù)為1.73，計算費用年值為2116元/年。

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（作者單位：珠海格力電器股份有限公司）