基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)性能分析

孟 欣，馮 榮

(陜西理工大學(xué)陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，漢中 723001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提升，冬季供暖的能源消耗及環(huán)境污染問題已越來越受到關(guān)注。我國目前仍沿用秦嶺淮河一線作為集中供暖區(qū)與非集中供暖區(qū)的劃分，但處于長江沿線的廣大區(qū)域因冬季空氣濕冷，其要求供暖的呼聲越來越高。雖然該區(qū)域中的部分小區(qū)已實(shí)現(xiàn)小區(qū)化集中供暖，但更多住宅采用的是自供暖的方式，如采用燃?xì)獗趻鞝t、空氣源熱泵等。傳統(tǒng)空氣源熱泵存在能耗高的缺點(diǎn)，但若將免費(fèi)的太陽能與傳統(tǒng)空氣源熱泵相結(jié)合為住宅供暖及提供生活熱水，既能擴(kuò)大清潔的可再生能源的應(yīng)用范圍，還可以降低由供暖帶來的污染。目前國內(nèi)外學(xué)者也對太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的工作性能[1-3]、能效及經(jīng)濟(jì)評價(jià)[4-9]、部件匹配[10-12]等方面進(jìn)行了大量的分析研究。

陜西省漢中市地處秦嶺以南，屬于政策上的非集中供暖區(qū)域，但漢中市冬季氣候濕冷，平均溫度較低，因此大部分居民采用燃?xì)獗趻鞝t或空氣源熱泵進(jìn)行冬季供暖。本文以漢中地區(qū)的住宅為例，分別采用傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)和基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)為用戶冬季供暖及提供全年生活熱水，并使用POLYSUN軟件分別對2種系統(tǒng)方案的全年運(yùn)行工況進(jìn)行模擬和對比分析。

1 2種系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

方案Ⅰ采用傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由空氣源熱泵、蓄熱水箱、生活熱水端及供熱末端組成。

圖1 傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional air source heat pump system

方案Ⅱ?yàn)榛谔柲苎a(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)，其系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)空氣源熱泵的基礎(chǔ)上添加1套太陽能集熱器，為供暖及生活熱水提供額外補(bǔ)償。在方案Ⅱ的設(shè)計(jì)中，基于安全優(yōu)先的考慮，太陽能集熱系統(tǒng)及生活熱水系統(tǒng)均采用間接換熱方式，其中，太陽能集熱循環(huán)內(nèi)的導(dǎo)熱流體為丙烯混合溶液。

圖2 基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of air source heat pump system with solar compensation

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1.1 建筑概況

以陜西省漢中市 (107.03°E，33.13°N)為例，該市的海拔為579 m，屬于我國太陽能資源Ⅲ類地區(qū)[13]?，F(xiàn)以一棟可容4人居住、面積為149.8 m2的2層建筑為例，末端采用地輻熱供熱形式，設(shè)計(jì)供暖供水溫度為40 ℃，供暖回流溫度為35 ℃，每天的供暖負(fù)荷為60 W/m2，冬季房間晚上溫度為19 ℃；生活熱水供水溫度為50 ℃。

1.1.2 建筑熱負(fù)荷計(jì)算

建筑熱負(fù)荷主要由生活熱水負(fù)荷和建筑供暖負(fù)荷2部分組成。

1)生活熱水負(fù)荷。1天的生活熱水負(fù)荷Qd可由式(1)計(jì)算：

式中，c為50 ℃水的比熱容，kJ/(kg·℃)，取4.178；q為熱水用水定額，L/(人·天)，根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]規(guī)定，50 ℃水溫時(shí)每天人均生活熱水定額在49～98 L/(人·天)，此處取70；ρ為50 ℃時(shí)水的密度，kg/m3，此處取988.1；tr為生活熱水的熱水溫度，℃，此處取50；tl為生活熱水的冷水溫度，℃，此處取5；m為用水人數(shù)，此處取4。

經(jīng)計(jì)算，1天的生活熱水負(fù)荷Qd=0.61 kW。

2)建筑供暖負(fù)荷。根據(jù)供暖設(shè)計(jì)指標(biāo)，建筑每天單位面積供暖負(fù)荷為60 W，建筑面積為149.8 m2，因此1天的建筑供暖負(fù)荷Q建筑為8.988 kW。

3)1天的建筑熱負(fù)荷QH為9.598 kW。

1.2 設(shè)備選型

作為案例的建筑物是以地輻熱供暖方式為基礎(chǔ)，在確定建筑熱負(fù)荷的前提下，對方案Ⅰ和方案Ⅱ進(jìn)行設(shè)備選型。

1.2.1空氣源熱泵選型

考慮到太陽能集熱系統(tǒng)受天氣及環(huán)境因素的影響，存在無熱量補(bǔ)償?shù)臉O端情況，因此，2種方案中的空氣源熱泵均選用某公司10 kW帶內(nèi)置泵的空氣源熱泵，該空氣源熱泵額定制熱量為10 kW，輸入功率為3.3 kW，流量為1.3 L/h。

1.2.2太陽能集熱器的選擇

考慮到漢中地區(qū)近年來出現(xiàn)過-10 ℃的極端天氣，因此，方案Ⅱ中的太陽能集熱系統(tǒng)采用間接方式利用板式換熱器向系統(tǒng)供熱(下文簡稱“間接系統(tǒng)”)；太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)中的導(dǎo)熱流體選取丙烯濃度為33.3%的混合溶液。該系統(tǒng)集熱器的面積AIN可由式(2)計(jì)算得到：

式中，Ahx為間接系統(tǒng)的板式換熱器換熱面積，m2；UL為集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·℃ )；Uhx為間接系統(tǒng)板式換熱器的熱損失系數(shù)，W/( m2·℃)；AC為太陽能集熱系統(tǒng)直接向系統(tǒng)供熱時(shí)集熱器的總面積，m2。

其中，AC可由式(3)求得：

式中，JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系娜站栞椛淞?，J/m2，此處取 7.3×106；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，此處取80%；ηL為管路及儲(chǔ)熱裝置熱損失率，此處取20%；f為太陽能保證率，Ⅲ類太陽能資源區(qū)一般選0.4～0.5，此處選取0.4。

由上述公式計(jì)算可知，當(dāng)用戶供暖及生活熱水所需熱量全部由太陽能供給時(shí)，AC為71 m2。由于方案Ⅱ采用間接式太陽能集熱系統(tǒng)，其所需太陽能集熱器面積AIN將超過71 m2?？紤]到非供暖季，太陽能集熱系統(tǒng)僅為用戶提供生活熱水熱量，面積過大容易造成資源浪費(fèi)，會(huì)加大系統(tǒng)的總投資；同時(shí)，方案Ⅰ和方案Ⅱ均配有可滿足建筑物熱水需求和供暖需求的空氣源熱泵，因此，方案Ⅱ在選擇太陽能集熱器面積時(shí)，以房屋樓頂面積為主要參考對象。最終選取了某公司品牌集熱器7塊，單塊的長、寬分別為2 m、1 m，總面積為14 m2，單位面積流量為15 L/(h·m2)，安裝傾角為45°。

1.2.3 蓄熱水箱的選擇

作為2種系統(tǒng)方案中的必備設(shè)施，蓄熱水箱既能起到熱水儲(chǔ)存的作用，也可以用作系統(tǒng)緩沖。2種方案均選擇了容量為600 L、高度為1.7 m的帶電加熱水箱的蓄熱水箱，采用硬聚氨酯泡沫作為保溫層。

2 2種系統(tǒng)方案的建模與分析

2.1 2種系統(tǒng)方案的建模

本文采用瑞士國際太陽能測試中心研發(fā)的太陽能系統(tǒng)模擬軟件POLYSUN，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，分別對2種系統(tǒng)方案進(jìn)行建模。圖3為傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)，圖4為基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)。

圖3 傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)Fig.3 Traditional air source heat pump system

2.2 模擬結(jié)果分析

選用軟件庫中漢中地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，利用POLYSUN軟件對2種系統(tǒng)方案的全年運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.2.1 能耗對比分析

1)系統(tǒng)年能耗對比分析。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為滿足用戶供暖需求及全年的熱水供給，方案Ⅰ的輸入能源全部是電能。方案Ⅱ的輸入能源由太陽能集熱器的熱能及電能構(gòu)成，其中，太陽能的熱能在夏季可作為熱水系統(tǒng)的主要能量來源，冬季根據(jù)環(huán)境情況分別為供暖和生活熱水提供輔助能源。采用POLYSUN軟件對2種系統(tǒng)方案的全年運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，方案Ⅱ全年總能耗略高于方案Ⅰ，這主要是因?yàn)樘柲芗療嵫h(huán)回路及板式換熱器與儲(chǔ)熱水箱回路間因增加水泵而造成電能能耗增大。但綜合全年的運(yùn)行情況來看，在1個(gè)自然年內(nèi)，方案Ⅱ比方案Ⅰ總耗電量減少了1138.3 kWh。而方案Ⅱ在增加太陽能集熱系統(tǒng)后所產(chǎn)出熱量為5299 kWh，并未被全部消耗，出現(xiàn)了非供暖季能量過剩的現(xiàn)象，這也造成了太陽能能量的浪費(fèi)。

圖4 基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)Fig.4 Air source heat pump system with solar compensation

表1 方案I和方案II的年能耗模擬Talbe 1 Annual energy consumption simulation for scheme I and scheme II

2)系統(tǒng)能量分布分析。在方案Ⅱ的模擬過程中，根據(jù)漢中地區(qū)的天氣環(huán)境參數(shù)，分別對全年各時(shí)間段太陽能集熱器出口溫度、太陽能年地面輻射總量、太陽能循環(huán)回路流量進(jìn)行模擬，如圖5所示。同時(shí)，模擬得出太陽能集熱器全年的能量供給，如圖6所示。

圖7為方案Ⅱ與方案I的全年耗電量對比圖，圖8為方案Ⅱ相較于方案Ⅰ，各月的節(jié)能率分析。

圖5 2015年1月1日～12月30日太陽能集熱系統(tǒng)模擬值Fig.5 Simulation annual parameter values of solar heat collection system from 2015-01-01 to 2015-12-30

圖6 太陽能集熱器全年能量供給Fig.6 Solar collectors provide year-round energy

圖7 方案II與方案I的全年耗電量對比Fig.7 Comparison of annual power consumption between plan II and plan I

圖8 方案II相較于方案I，各月的節(jié)能率情況Fig.8 Analysis of monthly energy savings of plan II over plan I

與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約電能1138.3 kWh，年均節(jié)能率達(dá)49.4%。每年的4～10月為非供暖季，此時(shí)方案Ⅱ中的空氣源熱泵只需在太陽能集熱器無法維持生活熱水供應(yīng)的情況下才啟動(dòng)，因此系統(tǒng)具有較低的電能能耗；而在該時(shí)段內(nèi)，電能仍然是方案Ⅰ供應(yīng)生活熱水的唯一能源，這也是造成在非供暖季2種系統(tǒng)方案耗電量差異巨大的原因。通過對模擬數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在非供暖季，相較于方案Ⅰ，方案Ⅱ的節(jié)能率平均值超過了90%。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2種系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)使用壽命均為20年。通過對比發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)壽命期內(nèi)，方案Ⅱ比方案Ⅰ節(jié)約電能22766 kWh；參照2019年漢中市城鎮(zhèn)居民用電電價(jià)0.49元/kWh計(jì)算，方案Ⅱ合計(jì)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用11155.34元，節(jié)約率達(dá)16.4%。若采用集中供暖模式，供暖期按4個(gè)月計(jì)算，按照陜西省集中供暖月收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)5.8元/m2計(jì)算，20年需繳納供暖費(fèi)共計(jì)69507.2元。若采用方案Ⅱ自供暖則系統(tǒng)在壽命期內(nèi)共節(jié)省采暖費(fèi)用58100.98元。

3 結(jié)論

本文基于安全使用的原則，設(shè)計(jì)了基于太陽能補(bǔ)償?shù)目諝庠礋岜孟到y(tǒng)，采用丙烯混合溶液作為間接式太陽能集熱系統(tǒng)導(dǎo)熱流體，以板式換熱器為供暖熱水提供能量補(bǔ)償，并采用POLYSUN軟件對該系統(tǒng)方案和傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)方案的全年運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬和對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)在引入太陽能為傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)提供熱量補(bǔ)償后，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約電能1138.3 kWh，年均節(jié)能率達(dá)到49.4%；在使用壽命期限內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用可減少11155.34元，具有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

2)太陽能循環(huán)系統(tǒng)在方案Ⅱ中主要用于夏季熱水和冬季供暖熱補(bǔ)償，但由于夏季時(shí)僅需要供應(yīng)生活熱水，因此會(huì)出現(xiàn)太陽能過剩的問題，這會(huì)造成能源的浪費(fèi)；另外，空氣源熱泵還可在夏季做制冷空調(diào)使用，增大其利用率。

3)方案Ⅱ是基于熱水安全性的原則考慮，將太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)與生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為間接式系統(tǒng)。若在保溫工藝良好的情況下，可以選擇直接式太陽能集熱系統(tǒng)和減少板式換熱器的設(shè)置，以便進(jìn)一步降低系統(tǒng)的初投資。