寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)住宅建筑單熱源供熱系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

劉吉宏， 張赫男， 魏國棟， 程遠達

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

長期以來，我國大量的煤炭消費帶來了嚴重的環(huán)境污染問題.北方城鎮(zhèn)供暖煤炭消費總量雖然不高，但煤炭燃燒產(chǎn)生的污染物仍對環(huán)境產(chǎn)生了嚴重影響，造成霧霾等惡劣天氣現(xiàn)象[1-2].因此，大力發(fā)展可再生能源的清潔供熱技術(shù)，減少北方城鎮(zhèn)供暖的煤炭消費量，是實現(xiàn)綠色發(fā)展的有效途徑之一.

常見的清潔供暖技術(shù)包括太陽能供暖、電驅(qū)動熱泵供暖等[3-5]，許多學(xué)者針對清潔供暖系統(tǒng)進行研究，張志英[6]認為最優(yōu)蓄冷率為40%，蓄冷率超過80%后投資收益較差.李松波[7]發(fā)現(xiàn)隨著鉆井深度的增加，太陽能供熱作用不斷下降，混合熱泵運行效率高于單一熱泵.尹麗媛[8]通過對比熱泵在不同季節(jié)的運行數(shù)據(jù)提供供熱系統(tǒng)的最優(yōu)運行方案.趙海國[9]發(fā)現(xiàn)相比沒有蓄能的系統(tǒng)，水蓄冷與地源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)總投資費用可降低約15%.尹雪芹等[10]發(fā)現(xiàn)Energy-bus近端網(wǎng)式系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的能源利用效率，并可提高系統(tǒng)的可靠性及安全性.Labidi等[11]通過優(yōu)化設(shè)計蓄熱水罐，改善多能源區(qū)域鍋爐的運行，并提出一種通用的預(yù)測策略.Blaud[12]等研究多能源系統(tǒng)(MES)和經(jīng)濟模型預(yù)測系統(tǒng)(EMPC)的高級控制，開發(fā)多生產(chǎn)者節(jié)點軟件(MPN).

值得注意的是，現(xiàn)有關(guān)于清潔供熱系統(tǒng)的研究大多針對大型建筑展開，對不同規(guī)模村鎮(zhèn)住宅建筑及區(qū)域供熱等供暖系統(tǒng)的研究較為不足.不同供熱面積下，清潔供熱系統(tǒng)熱源的選擇及全生命期的經(jīng)濟性等方面有待進一步研究.針對上述問題，本文以山西省太原地區(qū)為例，對不同規(guī)模的村鎮(zhèn)建筑源清潔供熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案與全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟性展開研究.

1 清潔供暖系統(tǒng)及模擬參數(shù)

1.1 清潔供暖系統(tǒng)

圖1 太原地區(qū)典型氣候年室外溫度逐時變化 Fig.1 Hourly change of outdoor temperature of typical climate year in Taiyuan area

村鎮(zhèn)住宅建筑供暖面積共分為60，200，500，1 000，2 000 m2五個工況，規(guī)定供暖面積為500，1 000，2 000 m2的3個工況均為建筑面積一致的單體住宅.清潔供暖系統(tǒng)主要包括太陽能供暖系統(tǒng)、電鍋爐供暖系統(tǒng)、地源熱泵供暖系統(tǒng)及空氣源熱泵供暖系統(tǒng).太陽能供暖系統(tǒng)清潔環(huán)保，可就地利用、無需運輸，對農(nóng)村地區(qū)尤其具有利用價值.電鍋爐供暖系統(tǒng)由于峰谷電價不同，可存儲低谷時的電能，用于高峰時刻供電，降低運行費用[13].地源熱泵供暖系統(tǒng)的供暖、制冷能量與熱量的轉(zhuǎn)化(COP)均較高，能源利用率是燃煤、燃氣、燃油等常規(guī)能源方式的3.5倍及以上[14].空氣源熱泵系統(tǒng)目前在村鎮(zhèn)“煤改電”工程中應(yīng)用較為廣泛，具有適用溫度范圍廣(適用溫度為-7～40 ℃)、運行成本低、清潔無污染的特點[15-16].

1.2 模擬參數(shù)

太原地區(qū)典型氣候年的室外溫度逐時變化，如圖1所示.圖1中：θ為溫度；t為時間.單體建筑圍護結(jié)構(gòu)由外墻、內(nèi)墻、外窗、地面、樓板、屋面等部分組成.不同朝向外墻的窗墻比如下：東邊為0.33；南邊為0.24；西邊為0.36；北邊為0.24.根據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[17]對太原地區(qū)常見民用住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)置，如表1所示.表1中：W為傳熱系數(shù).

表1 建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Service life and influencing factors of different heat sources

根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[18]，室內(nèi)模擬參數(shù)設(shè)置如下：冬季供暖溫度為18～22 ℃；每小時通風0.7次；每小時滲透0.35次；燈光功率為5 W；設(shè)備功率為10 W；每平方米人數(shù)為0.1人.室內(nèi)熱源包括燈光、設(shè)備及人員.

供暖系統(tǒng)的運行時間主要根據(jù)供暖系統(tǒng)的使用壽命進行選擇.不同熱源供暖系統(tǒng)的使用壽命及影響因素，如表2所示.經(jīng)運行維護后，供暖系統(tǒng)的使用壽命均可達20 a及以上.因此，以20 a作為4種單熱源供暖系統(tǒng)的生命期進行經(jīng)濟性分析.

表2 不同熱源的使用壽命及影響因素Tab.2 Service lifes and influencing factors of different heat sources

2 供暖系統(tǒng)模型及建筑供暖動態(tài)負荷

2.1 供暖系統(tǒng)模型

4種單熱源供暖系統(tǒng)模型，如圖2所示.

(a) 太陽能集熱系統(tǒng) (b) 電鍋爐供暖系統(tǒng)

(c) 地源熱泵供暖系統(tǒng) (d) 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)圖2 4種單熱源供暖系統(tǒng)模型 Fig.2 4 models of single heat source heating systems

由圖2可知：太陽能供暖系統(tǒng)的源側(cè)主要包括太陽能集熱器和水箱，白天用集熱水箱蓄熱，根據(jù)建筑供暖負荷的需求進行供熱；電鍋爐供暖系統(tǒng)利用電加熱器加熱水，夜間利用谷電價時段進行蓄熱，并根據(jù)負荷對建筑進行釋能與供能；地源熱泵供暖系統(tǒng)以土壤作為低溫熱源，熱泵機組從土壤中吸取熱量給建筑供暖；空氣源熱泵供暖系統(tǒng)以空氣作為低溫熱源，熱泵機組從空氣吸取熱量給建筑供暖.

2.2 建筑供暖動態(tài)負荷

太原地區(qū)開始供暖的時間是2019年11月1日，結(jié)束的時間是2019年3月31日，供暖時間共計5個月.面積為60 m2的建筑熱負荷，如圖3所示.圖3中：Q為熱負荷.由圖3可知：熱負荷在11月份達到最大值7.24 kW，單位面積熱負荷為120.6 W·m-2.面積為200 m2的建筑熱負荷，如圖4所示.由圖4可知：面積為200 m2的建筑熱負荷變化趨勢與面積為60 m2相同，最大熱負荷均出現(xiàn)在11月份，單位面積熱負荷為118.1 W·m-2.

圖3 面積為60 m2建筑的熱負荷 圖4 面積為200 m2建筑的熱負荷 Fig.3 Heat load of 60 m2 building area Fig.4 Heat load of 200 m2 building area

在圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)參數(shù)等設(shè)置一致的前提下，不同面積建筑的單位供暖負荷基本接近，總負荷與建筑面積成線性相關(guān).因此，供暖面積為500，1 000，2 000 m2的供暖熱負荷近似成倍數(shù)關(guān)系.

3 不同熱源供暖系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 太陽能供暖系統(tǒng)

太陽能供暖系統(tǒng)的優(yōu)化目標是在滿足供暖需求的同時達到最優(yōu)經(jīng)濟性.因此，根據(jù)水箱出口溫度、回水溫度的平均值及方差對電加熱器功率和水箱容積進行優(yōu)化，得到滿足供暖要求的最小集熱器面積和水箱容積，計算相應(yīng)集熱器面積與水箱容積下的供暖耗電量.通過每平方米太陽能集熱器的集熱量與最大熱負荷計算得到集熱器的面積，并進行系統(tǒng)的匹配和選型.通過10 ℃供回水溫度差、24 h的運行時間、固定流速計算水箱容積.當建筑面積為60 m2時，集熱器面積為40 m2，水箱容積為8 m3可滿足建筑的供暖要求.在完整供暖季內(nèi)，集熱器的集熱量為8 338.4 kW·h，水泵耗電量為364.2 kW·h.

太陽能供暖系統(tǒng)優(yōu)化值，如表3所示.表3中：s為面積；V為水箱容積；Q為耗電量.由表3可知：當集熱器面積為32 m2，水箱容積為5 m3時，太陽能供暖系統(tǒng)能滿足面積為60 m2建筑的供暖需求.因此，在滿足相同供暖需求的條件下，集熱器面積由40 m2降低到32 m2，集熱器面積減小了20%；水箱容積由8 m3減小到5 m3，水箱容積減小了37.5%，耗電量降低4.1%.太陽能供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬，如圖5所示.

圖5 太陽能供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬 Fig.5 Hourly dynamic simulation of solar energy heating system

s(建筑)/m2s(集熱器)/m2V/m3Q/kW·h60325349.220011513768.2500280132 793.61 000540244 190.42 0001 110365 978.4

3.2 電鍋爐供暖系統(tǒng)

電鍋爐供暖系統(tǒng)根據(jù)水箱出口溫度、回水溫度的平均值及方差對電加熱器功率和水箱容積進行優(yōu)化，得到對應(yīng)建筑面積下滿足供暖要求的電加熱器最大功率和水箱的容積，并計算相應(yīng)水箱容積下的供暖耗電量.當建筑面積為60 m2時，電加熱器功率為4 kW，水箱容積為2 m3可滿足建筑的供暖需求.完整供暖季內(nèi)電加熱器的耗電量為7 152.32 kW·h.水箱尺寸的減小使電鍋爐供暖系統(tǒng)體積更加緊湊，提高了土地利用率，電鍋爐供暖系統(tǒng)優(yōu)化值，如表4所示.表4中：p為電加熱器功率.由表4可知：當電加熱器功率為4 kW，水箱容積為1 m3時，電鍋爐供暖系統(tǒng)同樣能滿足面積為60 m2建筑的供暖需求，但水箱體積與未優(yōu)化前相比減小了50%.電鍋爐供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬，如圖6所示.

圖6 電鍋爐供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬 Fig.6 Hourly dynamic simulation of electric boiler heating system

s(建筑)/m2p/kWV/m3Q/kW·h60417 152.320011220 010.450028450 100.01 0005040901 050.62 00011020185 704.6

3.3 地源熱泵供暖系統(tǒng)

按照120 W·m-2單位面積熱負荷進行模型初選，根據(jù)對應(yīng)的熱負荷選擇熱泵機組和地埋管數(shù)量，并針對太原地區(qū)的氣象參數(shù)進行地源熱泵供暖系統(tǒng)性能的模擬.地源熱泵供暖系統(tǒng)根據(jù)源側(cè)進出口溫度、進出口溫度差依次加減地埋管的數(shù)量，模擬優(yōu)化狀態(tài)下的地源熱泵供熱需求，得到對應(yīng)建筑面積下滿足供暖要求的地埋管合理數(shù)量，并計算相應(yīng)地埋管數(shù)量下的供暖耗電量.

無蓄熱條件下，單根地埋管的供熱量可以保證一戶村鎮(zhèn)單體建筑供暖使用.地源熱泵供暖系統(tǒng)優(yōu)化值，如表5所示.表5中：n為地埋管數(shù)量.由表5可知：當n為2根時，地源熱泵供暖系統(tǒng)能滿足面積為500 m2建筑的供暖需求，此時，地源熱泵機組的耗電量為16 457.1 kW·h.地埋管數(shù)量的減少降低了初投資費用，使地源熱泵供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性提高.地源熱泵供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬，如圖7所示.

圖7 地源熱泵供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬 Fig.7 Hourly dynamic simulation of ground source heat pump heating system

s(建筑)/m2nQ/kW·h6021 974.7 20026 582.7 500216 457.1 1 000432 914.3 2 000665 828.6

3.4 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)根據(jù)源側(cè)進出口溫度、進出口溫度差及負荷側(cè)進出口溫度、進出口溫度差對空氣源熱泵機組功率進行優(yōu)化，得到對應(yīng)建筑面積下滿足供暖要求的最小機組功率，并計算供暖耗電量.

圖8 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬 Fig.8 Hourly dynamic simulation of air sourceheat pump heating system

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)優(yōu)化值，如表6所示.由表6可知：當建筑面積為60 m2時，空氣源熱泵機組功率為4 kW可以滿足供暖要求，完整供暖季電加熱器的耗電量為2 468.6 kW·h.空氣源熱泵供暖系統(tǒng)逐時動態(tài)模擬，如圖8所示.

表6 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)優(yōu)化值Tab.6 Air source heat pump heating system optimization value

4 不同供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性

4.1 不同供暖系統(tǒng)初投資費用

分別對各單熱源系統(tǒng)在不同供熱面積下的初投資費用進行計算，計算結(jié)果如表7～10所示.表7中：P為初投資費用.表9中：地埋管費用包括地埋管材料費用8 000元·根-1和打孔費2 000元·根-1；熱泵機組及水泵的初投資費用包括采購及安裝；其他初投資費用包括人工費用安裝150元·(人·天)-1，2根地埋管的地源熱泵系統(tǒng)按照20個人工計算.

表7 太陽能供暖系統(tǒng)初投資費用Tab.7 Initial investment cost of solar heating system

表8 電鍋爐供暖系統(tǒng)初投資費用Tab.8 Initial investment cost of electric boiler heating system

表9 地源熱泵供暖系統(tǒng)初投資費用Tab.9 Initial investment cost of ground source heat pump heating system

表10 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)初投資費用Tab.10 Initial investment cost of air source heat pump heating system

由表7～10可知：單熱源供暖系統(tǒng)初始投資費用按大小排序為P(電鍋爐供暖系統(tǒng))

4.2 不同供暖系統(tǒng)運行費用及總費用

(a) 建筑面積為60 m2

(b) 建筑面積為200 m2 (c) 建筑面積為500 m2

(d) 建筑面積為1 000 m2 (e) 建筑面積為2 000 m2圖9 各供暖系統(tǒng)生命期內(nèi)運行費用及總費用 Fig.9 Operating costs and total cost of each heating system in life cycle

以20 a作為供暖系統(tǒng)運行周期，計算不同供暖系統(tǒng)在不同供熱面積下的運行費用及總費用，如圖9所示.由圖9可知：單熱源供暖系統(tǒng)按運行費用大小排序為P(太陽能供暖系統(tǒng))

由于太陽能供暖系統(tǒng)的耗電部分僅為電機驅(qū)動水泵，因此耗電量最小，運行成本最低；而電鍋爐供暖系統(tǒng)的熱量完全由電能轉(zhuǎn)化，因此相同供暖負荷下的耗電量最大，運行費用最高.地源熱泵供暖系統(tǒng)的耗能部分包括換熱機組和水泵運行兩部分.空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的耗能部分包括空氣源熱泵機組和水泵運行兩部分，由于冬季工況下，地源熱泵供暖系統(tǒng)的COP高于空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的COP，因此相同供暖負荷下，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運行耗能較大，運行費用較高.

當建筑供暖面積為60 m2時，單熱源供暖系統(tǒng)按總費用大小排序為P(太陽能供暖系統(tǒng))

當建筑供暖面積在200～2 000 m2時，各供暖系統(tǒng)按運行費用大小排序為P(太陽能供暖系統(tǒng))

5 結(jié)論

1) 在滿足供暖需求的前提下，以系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)作為供暖系統(tǒng)的優(yōu)化目標，根據(jù)水箱出口溫度、回水溫度的平均值及方差對太陽能供暖系統(tǒng)及電鍋爐供暖系統(tǒng)進行優(yōu)化，得到不同供熱面積下系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計方案.

2) 對于不同供暖系統(tǒng)的初投資費用，太陽能供暖系統(tǒng)最大，電鍋爐供暖系統(tǒng)最小，電鍋爐供暖系統(tǒng)初投資費用比太陽能供暖系統(tǒng)減少了近90%.

3) 對于不同供暖系統(tǒng)的運行費用，太陽能供暖系統(tǒng)最大，電鍋爐供暖系統(tǒng)最小，太陽能供暖系統(tǒng)運行費用比電鍋爐供暖系統(tǒng)減少了近94%.

4) 對于不同供暖系統(tǒng)的總費用，電鍋爐供暖系統(tǒng)最大，太陽能供暖系統(tǒng)最小，太陽能供暖系統(tǒng)總費用比電鍋爐供暖系統(tǒng)減少了近65%.