適用于近零能耗建筑的新型太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性

程 程 姜益強(qiáng) 王 菲

(1 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200002；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 哈爾濱 150006；3 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150090；4 北控晉安新能源科技發(fā)展(北京)有限公司 北京 101100)

為實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案[1]，我國(guó)對(duì)多個(gè)高能耗領(lǐng)域提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格的目標(biāo)，在“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”中便有“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動(dòng)”，號(hào)召全國(guó)推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快提升建筑能效水平、加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)。國(guó)家印發(fā)的《深入開展公共機(jī)構(gòu)綠色低碳引領(lǐng)行動(dòng)促進(jìn)碳達(dá)峰實(shí)施方案》[2]，明確了要加快能源利用綠色低碳轉(zhuǎn)型，推廣太陽(yáng)能光伏光熱項(xiàng)目，推動(dòng)太陽(yáng)能供應(yīng)生活熱水項(xiàng)目建設(shè)，開展太陽(yáng)能供暖試點(diǎn)。在可見(jiàn)的未來(lái)，低能耗建筑和利用太陽(yáng)能資源進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型均將成為行業(yè)發(fā)展的主流。

隨著建筑低能耗節(jié)能改造和近零能耗建筑的推廣，供暖能耗不斷降低，生活熱水能耗逐漸成為居住建筑的主要能耗，且城市緯度越高，該現(xiàn)象越明顯，不同氣候區(qū)城市的供暖與生活熱水年總負(fù)荷比例如圖1所示[3]。生活熱水負(fù)荷的高能耗占比和其目前“有供無(wú)回”的使用形式，導(dǎo)致大量生活熱水使用后的廢水直接排走，造成較大的能源浪費(fèi)，因此，本文擬引入太陽(yáng)能并通過(guò)熱泵系統(tǒng)對(duì)生活廢水進(jìn)行熱回收，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降低近零能耗建筑的能耗。

目前國(guó)內(nèi)外在太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵[4-6]、太陽(yáng)能耦合地源熱泵[7-9]等方面的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而污水源熱泵系統(tǒng)大多依托于醫(yī)院[10-11]、洗浴中心[12-13]、游泳池[14-15]此類能夠產(chǎn)生廢水余熱同時(shí)有工藝熱能需求或廠房制冷需求的公用建筑中，并不適用單戶家庭。為此，本文提出一種新型太陽(yáng)能-污水源熱泵供熱系統(tǒng)，從居住建筑戶式住宅角度出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證的方式來(lái)研究太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性，同時(shí)分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)近零能耗建筑中冬季供暖、全年供生活熱水的運(yùn)行效果與經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)形式

圖2所示為本文提出的太陽(yáng)能耦合污水源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)嵌套水箱將生活熱水與供暖熱水進(jìn)行分隔，外部水箱熱水用于供暖，內(nèi)部水箱用于供生活熱水；將熱泵系統(tǒng)冷凝器置于外部水箱下部對(duì)供暖熱水進(jìn)行直接加熱，避免了二次換熱導(dǎo)致的熱損失。太陽(yáng)能集熱器和廢水取熱裝置作為本系統(tǒng)的兩個(gè)外部熱源，其中廢水取熱裝置上部設(shè)置過(guò)濾裝置，內(nèi)部包含兩套盤管分別為洗浴用市政自來(lái)水預(yù)熱和作為熱泵蒸發(fā)器取熱的盤管。本系統(tǒng)通過(guò)F1、F2閥門的開閉可以完成太陽(yáng)能集熱器作為熱泵蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩春妥鳛橹苯由顭崴到y(tǒng)加熱器的切換，實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能集熱器水溫較低時(shí)系統(tǒng)作為熱泵工作，而在水溫高時(shí)直接加熱生活熱水，實(shí)現(xiàn)能量的充分利用。

1 壓縮機(jī)；2 冷凝器；3 毛細(xì)管(節(jié)流裝置)；4 廢水取熱裝置；5 套管式換熱器；6 循環(huán)水泵；7 太陽(yáng)能集熱器；8 外水箱；9 內(nèi)水箱；10 供熱管線；11 供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵；12 速熱裝置；F1～F3電磁閥；F4～F6閘閥；F7混水閥。圖2 太陽(yáng)能耦合污水源熱泵系統(tǒng)Fig. 2 Solar coupled sewage-source heat pump system

本系統(tǒng)有多種運(yùn)行模式可以適應(yīng)不同氣候條件：當(dāng)系統(tǒng)無(wú)供暖需求時(shí)，太陽(yáng)能集熱器制取的熱水直接供給內(nèi)水箱實(shí)現(xiàn)供生活熱水，熱泵系統(tǒng)不運(yùn)行；而在冬季系統(tǒng)有供暖需求時(shí)，太陽(yáng)能熱泵和污水源熱泵分別在太陽(yáng)能集熱器水溫和廢水取熱裝置內(nèi)污水溫度較高時(shí)開啟。由此，本系統(tǒng)可以靈活地實(shí)現(xiàn)單獨(dú)供生活熱水、單獨(dú)供暖以及供暖兼供生活熱水等模式，同時(shí)充分考慮了能源的階梯性，有效提高了系統(tǒng)能源利用率。

2 仿真模型

2.1 模型建立

據(jù)2019年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示[16]，我國(guó)平均家庭規(guī)模為2.6人/戶，人均居住面積為36.65 m2，本模擬設(shè)定家庭為3人，居住面積為110 m2，室內(nèi)設(shè)置地板輻射采暖系統(tǒng)，住宅建筑模型如圖3所示。按照我國(guó)不同氣候分區(qū)，分別選取長(zhǎng)春、烏魯木齊、西寧、北京以及上海5個(gè)城市的近零能耗住宅研究該系統(tǒng)的運(yùn)行情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗參考GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]中對(duì)不同地區(qū)要求的限值。

圖3 住宅建筑模型Fig. 3 Residential building model

該太陽(yáng)能耦合污水源熱泵系統(tǒng)特性模擬利用TRNSYS平臺(tái)搭建計(jì)算模型，系統(tǒng)構(gòu)件主要包括氣象參數(shù)(type109)、太陽(yáng)能集熱器(type1b)、水泵(type3b)、控制器(type2b)以及TRNSYS外接EES (type62)等，由于TRNSYS本身的蓄熱水箱模型不能滿足本系統(tǒng)的水箱及多源熱泵計(jì)算需求，基于分層水箱計(jì)算原理，借助EES軟件開發(fā)了嵌套水箱的計(jì)算模型，并通過(guò)type62實(shí)現(xiàn)兩軟件的鏈接，系統(tǒng)的模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 System model design parameters

分層水箱數(shù)學(xué)模型[18]主要包括外水箱模型、內(nèi)水箱底層盤管預(yù)熱模型、內(nèi)水箱模型、冷凝器模型4個(gè)部分。外水箱的數(shù)學(xué)模型假定由6個(gè)完全混合的水箱段組成如圖4所示，則分層水箱中每層的溫度可以通過(guò)能量守恒方程進(jìn)行計(jì)算：

圖4 外水箱分層數(shù)學(xué)模型Fig. 4 Layered mathematical model of outer water tank

(1)

(2)

內(nèi)水箱底層盤管預(yù)熱過(guò)程由管內(nèi)受迫對(duì)流傳熱式計(jì)算[19]：

(3)

(4)

內(nèi)水箱同樣存在溫度分層現(xiàn)象，考慮內(nèi)水箱容積較小，采用集總參數(shù)法，用水箱的平均水溫來(lái)反應(yīng)水箱的溫度，熱平衡計(jì)算式為：

(5)

冷凝器采用ε-NTU法，計(jì)算式為：

(6)

ε=1-e-NTU

(7)

關(guān)鍵部件參數(shù)的選型對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果影響較大，由于不同氣候區(qū)建筑能耗、氣象條件有較大差異，系統(tǒng)關(guān)鍵部件按照氣候分區(qū)分別進(jìn)行選型。其中太陽(yáng)能集熱器面積對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的正向影響較大，若按冬季負(fù)荷選型，會(huì)導(dǎo)致夏季時(shí)系統(tǒng)水溫過(guò)高造成浪費(fèi)，因此太陽(yáng)能集熱器面積按照冬夏二者均值選取，選型結(jié)果如表2所示。

表2 5地?zé)岜孟到y(tǒng)關(guān)鍵部件選型Tab. 2 Selection of key components of heat pump system in five places

根據(jù)計(jì)算模型，長(zhǎng)春、北京、上海、西寧、烏魯木齊的供暖年耗熱量分別為1 916.6、1 978.0、1 927.6、1 649.3、875.9 kW·h；每平方米年耗熱量分別為17.42、17.98、17.52、14.99、7.96 kW·h/(m2·a)；生活熱水負(fù)荷為1 325 kW·h占總耗熱量的比例分別為0.41、0.40、0.39、0.45、0.60。

2.2 模型驗(yàn)證

為保證模型計(jì)算結(jié)果正確，對(duì)模型進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖5所示為不同時(shí)間步長(zhǎng)的誤差分析，將系統(tǒng)的模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)定為0.012 5、0.025、0.05、0.1、0.2 h進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 h的計(jì)算結(jié)果偏離，0.012 5 h計(jì)算結(jié)果超過(guò)10%，0.1 h的步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果只偏離約5%，因此模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)選取為0.1 h。

圖5 不同時(shí)間步長(zhǎng)誤差分析Fig. 5 Error analysis of different time steps

為驗(yàn)證模型，在長(zhǎng)春某超低能耗建筑中搭建了如圖6所示的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行供暖及供生活熱水實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)嵌套水箱溫度分層及實(shí)際供暖出水溫度等，通過(guò)將計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)際參數(shù)得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算模型結(jié)果的正確性，實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)設(shè)定如表3所示，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，本模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差范圍在±5%以內(nèi)，利用本模型進(jìn)行模擬計(jì)算可以保證仿真結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置Fig. 6 Layout of test bench

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)Tab. 3 Experimental equipments and operating parameters

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比對(duì)Fig. 7 Comparison between experimental data and simulation results

3 系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果及分析

不同氣候區(qū)供暖季時(shí)間不同，本文模擬計(jì)算熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行效果時(shí)按照當(dāng)?shù)氐墓┡鹬箷r(shí)間進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡練夂蜃兓O(shè)定熱水循環(huán)流量分級(jí)調(diào)節(jié)以更大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能，系統(tǒng)夏季作為常規(guī)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)加熱內(nèi)水箱供水，長(zhǎng)春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的供暖起止時(shí)間及熱水流量設(shè)置如表4所示。供暖季運(yùn)行效果如圖8所示。

表4 供暖季各時(shí)段太陽(yáng)能循環(huán)熱水及供暖循環(huán)熱水流量設(shè)置Tab. 4 Flow setting of solar circulating and heating circulating hot water in each period of heating season

圖8 5地供暖季供暖兼制熱水內(nèi)外水箱出口溫度隨供暖時(shí)長(zhǎng)變化Fig. 8 The outlet temperature of internal and external water tanks for heating and domestic hot water in five places varies with heating season

計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)在長(zhǎng)春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的平均供暖水溫分別為42.5、40.7、41.6、40.9、40.7 ℃；供生活熱水出口平均溫度(電補(bǔ)熱前)分別為36.2、34.7、34.5、38.2、33.7 ℃；全年實(shí)際供熱量為3 401.8、3 302.5、3 252.1、2 973.8、2 200.4 kW·h；供生活熱水熱量為1 325 kW·h；全年共需電補(bǔ)熱量127.0、697.4、228.3、159.6、141.2 kW·h；冬季系統(tǒng)能效比分別為3.68、3.54、3.71、3.61和4.17。

為分析各系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文采用費(fèi)用現(xiàn)值法直觀地對(duì)比各個(gè)系統(tǒng)，計(jì)算方法如式(8)。熱泵系統(tǒng)初投資包括太陽(yáng)能集熱器(350元/m2)、循環(huán)水泵(300元)、套管式換熱器(300元)、廢熱回收裝置(1 000元)、熱泵部件(1 100元)、嵌套水箱(4 000元)；天然氣熱水系統(tǒng)與電熱水系統(tǒng)結(jié)合市場(chǎng)價(jià)格分別設(shè)定設(shè)備初投資為8 600元與6 080元。結(jié)合各地電價(jià)及天然氣價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)，按設(shè)備使用年限為10年計(jì)算得本系統(tǒng)應(yīng)用在各地費(fèi)用現(xiàn)值如表5所示。

PC=CO+CR(P/F,i0,t)

(8)

(P/F,i0,t)=(1+i0)t

由表5可知，本系統(tǒng)在長(zhǎng)春、西寧、北京、上海4地經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著。由于烏魯木齊地區(qū)天然氣價(jià)格優(yōu)勢(shì)顯著(烏魯木齊1.34元/m3；長(zhǎng)春2.8元/m3；西寧2.45元/m3；北京2.28元/m3；上海310 m3以內(nèi)為3元/m3、310～520 m3為3.3元/m3、520 m3以上為4.2元/m3)，經(jīng)濟(jì)上更適用天然氣熱水系統(tǒng)。

表5 5地本系統(tǒng)供暖兼制生活熱水費(fèi)用現(xiàn)值Tab. 5 Present value of annual operation cost of heating and domestic hot water system in five places

4 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)，本文提出了一種適用于近零能耗居住建筑的新型太陽(yáng)能-污水源熱泵供暖系統(tǒng)，基于TRNSYS軟件建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，基于驗(yàn)證的模型研究了系統(tǒng)在長(zhǎng)春、烏魯木齊、西寧、北京、上海5地近零能耗建筑中供暖兼制熱水的運(yùn)行效果并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。得到結(jié)論如下：

1)系統(tǒng)在5地的供暖平均溫度均達(dá)到40 ℃以上，供生活熱水平均溫度在電補(bǔ)熱前也可以保證在33 ℃以上，系統(tǒng)能效均達(dá)到3.5以上；運(yùn)行效果良好，節(jié)能效果顯著。

2)經(jīng)濟(jì)性方面，系統(tǒng)在長(zhǎng)春、西寧、北京、上海4地相比傳統(tǒng)的電熱水系統(tǒng)和天然氣熱水系統(tǒng)均具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但烏魯木齊地區(qū)天然氣價(jià)格優(yōu)勢(shì)顯著，經(jīng)濟(jì)上更適用天然氣熱水系統(tǒng)。

符號(hào)說(shuō)明

γi——控制函數(shù)

αi——當(dāng)?shù)趇層有源側(cè)的流體流入時(shí)，αi=1， 否則為0

βi——當(dāng)?shù)趇層有負(fù)荷側(cè)的流體流入時(shí)，βi=1， 否則為0

Mi——第i層流體質(zhì)量流量， kg/s

Tenv——水箱周圍的環(huán)境溫度， ℃

Ti——水箱第i層的平均溫度，℃

Th——能量來(lái)源給水箱的進(jìn)水溫度，℃

U——單位面積能量耗散系數(shù)， J/(m2·℃)

Ai——與周圍環(huán)境散熱的面積， m2

Qi——輔助加熱設(shè)備的加熱量， J

τ——時(shí)間， s

c——水的比熱容， J/(kg·℃)

Re——雷諾數(shù)

ρ——水的密度， kg/m3

v——管內(nèi)流體速度， m/s

d——管直徑， m

μ——流體的動(dòng)力黏度， Pa·s

l——管長(zhǎng)度， m

Nu——努塞爾數(shù)

h——對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， W/(m2·K)

Pr——普朗特?cái)?shù)

A——盤管傳熱面積， m2

(Mc)min——換熱器流體中熱容量較小值， W/K

NTU——傳熱單元數(shù)

θ——內(nèi)水箱與外水箱的溫差， ℃

V——內(nèi)水箱容積， m3

ε——傳熱有效性

PC——費(fèi)用現(xiàn)值， 元

CO——初投資， 元

CR——年運(yùn)行費(fèi)用， 元

P——終值， 元

F——現(xiàn)值， 元

i0——基準(zhǔn)折現(xiàn)率， 取8%

t——設(shè)備使用年限， 取10年

下標(biāo)

f——管內(nèi)

w——管外

0——內(nèi)水箱