太陽能-污水源熱泵系統(tǒng)在北京住宅的適用性

黃子健，鄭文科，姜益強(qiáng)，程 程

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.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，黑龍江 哈爾濱 150090； 3.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002)

1 概述

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，為我國近零能耗建筑的發(fā)展填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)方面的空白。隨著人民生活水平的提高，生活熱水能耗占建筑能耗的份額逐漸加大。近零能耗建筑有較低的冷熱負(fù)荷和較高的蓄熱能力[1]，利用太陽能和污水余熱可進(jìn)一步降低建筑能耗。太陽能結(jié)合污水源熱泵技術(shù)已趨于成熟[2-4]，而目前的研究主要集中在有大量污水產(chǎn)出的區(qū)域[5]，如學(xué)校浴池[6]、游泳館[7-8]，針對(duì)住宅的研究比較少[9]。

本文根據(jù)近零能耗建筑的低熱負(fù)荷和高蓄熱能力的特點(diǎn)，提出一種兼具供暖與提供生活熱水的戶式太陽能聯(lián)合污水源熱泵系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合系統(tǒng))，根據(jù)TRNSYS仿真結(jié)果，分析聯(lián)合系統(tǒng)在北京地區(qū)的運(yùn)行性能以及經(jīng)濟(jì)性。

2 供暖對(duì)象

北京某住宅建筑面積為110 m2，家庭成員為3人，每日7:00—8:30、20:00—21:30使用生活熱水，供暖期為11月15日至次年3月15日。室內(nèi)采用地面輻射供暖系統(tǒng)，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃。

全年逐時(shí)太陽輻照度見圖1。供暖期逐時(shí)室外溫度、逐時(shí)供暖熱負(fù)荷見圖2。圖2、5、6中，7 633～8 760 h對(duì)應(yīng)11月15日—12月31日，8 761～10 536 h對(duì)應(yīng)次年1月1日—3月15日。

圖1 全年逐時(shí)太陽輻照度

圖2 供暖期逐時(shí)室外溫度、逐時(shí)供暖熱負(fù)荷

根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》式6.4.1-1，生活熱水設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量的計(jì)算式為：

(1)

式中Φ——生活熱水設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h

K——小時(shí)變化系數(shù)，取4.8

n——用水人數(shù)，人，為3人

q——單日人均熱水用水量，L/(人·d)，本文取30 L/(人·d)

cp——水比定壓熱容，kJ/(kg·K)，取4.187 kJ/(kg·K)

ρ——水密度，kg/L，取1 kg/L

η——熱損失系數(shù)，取1.11

θh——熱水溫度，℃，為60 ℃

θc——冷水溫度，℃，供暖期為8 ℃，非供暖期為18 ℃

t——日使用計(jì)算時(shí)間，h，取24 h

根據(jù)已知參數(shù)，由式(1)可計(jì)算得到供暖期、非供暖期生活熱水設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量分別為4 350.13、3 513.57 kJ/h。

3 聯(lián)合系統(tǒng)流程與運(yùn)行策略

3.1 聯(lián)合系統(tǒng)流程

聯(lián)合系統(tǒng)流程見圖3，系統(tǒng)分為太陽能熱水循環(huán)、熱泵循環(huán)、供暖熱水循環(huán)、生活熱水供水管路。

在太陽能熱水循環(huán)中，太陽能熱水有2個(gè)循環(huán)路徑：路徑1：經(jīng)電磁閥1輸送至內(nèi)水箱加熱生活熱水，放熱后經(jīng)太陽能熱水循環(huán)泵回到太陽能集熱器。路徑2：經(jīng)電磁閥2進(jìn)入套管式換熱器(作為熱泵循環(huán)的二級(jí)蒸發(fā)器)放熱，放熱后經(jīng)太陽能熱水循環(huán)泵回到太陽能集熱器。

在熱泵循環(huán)中，壓縮機(jī)出口的高溫高壓制冷劑在冷凝器放熱后，經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流降壓，然后分別在污水取熱裝置(作為熱泵循環(huán)的一級(jí)蒸發(fā)器)、套管式換熱器中吸收洗浴污水、太陽能熱水熱量，最后進(jìn)入壓縮機(jī)完成循環(huán)。

在供暖熱水循環(huán)中，供暖熱水供水由外水箱上側(cè)流出，在地面輻射供暖系統(tǒng)放熱后，供暖熱水回水經(jīng)供暖熱水循環(huán)泵回到外水箱下側(cè)，完成供暖熱水循環(huán)。

圖3 聯(lián)合系統(tǒng)流程

內(nèi)水箱嵌在外水箱內(nèi)，內(nèi)水箱內(nèi)的生活熱水由太陽能集熱器、外水箱同時(shí)進(jìn)行加熱。內(nèi)水箱將供暖熱水與生活熱水有效隔離，保證了生活熱水的水質(zhì)。在供應(yīng)生活熱水時(shí)，閘閥1保持開啟，閘閥3關(guān)閉，利用市政水壓為內(nèi)水箱補(bǔ)充自來水，自來水經(jīng)預(yù)熱螺旋管預(yù)熱后從內(nèi)水箱底部流入內(nèi)水箱。洗浴裝置的冷水由市政自來水提供，自來水流經(jīng)污水取熱裝置吸收洗浴污水的熱量進(jìn)行預(yù)熱后，在三通閥與來自內(nèi)水箱的生活熱水混合后流向洗浴裝置。

電加熱裝置安裝在內(nèi)水箱外壁，在特殊天氣、夜間時(shí)，開啟電加熱裝置可同時(shí)加熱內(nèi)外水箱，進(jìn)行機(jī)動(dòng)補(bǔ)熱。

供暖期，聯(lián)合系統(tǒng)需要提供供暖熱水、生活熱水。電磁閥2開啟，電磁閥1關(guān)閉，太陽能熱水循環(huán)、供暖熱水循環(huán)、熱泵循環(huán)均運(yùn)行。電加熱裝置在特殊天氣、夜間啟動(dòng)，進(jìn)行機(jī)動(dòng)補(bǔ)熱。非供暖期，聯(lián)合系統(tǒng)僅提供生活熱水。電磁閥1開啟，電磁閥2關(guān)閉，太陽能熱水循環(huán)運(yùn)行，供暖熱水循環(huán)、熱泵循環(huán)停運(yùn)。電加熱裝置在特殊天氣、夜間啟動(dòng)，進(jìn)行機(jī)動(dòng)補(bǔ)熱。

非供暖期，利用閘閥2排掉外水箱內(nèi)的水，僅保留內(nèi)水箱的水。供暖期，利用閘閥3對(duì)外水箱重新注水。

將外水箱模型由上至下分為1～6層，1、2層對(duì)應(yīng)內(nèi)水箱，3層對(duì)應(yīng)預(yù)熱螺旋管，4、5層對(duì)應(yīng)冷凝器，6層對(duì)應(yīng)低溫供暖熱水層。外水箱模型中每層溫度通過能量守恒方程進(jìn)行計(jì)算[10]。冷凝器為沉浸式盤管冷凝器，采用蛇形盤管布置，盤管外接整體式翅片。污水取熱裝置為沉浸式蒸發(fā)器。

系統(tǒng)模型參數(shù)見表1。熱泵冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度為5 ℃，壓縮機(jī)吸氣溫度為10 ℃，過冷度為5 ℃。預(yù)熱螺旋管內(nèi)直徑為10 mm，長度為3 m。

表1 系統(tǒng)模型參數(shù)

續(xù)表1

3.2 運(yùn)行策略

供暖期，聯(lián)合系統(tǒng)兼具供暖與提供生活熱水。非供暖期，聯(lián)合系統(tǒng)僅提高生活熱水。

太陽能熱水循環(huán)泵的啟停以內(nèi)水箱太陽能熱水進(jìn)出水溫差作為控制標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)溫差大于24 ℃時(shí)，太陽能熱水循環(huán)泵開啟。當(dāng)溫差從24 ℃以上逐漸減小，直至小于12 ℃，太陽能熱水循環(huán)泵停止工作。停止工作后，當(dāng)溫差從12 ℃以下逐漸增大，直至大于24 ℃，太陽能熱水循環(huán)泵恢復(fù)工作。

將供暖熱水供水溫度作為控制熱泵的啟停標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)供暖熱水供水溫度小于43 ℃時(shí)，熱泵運(yùn)行。當(dāng)供暖熱水供水溫度大于等于43 ℃時(shí)，熱泵停止運(yùn)行。

供暖熱水循環(huán)泵采用溫差控制，當(dāng)供回水溫差大于等于5 ℃時(shí)，供暖熱水循環(huán)泵運(yùn)行。當(dāng)供回水溫差小于5 ℃時(shí)，供暖熱水循環(huán)泵停止運(yùn)行。

電加熱裝置的控制采用溫度控制，當(dāng)供生活熱水溫度、供暖熱水供水溫度均低于35 ℃時(shí)，電加熱裝置開啟。供生活熱水溫度、供暖熱水供水溫度均高于43 ℃時(shí)關(guān)閉。

4 仿真模型

利用TRNSYS軟件對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)建模。由于TRNSYS中已有水箱模型并不適用于聯(lián)合系統(tǒng)的內(nèi)外嵌套式水箱，因此單獨(dú)建立水箱數(shù)學(xué)模型。仿真模擬調(diào)用了EES方程求解器，使用FORTRAN語言進(jìn)行編譯，計(jì)算步長為0.1 h。聯(lián)合系統(tǒng)仿真模型見圖4。忽略外水箱排水、注水過程，認(rèn)為供暖期開始時(shí)外水箱水溫與內(nèi)水箱水溫一致。仿真時(shí)間為全年。

5 仿真結(jié)果與分析

供暖期室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化見圖5。由圖5可知，供暖期平均室內(nèi)溫度為21.5 ℃，供熱質(zhì)量良好。室內(nèi)溫度低于18 ℃的時(shí)間僅占供暖期的0.06%。

供暖期供暖熱水供水溫度、內(nèi)水箱生活熱水出水溫度隨時(shí)間的變化見圖6。由圖6可知，供暖期內(nèi)，供暖熱水平均供水溫度為40.9 ℃，內(nèi)水箱生活熱水平均出水溫度為38.2 ℃。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

采用費(fèi)用現(xiàn)值法[11]比較方案的經(jīng)濟(jì)性，費(fèi)用現(xiàn)值越小方案的經(jīng)濟(jì)性越好。計(jì)算費(fèi)用現(xiàn)值時(shí)，折現(xiàn)率取8%，設(shè)備使用年限取10 a。費(fèi)用現(xiàn)值為設(shè)備購置費(fèi)與年運(yùn)行費(fèi)乘等額分付現(xiàn)值系數(shù)之和，等額分付現(xiàn)值系數(shù)根據(jù)基準(zhǔn)折現(xiàn)率、設(shè)備使用年限，按文獻(xiàn)[11]取6.71。

圖4 聯(lián)合系統(tǒng)仿真模型(軟件截圖)

圖5 供暖期室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化

圖6 供暖期供暖熱水供水溫度、內(nèi)水箱生活熱水出水溫度隨時(shí)間的變化

本文將燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)作為對(duì)比方案。聯(lián)合系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)的設(shè)備購置費(fèi)分別為8 900、6 080、8 600 元。

北京地區(qū)電價(jià)：月用電量在240 kW·h及以下，電價(jià)為0.488 3元/(kW·h)；月用電量為241～400 kW·h，電價(jià)為0.538 3元/(kW·h)；月用電量在400 kW·h以上，電價(jià)為0.788 3元/(kW·h)。燃?xì)鈨r(jià)格為2.28 元/m3。

仍采用TRNSYS軟件對(duì)燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)建立仿真模型，對(duì)3種系統(tǒng)全年耗電量、耗氣量進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算3種系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)(包括年電費(fèi)、年燃?xì)赓M(fèi)等)。由仿真計(jì)算可知，聯(lián)合系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)分別為302.0、1 966.5、693.8元/a。

根據(jù)以上已知條件，可計(jì)算得到聯(lián)合系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值分別為10 926.3、19 275.4、13 255.5 元。聯(lián)合系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值最小，經(jīng)濟(jì)性最好。

7 結(jié)論

① 供暖期平均室內(nèi)溫度為21.5 ℃，供熱質(zhì)量良好。室內(nèi)溫度低于18 ℃的時(shí)間僅占供暖期的0.06%。供暖期內(nèi)，供暖熱水平均供水溫度為40.9 ℃，內(nèi)水箱生活熱水平均出水溫度為38.2 ℃。

② 將燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)作為對(duì)比方案。聯(lián)合系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴疇t系統(tǒng)、電熱水爐系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值分別為10 926.3、19 275.4、13 255.5 元。聯(lián)合系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值最小，經(jīng)濟(jì)性最好。