申振宇 宣永梅

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太陽能-空氣源熱泵采暖熱水系統(tǒng)能耗分析

申振宇 宣永梅

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048）

傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供暖主要以化石燃料作為能源，具有能耗大、容易造成嚴(yán)重污染等問題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套利用太陽能和空氣能的采暖熱水系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和選型。使用Polysun軟件模擬系統(tǒng)在全年的運(yùn)行狀況，并分析了系統(tǒng)運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)性，模擬結(jié)果證明：該系統(tǒng)太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)用于西安市住宅建筑采暖時(shí)，在壽命期內(nèi)的年運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖節(jié)省46%，并且每年可以減少二氧化碳排放量4810.1kg。

太陽能；空氣源熱泵；模擬；Polysun

0 引言

近年來，PM2.5、霧霾等詞匯越來越頻繁地出現(xiàn)在我們的生活中，冬季采暖時(shí)經(jīng)常有城市出現(xiàn)PM2.5爆表的情況，而燃煤供暖造成的污染排放則是其原因之一。選取一種綠色能源替代傳統(tǒng)能源已刻不容緩，太陽能作為替代傳統(tǒng)建筑供暖的能源，具有清潔、污染低的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)太陽能熱泵采暖系統(tǒng)在不同地區(qū)地應(yīng)用進(jìn)行了大量的分析研究[1-5]，本文提出一種用于西安地區(qū)的太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，并對(duì)其能耗進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)原理及流程

設(shè)計(jì)如圖1所示的太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、空氣源熱泵、循環(huán)水泵、控制系統(tǒng)和采暖末端等。天氣晴好、陽光充足時(shí)，只需太陽能加熱所需熱水；太陽能輻射不足時(shí)，空氣源熱泵和太陽能聯(lián)合供應(yīng)所需熱水；夜晚來臨，水箱溫度不滿足設(shè)定要求時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)空氣源熱泵加熱水箱中的水；環(huán)境溫度過低，空氣源熱泵和太陽能集熱器均無法加熱所需熱水時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)輔助電加熱器進(jìn)行加熱。系統(tǒng)在集熱器、水箱、房間和室外均設(shè)有溫度感應(yīng)器，用戶通過房間控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，蓄熱水箱還可以提供生活用水，但應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充冷水，保證水箱水量。

1太陽能集熱器；2/5/6/9/12/14/17電磁閥；3蓄熱水箱；4/8/15循環(huán)泵；7冷凝器；10蒸發(fā)器；11壓縮機(jī)；13電加熱棒；16采暖末端；18生活熱水出口；19控制系統(tǒng)；T1集熱器出口溫度傳感器；T2水箱水溫傳感器；T3房間溫度傳感器；T4環(huán)境溫度傳感器

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

以西安地區(qū)為例，西安屬于我國(guó)太陽能資源第三類地區(qū)，是我國(guó)太陽能資源中等類型區(qū)域，年太陽能輻射量在5056-5812MJ/m2[6]。以一棟面積為300m2居住6人的2層住宅為例，末端采用地板輻射供暖，根據(jù)《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定：采暖系統(tǒng)供水溫度為50～60℃，回水溫度40～50℃，因此本采暖系統(tǒng)供水溫度設(shè)定為50℃，回水溫度設(shè)定為40℃，冬季室溫設(shè)計(jì)為18℃[7]。

2.2 系統(tǒng)負(fù)荷的確定

2.2.1 生活熱水

根據(jù)系統(tǒng)原理圖可知，本系統(tǒng)負(fù)荷主要分為兩大類，一類是生活用水負(fù)荷，一類是建筑物熱負(fù)荷，根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的規(guī)定，生活熱水用水定額在40～80L/人·天，現(xiàn)假設(shè)人均生活熱水用水量為50L/天，則生活用水耗熱量為[6]：

式中：Q為日耗熱量，W；為熱水用水定額，L/cap·d，取50；為水的比熱，=1kJ/kg·℃；為水的密度，kg/L；t為熱水溫度，℃，取50℃；t為冷水溫度，℃，取5℃；為用水計(jì)算單位數(shù)；k為系統(tǒng)散熱量系數(shù)，取值范圍1-1.1，現(xiàn)取1.05[9]。

計(jì)算得出300L冷水加熱到50℃日耗熱量為16.5kW，按照系統(tǒng)運(yùn)行24小時(shí)計(jì)，小時(shí)耗熱量為0.69kW。

2.2.2 地輻射采暖系統(tǒng)負(fù)荷

對(duì)于地板輻射采暖系統(tǒng)，輻射是主要的傳熱方式，地板輻射采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的采暖系統(tǒng)相比，熱量由下往上傳遞，給人一種腳熱頭涼的感覺，與此同時(shí)，地面周圍也能輻射熱量，因此地暖供暖溫度比傳統(tǒng)采暖方式空氣溫度高，這樣能耗會(huì)比傳統(tǒng)供暖能耗要小。因此，在地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，熱負(fù)荷的溫度一般選取比室內(nèi)溫度低2℃。

為了確定建筑物的熱負(fù)荷，需對(duì)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，假設(shè)該住宅各項(xiàng)保溫措施均符合要求，根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]：西安市民用建筑耗熱量指標(biāo)為40-45W/m2?，F(xiàn)取耗熱量指標(biāo)為45W/m2，該指標(biāo)是采取節(jié)能措施65%的值，對(duì)于一個(gè)采暖面積300m2的住宅，采暖熱負(fù)荷為13.5kW，熱水負(fù)荷為0.69kW，系統(tǒng)總負(fù)荷為14.19kW。

2.3 集熱器面積的確定

本系統(tǒng)中太陽能集熱系統(tǒng)采用直接系統(tǒng)的形式，即采用水作為傳熱介質(zhì)，以減少傳熱過程中熱量損失，使系統(tǒng)便于控制。集熱器面積計(jì)算如下[10]：

式中，A為集熱器面積，m2；為總負(fù)荷，W；取14190；為單一依靠太陽能采暖時(shí)間，s；這里取86400；為太陽能保證率，西安屬太陽能資源第三類地區(qū)，取值范圍為0.2-0.4，這里取0.4；J為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椪樟?，kJ/（㎡·D），根據(jù)相關(guān)資料，西安地區(qū)12月平均日輻射量為11186kJ/（m2·D）；為集熱器集熱效率，取值范圍為0.4-0.6，這里依據(jù)據(jù)平板集熱器參數(shù)取0.9；為整個(gè)系統(tǒng)的熱損失率，取值為0.2-0.3，這里取0.2[4]；

根據(jù)上式計(jì)算得到該系統(tǒng)的集熱器面積為81.2m2。

考慮到投資和冬季太陽輻射情況，本系統(tǒng)將太陽能采暖時(shí)間選定為白天太陽輻射較強(qiáng)的6小時(shí)，其余時(shí)間采用熱泵供暖，故系統(tǒng)集熱器面積最終為20.3m2。

單塊平板太陽能集熱器尺寸為2000mm ×1000mm，故本系統(tǒng)采用11塊太陽能平板集熱器，根據(jù)規(guī)范可知每塊平板集熱器流量約為0.072m3/h·m2，故本系統(tǒng)的集熱環(huán)路流量約為1.6m3/h。

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，太陽能集熱器安裝傾角宜選擇在當(dāng)?shù)鼐暥?10°～20°的范圍內(nèi)，選用10°之差。結(jié)合西安地區(qū)的緯度可知安裝傾角為44.27°，但考慮到施工操作的可行性設(shè)定安裝傾角為45°。

2.4 蓄熱水箱體積的確定

太陽能采暖系統(tǒng)的蓄熱水箱必須保溫，蓄熱水箱的容積與集熱器面積有關(guān)，也與采暖系統(tǒng)服務(wù)的建筑要求有關(guān)。蓄水箱容積可以按最常用的每平方米太陽能集熱器面積對(duì)應(yīng)100L蓄熱水箱容積來選定[10]。故水箱體積為2.2m3。

2.5 空氣源熱泵選型

由于平板集熱器易受環(huán)境和天氣等因素影響，無法保證充足的太陽能輻射量為室內(nèi)供暖，故選擇空氣源熱泵作為系統(tǒng)的輔助熱源，用以確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

由上可知，該別墅房間熱負(fù)荷為13.5kW，熱水負(fù)荷為0.69kW，故選取某公司型號(hào)為CB1-18i/a的空氣源熱泵，該空氣源熱泵額定制熱量18kW，輸入功率5.5kW，流量為3m3/h，尺寸大小為750mm ×750mm×1060mm，適用環(huán)境溫度在-25℃～50℃，額定出水溫度50℃。

3 系統(tǒng)的模擬分析

3.1 系統(tǒng)模型的建立

Polysun是由瑞士國(guó)際太陽能測(cè)試中心研發(fā)的太陽能系統(tǒng)模擬計(jì)算軟件，包含太陽能光熱、光電、熱泵以及太陽能空調(diào)4個(gè)模塊[12]。根據(jù)上文設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)，采用該軟件構(gòu)建了太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的模型，集熱器與空氣源熱泵并聯(lián)連接，為用戶提供地暖所需用水和生活熱水。調(diào)用軟件庫(kù)中的西安地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與采用燃煤鍋爐和采用電加熱的供暖系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

圖2 太陽能-空氣源熱泵采暖熱水系統(tǒng)模型

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 能量需求分析

系統(tǒng)年能量需求情況如表1所示，系統(tǒng)總共消耗能量為14436.5kWh，這些能量主要來自電能、集熱器和空氣源熱泵所獲得的能量，而這些能量主要轉(zhuǎn)化為生活熱水、采暖熱水所需的熱量，以及在供暖過程中房間的熱損失。

由以上分析可知：系統(tǒng)的全年性能系數(shù)（系統(tǒng)總能量消耗與耗電量之比）為3.4，性能系數(shù)越大，表明系統(tǒng)越省電，并且系統(tǒng)提供的能量能夠同時(shí)滿足熱水、采暖及房間散熱所需，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

表1 系統(tǒng)年能量需求情況（單位：kWh）

3.2.2 能量分布分析

圖3為太陽能集熱器年獲得能量分布概況，圖4為空氣源熱泵年耗電量分布概況，圖5為系統(tǒng)太陽能保證率年分布概況。由以下三圖可知：11月～次年3月為采暖季，因?yàn)槎咎栞椛鋸?qiáng)度不足，太陽能無法提供采暖所需的全部能量，因此空氣源熱泵啟動(dòng)加熱系統(tǒng)所需用水，故采暖期內(nèi)電能消耗較多；4～5月和9～11月為過渡季，當(dāng)房間溫度過低時(shí)，由太陽能和空氣源熱泵聯(lián)合提供房間采暖所需熱水；系統(tǒng)在夏天運(yùn)行時(shí)僅提供生活熱水，但是太陽能集熱器面積是根據(jù)供暖面積選取，會(huì)使太陽能保證率上升，出現(xiàn)太陽能保證率達(dá)到100%的情況，造成太陽能熱水的浪費(fèi)[13]。

圖3 集熱器年獲得能量分布概況

圖4 空氣源熱泵年耗電量分布概況

圖5 系統(tǒng)太陽能保證率年分布概況

由系統(tǒng)原理可知太陽能不耗電，且熱泵是一種將能量由低品位轉(zhuǎn)化為高品位的裝置。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以得出：相較于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供暖和電采暖方式，本系統(tǒng)運(yùn)行一年可節(jié)省電能8968.8kWh，減少二氧化碳排放4810.1kg。由此可知本系統(tǒng)可大大減少傳統(tǒng)采暖方式造成的環(huán)境污染。

表2 系統(tǒng)節(jié)能概況

3.3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

本系統(tǒng)與燃煤供暖進(jìn)行對(duì)比，整套系統(tǒng)成本為2.8萬元，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用約為總成本的1%，系統(tǒng)使用壽命20年，系統(tǒng)供暖季耗電量為4212.8kWh，按西安市居民用電價(jià)格0.49元/kWh計(jì)算，則系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為3786元；2015年西安市采用自有鍋爐供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為5.8元/m2·月，可知該住宅采用集中供暖所需花費(fèi)為6960元/年。則供暖系統(tǒng)壽命期內(nèi)節(jié)省采暖費(fèi)用為63480元。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)太陽能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Polysun軟件進(jìn)行模擬，得出系統(tǒng)相比與傳統(tǒng)燃煤鍋爐在全年運(yùn)行過程中可以減少二氧化碳排放量4810.1kg，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省3174元，說明系統(tǒng)有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）系統(tǒng)在夏天運(yùn)行時(shí)由于僅提供生活熱水，由于太陽能集熱器面積是根據(jù)供暖面積選擇，這樣會(huì)使太陽能保證率上升，出現(xiàn)太陽能保證率100%的情況，會(huì)造成太陽能熱水的浪費(fèi)。可以將多余的太陽能熱水用作其他用途；空氣源熱泵在夏季可以與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合用以給房間供冷。

（3）系統(tǒng)的節(jié)能減排作用對(duì)治理燃煤鍋爐供暖造成的嚴(yán)重污染、霧霾天氣具有一定的意義，但系統(tǒng)初投資較大，且仍需繼續(xù)研究空氣源熱泵在西安地區(qū)冬季使用時(shí)的性能。

[1] 張劍飛.應(yīng)對(duì)霧霾天氣-低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖的機(jī)遇[J].制冷與空調(diào),2015,15(7):60-62.

[2] 匡芳.香格里拉機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓太陽能地面輻射采暖系統(tǒng)應(yīng)用與得失[J].制冷與空調(diào),2013,27(6):573-574.

[3] Cai-huaLiang. Study on the performance of a solar assisted air source heat pump system for building heating[J]. Energy And Buildings, 2011,41(8):2188- 2190.

[4] 陳仕泉,黃夏東,趙士懷.太陽能空氣源熱泵集成熱水系統(tǒng)[J].暖通空調(diào),2011,41(8):115-116.

[5] 彭嬌嬌.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在江淮地區(qū)應(yīng)用的節(jié)能環(huán)保效益研究[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué), 2010:9-11.

[6] 何梓年,朱敦智.太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:158-169.

[7] 竇碩,師帥兵.太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,(2):5893-5894.

[8] GB 50510-2010,建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[9] 田玉卓.供熱工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008:158-159.

[10] GB 50495-2009,太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[11] JGJ26-2010,嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[12] 陳文婷.北京地區(qū)太陽能供暖集熱—蓄熱系統(tǒng)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012:24-26.

[13] 劉建華,劉小芳.天津市太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保證率取值的分析[J].中國(guó)給水排水,2013,29(6):34-35.

Energy Consumption Analysis of Solar Assisted Air Source Heat Pump Heating and Hot Water System

Shen Zhenyu Xuan Yongmei

( School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

Raditional coal-fired boiler heating system mainly use fossil fuels as an energy source which consumes a large energy, and is likely to cause serious pollution problems. In response to this situation, a solar assisted air source heat pump heating and hot water system was designed. The system-related components were sized as well. The annual operation conditions were simulated by software-Polysun. The system operation conditions and economy was analyzed as well. The simulation results showed that the annual operating cost of the proposed system is 46% smaller than that of traditional coal-fired boiler heating system, and the carbon dioxide emissions can be reduced by 4810.1kg per year.

solar; air source heat pump; simulation; Polysun

1671-6612（2016）05-544-05

TK513/TU832

A

中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目（2014047）；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013JK0875）

申振宇（1991.06-），男，在讀碩士研究生，E-mail：szyxpu27@163.com

宣永梅（1977.12-），女，博士，教授，E-mail：xymhb@sohu.com

2016-05-30