邱國棟，宇世鵬，聶麗君

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在我國“十三五”期間，國家能源局指出要實(shí)施能源規(guī)劃編制，推進(jìn)能源清潔高效利用，推動(dòng)形成有效競爭的能源市場機(jī)制[1].多地政府也相繼出臺(tái)“煤改電”相關(guān)工作文件，改善能源結(jié)構(gòu)，大力支持清潔能源供暖.

空氣源熱泵供暖和太陽能熱水供暖都是比較清潔的供暖方案，但并不適合所有地區(qū)[2].空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，存在低溫制熱性能差，制熱效率低的問題[3]；太陽能是現(xiàn)階段熱門新能源，太陽能分布廣泛但不穩(wěn)定，能流密度低[4].隨著室外溫度的降低，太陽能集熱器的集熱溫差增加，其集熱效率逐漸下降，給利用太陽能進(jìn)行供暖帶來困難[5].為了彌補(bǔ)太陽能的不足，多熱源結(jié)合成為一個(gè)有效的手段，進(jìn)而出現(xiàn)太陽能組合形式.胡鵬飛[6]等將地?zé)崤c太陽能結(jié)合，吳曉寒[7]考慮了地源熱泵和太陽能的結(jié)合.現(xiàn)階段對(duì)太陽能和空氣源熱泵探索較多.李智[8]等初步從性能角度對(duì)太陽能和空氣源熱泵結(jié)合進(jìn)行分析.Buker[9]等分析了小溫差下太陽能熱泵供暖的優(yōu)勢(shì).Li[10]等采用聯(lián)合太陽能熱泵系統(tǒng)與季節(jié)能量存儲(chǔ)相結(jié)合的方法顯著的提升了系統(tǒng)COP.Poppi[11]等研究不同邊界條件下的太陽能熱泵系統(tǒng)對(duì)電力需求的變化.Chargui[12]等利用TRNSYS軟件對(duì)太陽能輔助熱泵在住宅中進(jìn)行模擬分析，通過改變水箱出水溫度來尋求最佳COP.Tzivanidis[13]等通過TRNSYS軟件對(duì)雅典不同工況下太陽能輔助熱泵、空氣源熱泵和太陽能供暖系統(tǒng)的能耗、制熱量和COP進(jìn)行模擬，并通過比較所有投資項(xiàng)目的凈現(xiàn)值(NPV)，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，結(jié)果表明空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性最好，主要原因是雅典的冬季室外溫度最低才3 ℃，空氣源熱泵的COP較高.然而對(duì)于冬季室外溫度較低且太陽能較豐富的地區(qū)，如我國的蘭州市，空氣源熱泵的COP相對(duì)于文獻(xiàn)[13]將顯著下降，空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性是否還優(yōu)于太陽能供暖或二者的組合還不得而知.

本文針對(duì)蘭州市某典型住宅，基于TRNSYS軟件對(duì)太陽能、單一空氣源熱泵和太陽能輔助空氣源熱泵三種供暖方案的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬研究，并通過NPV法[14]來分析其經(jīng)濟(jì)性，為太陽能較豐富的寒冷地區(qū)的清潔能源供暖工程提供支持.

1 建筑模型和模擬方法

選擇蘭州市某典型農(nóng)宅作為本文的建筑模型，包括三個(gè)房間，客廳在中間，兩側(cè)為臥室，供暖面積為80 m2，長為10 m，寬為8 m，層高為3 m.設(shè)室內(nèi)供暖溫度為22 ℃，供暖季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4 434 W，最大供暖熱負(fù)荷為5 497 W.蘭州地區(qū)太陽能資源屬于Ⅱ區(qū)，根據(jù)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[15]推薦太陽能保證率f在30%～50%.蘭州地區(qū)年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 543 h，水平面上年平均太陽輻射量為5 314 MJ/m2，1月份的水平日輻照量為7.5 MJ/m2.

太陽能保證率的計(jì)算公式為

(1)

式中：Qsolar為集熱器表面接受到的太陽輻射熱量，kW·h；Qheat為總加熱量，kW·h.

給出太陽能集熱器效率的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中：η1為集熱器平均效率；η2為集熱器逐時(shí)效率；Qu為有效加熱量，kW·h；Qsolar為集熱器表面接受到的太陽輻射熱量，kW·h；a0為集熱器效率截距；a1為集熱器效率斜率；a2為集熱器效率曲率；R為太陽能輻射強(qiáng)度，W/m2；Tin為集熱器進(jìn)口水溫， ℃；Tamb為環(huán)境溫度， ℃.

熱泵性能系數(shù)(COP) 計(jì)算公式為

(4)

式中：Pel為耗電量，kW·h.

采用凈現(xiàn)值的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為

(5)

式中：(CI-CO)t為第t年的凈現(xiàn)金流量；ic為給定的折現(xiàn)率，即基準(zhǔn)收益率；n為方案的計(jì)算期，一般為項(xiàng)目的壽命周期.

在TRNSYS軟件中對(duì)三種供暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬，時(shí)間步長選取為6分鐘(=0.1 h).在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證1月份的供暖要求，即可保證整個(gè)供暖季的熱舒適性.在太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)和太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中應(yīng)用靈敏度分析法結(jié)合太陽能保證率和集熱器平均效率來確定集熱器面積和蓄熱水箱的容積.

圖1 空氣源熱泵的COP隨輸入功率的變化

2 系統(tǒng)描述

常規(guī)計(jì)算一般是先在確定一個(gè)合理的太陽能保證率，然后通過太陽能保證率反推出集熱器面積等關(guān)鍵性設(shè)備，此種方法對(duì)于經(jīng)濟(jì)性分析十分不友好.因此本文考慮到各系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的選型對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，從而利用靈敏度分析結(jié)合太陽能保證率推薦范圍、太陽能集熱器效率和初投資等來確定關(guān)鍵設(shè)備的選型.為了便于比較，不同系統(tǒng)中的相同部件用同種型號(hào)，并保證不同系統(tǒng)的供暖溫度在整個(gè)供暖季的平均值基本相等，以消除室內(nèi)舒適性對(duì)分析結(jié)果的影響.

2.1 單一空氣源熱泵供熱系統(tǒng)

本文使用Trnsys模擬得到在5 kW輔熱的條件下，平均COP隨熱泵輸入功率的變化，如圖1所示.存在最優(yōu)輸入功率為2.1 kW的柜式熱泵使平均COP最大，加裝5 kW輔助電加熱，當(dāng)室內(nèi)溫度低于21 ℃時(shí)開啟輔熱.

2.2 太陽能熱水風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)

采用常見的太陽能熱水供暖系統(tǒng)其末端形式為風(fēng)機(jī)盤管，在蓄熱水箱后匹配一個(gè)5 kW輔助電加熱器，用于太陽能不足時(shí)維持蓄熱水箱溫度.輔助電加熱將蓄熱水箱溫度控制在45 ℃左右，上下浮動(dòng)5 ℃.為防止吹冷風(fēng)感，室內(nèi)出風(fēng)溫度設(shè)置為40 ℃.本文使用Trnsys模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)集熱器的傾角取為56°時(shí)，集熱器單位面積收集的熱量最多，故集熱器傾角確定為56°，如圖2所示.

如圖3所示，隨著太陽能集熱器面積和蓄熱水箱的增大，太陽能保證率逐漸增加；但是當(dāng)集熱面積和水箱容積達(dá)到一定值以后，太陽能保證率增加幅度較小.《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》給出的蘭州地區(qū)太陽能保證率f的推薦值在30%～50%.在該范圍內(nèi)，根據(jù)圖3的曲線走勢(shì)以及考慮到系統(tǒng)初投資，最終確定蓄熱水箱容積V為3 m3，集熱器面積Acol為40 m2.系統(tǒng)其它參數(shù)，如表1所示.

表1 太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)參數(shù)

2.3 太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

該系統(tǒng)由單一空氣源熱泵產(chǎn)生的熱空氣和太陽能風(fēng)機(jī)盤管產(chǎn)生的熱空氣混合送入室內(nèi)為建筑物供暖，如圖4所示.優(yōu)先使用太陽能供暖，當(dāng)太陽能不足時(shí)啟動(dòng)空氣源熱泵，最大程度的減少電能的消耗，提高系統(tǒng)COP.該系統(tǒng)集熱面積和水箱容積的確定方法與太陽能熱水風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)類似，如圖5所示.最終采用18 m2的平板集熱器和2 m3的蓄熱水箱，空氣源熱泵的輸入功率為2.1 kW匹配5 kW的輔助電加熱.該系統(tǒng)其它相關(guān)參數(shù)，如表2所示.

圖4 太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖5 太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的太陽能保證率隨集熱面積和蓄熱水箱容積的變化

當(dāng)室內(nèi)溫度高于22 ℃時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管的循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)，富余的太陽能存儲(chǔ)到蓄熱水箱中；當(dāng)室內(nèi)溫度低于21 ℃時(shí)表明太陽能不足，此時(shí)開啟空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)室內(nèi)溫度低于20.5 ℃時(shí)表明太陽能加空氣源熱泵的供熱量仍不足，此時(shí)開啟輔助電加熱.輔助電加熱將蓄熱水箱的溫度控制為45 ℃左右，向下浮動(dòng)溫度同樣為5 ℃.

表2 太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)參數(shù)

3 性能和經(jīng)濟(jì)性比較

整個(gè)供暖季三種系統(tǒng)的室內(nèi)溫度都集中在21 ℃～23 ℃，單一空氣源熱泵、太陽能熱水、太陽能輔助空氣源熱泵三種系統(tǒng)的室內(nèi)溫度季節(jié)平均值分別為21.85 ℃、22 ℃和21.75 ℃.三者基本相同，滿足三種系統(tǒng)進(jìn)行性能和經(jīng)濟(jì)性比較的前提條件.

3.1 系統(tǒng)性能比較

如表3和表4所示三個(gè)系統(tǒng)在整個(gè)供暖季和1月份運(yùn)行情況.各系統(tǒng)總制熱量相差不多，這是性能比較的基礎(chǔ).從整個(gè)供暖季來看，系統(tǒng)COP最高的是太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)(COP=2.74)，其次是單一空氣源熱泵(COP=2.11)，最低的是太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)(COP=1.90).太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的太陽能保證率為52.5%，集熱器平均效率為33.2%，而在1月份這兩個(gè)數(shù)值分別為39.4%和34.8%.太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，集熱器效率要高于太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)，這是因?yàn)榍罢叩奶柲芗療崞魉袚?dān)的熱負(fù)荷較小，其進(jìn)口平均水溫相對(duì)較低有利于提高集熱效率，后者的太陽能集熱器承擔(dān)較大熱負(fù)荷，需要更高的水溫才能滿足要求；太陽能輔助空氣源熱泵的太陽能保證率為38.6%，低于太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)(52.5%).從熱泵耗電和輔熱耗電來看，太陽能輔助空氣源熱泵優(yōu)于單一空氣源熱泵，這是因?yàn)椴捎锰柲茏鳛檩o助熱源，減少了熱泵和輔熱開啟的時(shí)間，降低了能耗，提升了系統(tǒng)COP.在額外耗電方面(包含泵、風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)耗電)，太陽能輔助空氣源熱泵略大于太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，但是額外耗電占總能耗比例較小.從總能耗來看，太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的總能耗最低，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)次之，太陽能風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)最高，體現(xiàn)出太陽能輔助空氣源熱泵在運(yùn)行上的優(yōu)勢(shì).

表3 各系統(tǒng)供暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4 各系統(tǒng)1月份運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖6 各系統(tǒng)的NPV值隨使用年限的變化

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

通過采用所有投資的凈現(xiàn)值(NPV)來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，經(jīng)濟(jì)性分析主要包括初投資和運(yùn)行費(fèi)用.系統(tǒng)初投資如表5所示，各系統(tǒng)使用壽命按20年計(jì)算，系統(tǒng)折現(xiàn)率取5%，集熱器投資包含集熱器、閥門、管路、支架、安裝等費(fèi)用折合為500元/m2，根據(jù)當(dāng)?shù)卣邔?duì)于采用清潔能源供暖系統(tǒng)實(shí)行分時(shí)價(jià)格政策，低谷時(shí)段延長2小時(shí)，為每日22：00至次日8：00，用電價(jià)格在對(duì)應(yīng)居民生活用電平段目錄電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上降低0.20元/kW·h，其它時(shí)段為每日8：00至22：00，用電價(jià)格在對(duì)應(yīng)居民生活用電平段目錄電價(jià)基礎(chǔ)上提高0.03元/kW，期間不再執(zhí)行居民階梯電價(jià)[16]，居民用電平段電價(jià)為0.50元/kW·h[17].三個(gè)系統(tǒng)的NPV曲線如圖6所示，單一空氣源熱泵的總投資凈現(xiàn)值始終是最小的，經(jīng)濟(jì)性是三種系統(tǒng)中最好的.太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)NPV線的斜率明顯小于單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，表明前者的運(yùn)行費(fèi)用低于后者，但因前者初投資遠(yuǎn)大于后者，且民用電價(jià)較低，前者節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用在壽命期內(nèi)未能抵消其多增加的成本.對(duì)于電價(jià)較高的商業(yè)建筑而言，太陽能輔助空氣源熱泵將會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)性.太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)不僅初投資最高，運(yùn)行費(fèi)也最高，主要原因是太陽能的能流密度較低導(dǎo)致集熱器系統(tǒng)的造價(jià)較高，太陽能的不穩(wěn)定性導(dǎo)致輔助電加熱的能耗較高.對(duì)于只用于白天供暖的建筑而言，太陽能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)明顯提升.

從系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性綜合比較來看，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的初投資小，節(jié)能性較好，適用于電價(jià)較低的居住建筑.太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)能性最好，但初投資偏大，適用于電力資源缺乏地區(qū)或電價(jià)較高的商用建筑.太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，初投資最大，節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性在本文的居住建筑案例中是最差的，對(duì)于只在白天使用且電價(jià)較高的商用建筑而言，其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)顯著提升，相關(guān)內(nèi)容還有待進(jìn)一步研究.

表5 各系統(tǒng)初投資

4 結(jié) 論

本文針對(duì)蘭州市某典型住宅，基于TRNSYS軟件對(duì)太陽能、單一空氣源熱泵和太陽能輔助空氣源熱泵三種供暖方案的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬研究，并通過NPV法來分析其經(jīng)濟(jì)性，所得結(jié)論如下：

(1)從系統(tǒng)性能比較來看，各系統(tǒng)總制熱量和平均供暖溫度基本相等；太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的COP最大(2.74)，輔熱耗電最?。粏我豢諝庠礋岜玫腃OP居中(2.11)，輔熱耗電也居中；太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的COP最小(1.90)，輔熱耗電最大.

(2)從經(jīng)濟(jì)性比較來看，單一空氣源熱泵的總投資凈現(xiàn)值始終是最小的，經(jīng)濟(jì)性是三種系統(tǒng)中最好的.太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用低于單一空氣源熱泵系統(tǒng)，但因前者初投資遠(yuǎn)大于后者，且民用電價(jià)較低，前者節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用在壽命期內(nèi)未能抵消其多增加的成本.太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)不僅初投資最高，運(yùn)行費(fèi)也最高，經(jīng)濟(jì)性最差.

(3)綜合比較來看，單一空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的初投資小，節(jié)能性較好，適用于電價(jià)較低的居住建筑.太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)能性最好，但初投資偏大，適用于電力資源缺乏地區(qū)或電價(jià)較高的商業(yè)建筑.太陽能風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，初投資最大，節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性在本文的居住建筑案例中是最差的，對(duì)于只在白天使用且電價(jià)較高的商用建筑而言，其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)顯著提升，相關(guān)內(nèi)容還有待進(jìn)一步研究.