夏如杰,相里梅琴,張麗娟

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

1 概 述

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展,人民的生活水平不斷提高,導(dǎo)致我國建筑業(yè)和房地產(chǎn)規(guī)模急劇增加。隨著建筑面積的不斷增加,勢必造成對(duì)建筑與自然、資源、環(huán)境的矛盾不斷升級(jí)。為此,發(fā)展零能耗建筑已逐步被決策者和設(shè)計(jì)師普遍關(guān)注[1]。江蘇作為中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展地區(qū),且隨著該地區(qū)對(duì)冬季采暖需求的呼聲日益高漲,勢必會(huì)增加該地區(qū)的建筑能耗。實(shí)現(xiàn)零能耗建筑主要通過三種途徑：1)被動(dòng)式節(jié)能；2)主動(dòng)式節(jié)能；3)選用房屋能源系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能集成管理等技術(shù),實(shí)現(xiàn)各種節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能技術(shù)效果的最大化[2]。太陽能資源作為一種可再生能源,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害,熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)電采暖相比較,具有更高的能量利用系數(shù),對(duì)于兩者的集合與應(yīng)用勢必為該地區(qū)零能耗建筑的實(shí)現(xiàn)提供有力保障。本文將對(duì)太陽能+熱泵系統(tǒng)采暖與傳統(tǒng)電采暖、空氣源熱泵采暖進(jìn)行比較分析。

2 建筑基礎(chǔ)模型建立

零能耗住宅是一種節(jié)能型住宅,縱觀國內(nèi)外已有的零能耗居住建筑實(shí)踐工程,零能耗住宅大多數(shù)以3層及3層以下的獨(dú)立式居住建筑居多。根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2009》中對(duì)“零能耗建筑”和太陽能光伏系統(tǒng)的預(yù)測分析中指出,由于居住建筑可接收到的太陽能以及目前太陽能利用的科學(xué)技術(shù)背景下,在中國只有2層及2層以下的居住建筑才有實(shí)現(xiàn)“零能耗”的可能。因此，本文選取一棟位于南京的2層別墅作為模擬對(duì)象。別墅建筑平面見圖1,該棟建筑物建筑面積為284.6 m2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法為：外墻,240 mm磚墻+加氣混凝土,K=0.79 W/m2·K；屋面,20 mm水泥砂漿+120 mm現(xiàn)澆板+20 mm水泥砂漿+100 mm憎水珍珠巖+30 mm水泥焦渣+4 mm防水層+20 mm水泥砂漿,K=0.56 W/m2·K；分戶墻：200 mm加氣混凝土+20 mm水泥砂漿,K=1.01 W/m2·K,窗戶：K=2.5 W/m2·K。通過Dest-h軟件模擬該棟建筑的冷熱負(fù)荷,在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),根據(jù)相關(guān)研究,室內(nèi)擾量(人員、燈光、設(shè)備)對(duì)建筑采暖空調(diào)的影響也不應(yīng)該進(jìn)行忽略[3-4],本文的室內(nèi)逐時(shí)室內(nèi)擾量值按照文獻(xiàn)[4]中的結(jié)論進(jìn)行設(shè)定。 同時(shí),將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為：冬季20℃,考慮室內(nèi)空氣品質(zhì),將冬夏季的換氣次數(shù)均設(shè)置為1.0次/h。

圖1 建筑模型平面圖

通過Dest-h模擬得出該棟建筑物供暖季熱負(fù)荷為9 534.4 kW·h(按照供暖季：12月1日至次年2月28日統(tǒng)計(jì))。

3 太陽能+熱泵系統(tǒng)組成及控制策略

太陽能+熱泵供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱裝置、熱泵、熱水箱、循環(huán)水泵等構(gòu)成,具體系統(tǒng)原理圖見圖2。

該系統(tǒng)冬季供熱時(shí),以太陽能為主要熱源,結(jié)合熱泵,同時(shí)利用電加熱作為輔助熱源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供熱。鑒于江蘇地區(qū)并不是太陽能豐富地區(qū),加之太陽能能源本身特點(diǎn),導(dǎo)致太陽能不能連續(xù)、穩(wěn)定向系統(tǒng)提供能量,這就對(duì)自動(dòng)控制的要求提出了更高的要求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,必須依靠不同供熱模式的準(zhǔn)確切換。本系統(tǒng)設(shè)置的電池閥和溫度控制閥等閥門能夠保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 太陽能+熱泵系統(tǒng)原理圖

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理,冬季對(duì)建筑物進(jìn)行供暖時(shí),則按照下列三種模式進(jìn)行運(yùn)行：1)太陽能直接供熱模式：當(dāng)太陽能提供的熱水溫度較高時(shí),能夠滿足經(jīng)換熱設(shè)備換熱對(duì)末端設(shè)備的供暖溫度時(shí),關(guān)閉熱泵機(jī)組與輔助熱源,全部依靠太陽能集熱裝置向建筑物進(jìn)行供暖；2)太陽能聯(lián)合熱泵供熱模式：若太陽能提供的熱水溫度經(jīng)過換熱設(shè)備換熱后,不能滿足末端供暖設(shè)備要求的溫度,但能夠滿足熱泵機(jī)組低源側(cè)進(jìn)水溫度時(shí),開啟熱泵機(jī)組,此時(shí)太陽能集熱裝置提供的熱水相當(dāng)于提高熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度,提高熱泵的供熱系數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗的減少；3)輔助熱源供熱模式：太陽能集熱器提供的熱水低于熱泵機(jī)組要求的最低進(jìn)水溫度時(shí),開啟輔助熱源[5]。

4 模擬與分析

4.1 計(jì)算模型建立

本文選擇Trnsys(Transient System Simulation Program),即瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行模擬分析。Trnsys軟件最大的特點(diǎn)就是在于其模塊化的分析方式,對(duì)特定模塊給定輸入條件,便能對(duì)某種特定熱傳輸現(xiàn)象進(jìn)行模擬,最后通過多個(gè)模塊的匯總實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的瞬時(shí)模擬分析。

根據(jù)系統(tǒng)組成、工作原理與控制策略,建立了如圖3的太陽能+熱泵系統(tǒng)的計(jì)算模型。

模擬建立完畢后,需要對(duì)模型中的主要設(shè)備——太陽能集熱器、熱泵的參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行輸入。

圖3 太陽能+熱泵系統(tǒng)計(jì)算模型

本研究采用具有熱性能好、安全性強(qiáng)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)的平板型集熱器,依據(jù)規(guī)范《太陽能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50495—2009)》中的公式5.2.2-1,根據(jù)Dest-h的模擬結(jié)果可知,Qh=12 807 W。南京地區(qū)為太陽能資源一般區(qū),取太陽能保證率f=30%,南京地區(qū)集熱器采光面上的平均日太陽輻射量JT=12 898 kJ/(m2·d),取ηcd=0.4,ηL=0.1,計(jì)算出太陽能集熱器面積AC=71.5 m2。考慮水源熱泵的設(shè)計(jì)容量應(yīng)滿足建筑采暖負(fù)荷的需求,模型中的熱泵性能參數(shù)為：額定制熱量為14.1 kW,制熱功率為3.5 kW,性能系數(shù)為4.11的水環(huán)式熱泵機(jī)組。根據(jù)太陽能集熱器采光面積與集熱系統(tǒng)可利用溫差,貯熱水箱的容積設(shè)定為200 L。

4.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

通過Trnsys軟件模擬,對(duì)數(shù)據(jù)按如下要求進(jìn)行分析：供熱季為12月1日至次年的2月28日,電價(jià)為0.52元/kW·h,電采暖效率為0.95進(jìn)行計(jì)算分析。得出太陽能+熱泵供暖系統(tǒng)、空氣源熱泵和電采暖系統(tǒng)在供暖季中,不同系統(tǒng)的耗能量,以及不同系統(tǒng)在運(yùn)行過程,循環(huán)水泵消耗的電量。三種采暖模式比較見表1。

表1 三種采暖模式比較

通過比較可以發(fā)現(xiàn)太陽能+熱泵的采暖系統(tǒng)能夠大大提高對(duì)能量的利用率,整個(gè)系統(tǒng)在供暖季中的供熱效率達(dá)到了4.5,相較于傳統(tǒng)的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)2.8,提高了60.7%。而電采暖系統(tǒng)則是利用高品位的電能進(jìn)行采暖,故不建議采用電能進(jìn)行采暖。

太陽能+熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空氣源熱泵比較而言,由于系統(tǒng)更加復(fù)雜,增加了太陽能集熱裝置,集熱水泵的增加,導(dǎo)致系統(tǒng)的循環(huán)水泵的耗電量增加。但由于集熱裝置的存在,將熱泵的供熱效率大大提高了,所以，總體來說,對(duì)于能源的利用是更高效的。

按照電價(jià)進(jìn)行計(jì)算,三種采暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用分別為：1 187.4元、1 843.1元、5 256.6元,太陽能+熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低,相較于空氣源熱泵節(jié)省了35.6%。

除了需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用外,還需要對(duì)系統(tǒng)的全生命周期的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,費(fèi)用年值法是目前動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法中最常用的方法,根據(jù)系統(tǒng)模型與目前市場行情,按照機(jī)組費(fèi)用15 000元,集熱器8 000元,水箱1 200元,戶內(nèi)地板輻射系統(tǒng)31 350元,循環(huán)水泵(3個(gè))900元,換熱器2 000元進(jìn)行初投資費(fèi)用計(jì)算,得出單位面積初投資費(fèi)用為205.1元/m2。根據(jù)模擬結(jié)果,可知該系統(tǒng)的年運(yùn)行單位面積的電費(fèi)為4.17元/m2,若按照系統(tǒng)維修費(fèi)率為1.5%計(jì)算,則年運(yùn)行費(fèi)用=205.1×1.5%+4.17=7.25元/m2。按照水源熱泵及太陽能集熱器的使用年限,以及系統(tǒng)綜合使用年限15年進(jìn)行計(jì)算,可算出本系統(tǒng)的費(fèi)用年值為34.2元/m2。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),目前常用的供暖系統(tǒng)方案中,不同采暖方式的年費(fèi)用值為：集中供熱的末端地板輻射供暖為23.72元/m2，電加熱普通暖氣片供暖為37.15元/m2。由此可見，本系統(tǒng)的采暖模式低于電加熱普通暖氣片供暖,高于集中供暖末端地板輻射采暖方式,但由于國家能源戰(zhàn)略要求,夏熱冬冷地區(qū)不建議采用集中供暖的模式,故該系統(tǒng)適宜于該地區(qū)的冬季住宅采暖,經(jīng)濟(jì)性較好。

5 結(jié) 語

綜上所述,太陽能+熱泵系統(tǒng)相較于空氣源熱泵、電采暖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了對(duì)能量更高效的應(yīng)用。而與此同時(shí),達(dá)到相同的供暖效果,太陽能+熱泵系統(tǒng)所需要的能量也是最少的,雖然從經(jīng)濟(jì)性分析比較中得出,該系統(tǒng)采暖模式并非最優(yōu),但結(jié)合國家的能源戰(zhàn)略,該系統(tǒng)還是能夠適用于該地區(qū)冬季的采暖需求的,為該地區(qū)零能耗住宅建筑的實(shí)現(xiàn)提供有力保障。