祝銘 劉雄* 李林蔚 錢亞中 葉志成 王彥杰

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

空氣源熱泵憑借其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢發(fā)展迅速，但在使用過程中存在除霜過程不能連續(xù)供熱、除霜能耗大以及運(yùn)行電費(fèi)高昂等缺點(diǎn)。

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)除霜方式缺陷，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。如：①提供新型除霜方式：蓄能除霜[1-3]、雙熱氣旁通除霜[4]、多熱源輔助除霜[5]等。②選擇先進(jìn)抑霜方式：高壓電場抑霜[6]、磁場抑霜[7]、超聲波抑霜[8]等。③改善蒸發(fā)器側(cè)表面及結(jié)構(gòu)：聚合物親水表面[9]，疏水表面[10]，不對稱百葉式翅片[11]等。

雖然大量的相關(guān)研究有效地改善了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性或連續(xù)性，但在工程實(shí)際運(yùn)用推廣中，不僅要避免結(jié)霜、除霜帶來的負(fù)面影響，還應(yīng)當(dāng)控制額外的經(jīng)濟(jì)成本，平衡初投資與運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系。

本文提供一種額外造價(jià)低、能夠克服現(xiàn)有除霜技術(shù)缺陷并可以利用峰谷電及變流量運(yùn)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)。以西安某別墅建筑作為研究對象，基于 Trnsys 平臺建立仿真模型，分析其在設(shè)計(jì)運(yùn)行模式下全年運(yùn)行費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)性。

1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)工作原理

如圖1 所示為本文所研究的系統(tǒng)，其主要組成部件為：壓縮機(jī)構(gòu)1，四通閥20，四通閥30，單向閥4，單向閥5，室外換熱器6，室內(nèi)換熱器7，室外換熱器8，節(jié)流機(jī)構(gòu)9，節(jié)流機(jī)構(gòu)10，蓄熱水箱11，壓差傳感器12，電磁閥13，變頻水泵14，三通閥15和壓差控制閥16。

圖1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱除霜，并且在運(yùn)行過程中室內(nèi)換熱器7 一直處于冷凝壓力下，沒有凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，故在變流量運(yùn)行節(jié)約能耗上有一定的優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：連續(xù)供熱除霜功能、熱泵邊蓄邊供功能、熱泵直供不蓄功能、水箱釋熱供暖功能。文獻(xiàn)[13]介紹了該熱泵機(jī)組的工作流程及連續(xù)供熱除霜原理，下面是該系統(tǒng)在夜間和日間運(yùn)行工況下，系統(tǒng)的運(yùn)行控制方案。

1）夜間運(yùn)行。當(dāng)開啟蓄熱時(shí)，系統(tǒng)夜間運(yùn)行采取熱泵邊蓄邊供形式，充分利用低谷時(shí)段電能，不僅能滿足夜間用戶的熱需求，還能儲存一定的熱量在水箱之中，用于第二天高峰時(shí)段時(shí)使用。此時(shí)該工況下，熱泵機(jī)組開啟，水環(huán)路側(cè)電磁閥13 及壓差控制閥16 關(guān)閉，蓄熱水箱11 與用戶端并聯(lián)，變頻水泵 14 工頻運(yùn)行,三通閥 15 調(diào)節(jié)開度,優(yōu)先滿足用戶熱需求，多余熱量通過旁通進(jìn)入水箱進(jìn)行蓄熱。

2）日間運(yùn)行。在高峰時(shí)段運(yùn)行，蓄熱充足時(shí)采用水箱釋熱供暖，關(guān)閉熱泵機(jī)組和壓差控制閥 16，開啟電磁閥 13，三通閥 15 旁通關(guān)閉，而直通全開，此時(shí)變頻水泵14 根據(jù)壓差傳感器12 的信號變頻運(yùn)行，可節(jié)省部分高峰時(shí)段耗電量。

當(dāng)蓄熱遇到蓄熱不足的情況時(shí)，采取熱泵直供不蓄形式，避免消耗過多高峰電力。此時(shí)，熱泵機(jī)組處于開啟狀態(tài)，關(guān)閉電磁閥13，壓差控制閥 16 開啟正常工作，三通閥15 直通開啟，旁通關(guān)閉,阻止水流進(jìn)入蓄水箱11 中，多余流量通過壓差控制閥16 回到室內(nèi)換熱器7 完成循環(huán)。

2 建筑熱負(fù)荷計(jì)算及設(shè)備選型

2.1 建筑熱負(fù)荷計(jì)算

采用西安市某小型別墅建筑作為模型，空調(diào)面積為 130 m2，地上兩層，頂層加蓋閣樓，總建筑高度8.3 m，建筑采用毛細(xì)管輻射板供暖。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用Energyplus 軟件，建立建筑模型如圖2 所示，導(dǎo)入西安地區(qū)氣象參數(shù)，設(shè)置滲透換氣次數(shù)為 0.5 次/h。設(shè)置供暖設(shè)計(jì)溫度為18 ℃。輸入合理內(nèi)擾及活動表。24 h 連續(xù)供暖，對供暖季（11 月15 日至次年3 月15 日）逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行模擬。

圖2 西安某別墅建筑模型示意圖

模擬結(jié)果見圖 3，可知全供暖季總熱負(fù)荷為7158.36 kW。最大熱負(fù)荷為7.24 kW，出現(xiàn)在1 月16 日8:00，此時(shí)室外干球溫度為-5.9 ℃。按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定室外設(shè)計(jì)溫度為-3.2 ℃，此時(shí)對應(yīng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為5.04 kW。

圖3 建筑逐時(shí)熱負(fù)荷

2.2 設(shè)備選型

1）空氣源熱泵機(jī)組

本文所研究空氣源熱泵系統(tǒng)，在非除霜工況下運(yùn)行期間兩側(cè)室外換熱器共同吸熱運(yùn)行，為便于分析評價(jià)，可以認(rèn)為其在運(yùn)行時(shí)與廠家樣本所示參數(shù)相同。

根據(jù)負(fù)荷結(jié)果確定空氣源熱泵機(jī)組選型負(fù)荷，為滿足全年熱負(fù)荷工況，忽略電輔助加熱影響，選型條件需滿足最不利條件下的熱負(fù)荷。

選用 DNF-E80W-520 型空氣能熱泵機(jī)組，額定值熱量8000 W，額定功率2490 W。

2）毛細(xì)管輻射板設(shè)計(jì)

參照文獻(xiàn)[14]實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對目標(biāo)建筑鋪設(shè)面積Am進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qs為建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，W；Qd為毛細(xì)管輻射板單位面積散熱量，取 170.6 W/m2。

定目標(biāo)建筑物鋪設(shè)毛細(xì)管輻射板共計(jì)30 m2。

實(shí)際供水流量G滿足以下關(guān)系：

式中：tg為供水溫度，℃；G為供水流量，kg/h。

3）蓄熱水箱

為確定蓄熱水箱體積，自供暖開始時(shí)刻（11 月15日）起對供暖日白天逐日總熱負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)水箱蓄熱量為 40 kWh，并參照文獻(xiàn)[15]計(jì)算得水箱為體積4.08 m3，直徑1.8 m，高 1.47 m 的圓柱體。

4）水泵

水泵設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式如下：

式中：Qe為熱泵機(jī)組額定熱負(fù)荷，kW；△t1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫差，本設(shè)計(jì)取5 ℃。

水泵揚(yáng)程主要包括管道總阻力，熱泵阻力及末端阻力等。

計(jì)算得到選取 CME3-2 型號變頻泵，流量1.4 m3/h，揚(yáng)程11 m，功率0.14 kW。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 簡化假設(shè)

由于系統(tǒng)復(fù)雜，想要精準(zhǔn)的進(jìn)行模擬仿真較難達(dá)到，根據(jù) Trnsys 模擬特點(diǎn)及仿真目的，在系統(tǒng)建模時(shí)做以下假設(shè)：

1）忽略載熱流體熱物性隨流體溫度的變化。

2）忽略系統(tǒng)中管路熱損失。

3）忽略水泵及熱泵在運(yùn)行過程中的能耗造成的溫升及性能變化。

4）管內(nèi)流體在同一截面上溫度和速度分布是均勻一致的。

5）運(yùn)行過程中不考慮結(jié)、除霜對熱泵制熱能力的影響。

6）忽略設(shè)備停開造成的瞬時(shí)額外功耗。

7）認(rèn)為在短暫時(shí)間間隔內(nèi)各節(jié)點(diǎn)溫度恒定。

3.2 運(yùn)行策略

1）流量控制策略

熱泵機(jī)組壓縮機(jī)為定頻壓縮機(jī)，室內(nèi)換熱器7 的水流量應(yīng)該在額定流量的±30%內(nèi)，以保證熱泵的正常運(yùn)行。

邊蓄邊供狀態(tài)下，優(yōu)先滿足用戶的用熱需求，額外熱水流量進(jìn)入水箱進(jìn)行蓄熱。當(dāng)不需要蓄熱時(shí)，則通過壓差控制閥16 旁通流回?zé)岜谩?/p>

2）溫度控制策略

熱泵啟?？刂疲罕ＷC熱泵回水溫度不超過 40 ℃，當(dāng)熱泵回水水溫超過40 ℃即關(guān)閉熱泵機(jī)組，同時(shí)保證水循環(huán)泵開啟持續(xù)供熱。

根據(jù)末端供熱溫度范圍要求，水箱蓄熱時(shí)認(rèn)為45 ℃以上為蓄滿狀態(tài)，38 ℃以下為釋熱下限。

3）時(shí)間控制策略

供暖季連續(xù)供暖即 11月15日至下一年 3月15日。其他時(shí)間不開啟機(jī)組。

電力條件考慮峰谷電價(jià)差異，高峰時(shí)段為8:00～20:00、低谷時(shí)段為20:00～次日8:00。按照西安地區(qū)電價(jià)進(jìn)行設(shè)置：高峰電價(jià) 0.5983 元/kWh、低谷電價(jià)0.3483 元/kWh。

蓄熱工況下，高峰電力時(shí)段優(yōu)先使用水箱釋熱，若出現(xiàn)蓄熱不足情況則開啟熱泵直供不蓄。

3.2 仿真模型

采用Trnsys 軟件對圖1 所示系統(tǒng)進(jìn)行建模，主要使用部件有：空氣源熱泵模塊（type941）、變頻水泵（type270）、負(fù)荷處理模塊（type682）、水箱（type4c）、分流器（type11f）、合流器（type11h）、計(jì)算器等。通過計(jì)算器及分集水器的信號實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)控制切換。各部件鏈接示意如圖4。

圖4 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)仿真模型

3.3 結(jié)果分析

全供暖季耗電量為 3753.7 kWh，運(yùn)行價(jià)格為1323.88 元，供暖費(fèi)用為2.55 元/(m2·月)。全年COP 平均為2.7。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

由于空氣源熱泵節(jié)能環(huán)保的特性，在“煤改電”推進(jìn)中得到了較高重視，很多地區(qū)有不同的鼓勵政策以降低用戶改造費(fèi)用，一般為不同額度的一次性補(bǔ)貼或享受更優(yōu)惠的低谷電價(jià)兩種途徑。本文將分析用戶在不同補(bǔ)貼條件下的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 初投資分析

不考慮室內(nèi)側(cè)造價(jià)差異，新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)初投資主要包括：熱泵機(jī)組14300 元，變頻水泵700 元，蓄熱水箱2000 元，共計(jì)17000 元?！懊焊碾姟庇脩粢话憧上硎?3000 至 25000 元額度不等的一次性補(bǔ)貼，對于用戶而言極大地降低了初投資費(fèi)用。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

從運(yùn)行費(fèi)用來看，西安地區(qū)集中供暖費(fèi)用為 5.8元/(m2·月)，計(jì)算得供暖季一年費(fèi)用為 3016 元。采用新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)不采用低谷電優(yōu)惠時(shí)，由模擬可知該系統(tǒng)在本文運(yùn)行策略下不考慮除霜時(shí)年運(yùn)行費(fèi)用約為1324 元。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的介紹，圖 1 所示系統(tǒng)因?yàn)橛袃山M室外換熱器，故可以實(shí)現(xiàn)一種新的除霜方法，即：從室外空氣中吸熱化霜并同時(shí)可以連續(xù)供熱，避免了常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)的冷熱抵消問題，更節(jié)能，而且化霜時(shí)間可以大幅度降低，根據(jù)實(shí)測，圖 1 所示系統(tǒng)的化霜時(shí)間只有常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)化霜時(shí)間的大約四分之一，因此由于除霜造成的額外費(fèi)用遠(yuǎn)低于常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)的10%[16-17]。

另一方面，在運(yùn)行控制策略上有較大優(yōu)化空間，能夠進(jìn)一步降低運(yùn)行費(fèi)用。綜上分析，該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較集中供暖能夠節(jié)省一半以上。

在此同時(shí)，“煤改電”用戶可享受為 0.1～0.3 元/kWh 不等的低谷電優(yōu)惠價(jià)格，極大地降低了用戶的運(yùn)行成本。

4.3 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)

為綜合研究新型空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文使用凈現(xiàn)值及動態(tài)回收期的方法進(jìn)行分析。

凈現(xiàn)值法計(jì)算方法如下：

式中：CF 為凈現(xiàn)值流量，元；i為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，取 0.08；I為系統(tǒng)的總投資額，元；n則為項(xiàng)目方案壽命周期，取 12 年。

當(dāng)凈現(xiàn)值＞0 時(shí)方案可行，并且值越大則經(jīng)濟(jì)性越高。

動態(tài)回收期計(jì)算方式如下：

Pt=(累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)-1)+上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對值/出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值

忽略如維修費(fèi)用、用戶端費(fèi)用、管道造價(jià)、集中供暖系統(tǒng)初投資等次要因素影響，可認(rèn)為凈現(xiàn)值流量為集中供暖與新系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的差值。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

在不同一次性補(bǔ)貼及低谷電價(jià)情況下該系統(tǒng)的NPV 計(jì)算結(jié)果如圖5 所示，系統(tǒng)的運(yùn)行動態(tài)回收年限如圖6 所示。

圖5 不同補(bǔ)貼情況下NPV 情況

圖6 不同補(bǔ)貼情況下動態(tài)回收期

可以看出，與集中供暖相比，使用熱泵供暖對用戶而言會產(chǎn)生較高的初投資成本，但是由于該新系統(tǒng)的優(yōu)勢，在較少補(bǔ)貼政策下，用戶即可在熱泵壽命周期內(nèi)享受到較高經(jīng)濟(jì)收益。

在“煤改電”政策補(bǔ)貼力度大的地區(qū)，如北京，一次性補(bǔ)貼設(shè)備投資的90%，且可享受0.1 元/kWh 的低谷電價(jià)，采用該系統(tǒng) NPV=11051＞0，動態(tài)回收期為0.7 年。補(bǔ)貼力度小時(shí)，如一次性補(bǔ)貼3000 元、低谷電優(yōu)惠價(jià)格0.3 元/kWh 情況下，系統(tǒng)NPV=92 元＞0，動態(tài)回收期為11.9 年。

綜上所述，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性受補(bǔ)貼額度影響較大，在高一次性補(bǔ)貼及較低低谷電價(jià)情況下經(jīng)濟(jì)性效果更加凸顯。

5 結(jié)語

本文提出的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有除霜方式缺陷的同時(shí)控制了初投資的增加，并且能有效地利用峰谷電及變流量運(yùn)行。通過Energyplus 及Trnsys 軟件模擬計(jì)算和分析，結(jié)果表明：在西安現(xiàn)有的峰谷電價(jià)下，該系統(tǒng)供暖季運(yùn)行費(fèi)用與集中供暖年費(fèi)用相比可降低50%以上。在低谷電價(jià)為0.2 元/kWh，且有 6000 元設(shè)備補(bǔ)貼的情況下，該系統(tǒng)能夠在7 年左右回收初投資。