程 程 姜益強(qiáng) 王 菲

(1 華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200002；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 哈爾濱 150006；3 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室 哈爾濱 150090；4 北控晉安新能源科技發(fā)展(北京)有限公司 北京 101100)

為實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰行動方案[1]，我國對多個高能耗領(lǐng)域提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格的目標(biāo)，在“碳達(dá)峰十大行動”中便有“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動”，號召全國推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快提升建筑能效水平、加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)。國家印發(fā)的《深入開展公共機(jī)構(gòu)綠色低碳引領(lǐng)行動促進(jìn)碳達(dá)峰實施方案》[2]，明確了要加快能源利用綠色低碳轉(zhuǎn)型，推廣太陽能光伏光熱項目，推動太陽能供應(yīng)生活熱水項目建設(shè)，開展太陽能供暖試點。在可見的未來，低能耗建筑和利用太陽能資源進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型均將成為行業(yè)發(fā)展的主流。

隨著建筑低能耗節(jié)能改造和近零能耗建筑的推廣，供暖能耗不斷降低，生活熱水能耗逐漸成為居住建筑的主要能耗，且城市緯度越高，該現(xiàn)象越明顯，不同氣候區(qū)城市的供暖與生活熱水年總負(fù)荷比例如圖1所示[3]。生活熱水負(fù)荷的高能耗占比和其目前“有供無回”的使用形式，導(dǎo)致大量生活熱水使用后的廢水直接排走，造成較大的能源浪費，因此，本文擬引入太陽能并通過熱泵系統(tǒng)對生活廢水進(jìn)行熱回收，進(jìn)一步實現(xiàn)降低近零能耗建筑的能耗。

目前國內(nèi)外在太陽能耦合空氣源熱泵[4-6]、太陽能耦合地源熱泵[7-9]等方面的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而污水源熱泵系統(tǒng)大多依托于醫(yī)院[10-11]、洗浴中心[12-13]、游泳池[14-15]此類能夠產(chǎn)生廢水余熱同時有工藝熱能需求或廠房制冷需求的公用建筑中，并不適用單戶家庭。為此，本文提出一種新型太陽能-污水源熱泵供熱系統(tǒng)，從居住建筑戶式住宅角度出發(fā)，通過系統(tǒng)仿真模擬與實驗結(jié)果相互驗證的方式來研究太陽能-污水源熱泵系統(tǒng)的運行特性，同時分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)近零能耗建筑中冬季供暖、全年供生活熱水的運行效果與經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)形式

圖2所示為本文提出的太陽能耦合污水源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過嵌套水箱將生活熱水與供暖熱水進(jìn)行分隔，外部水箱熱水用于供暖，內(nèi)部水箱用于供生活熱水；將熱泵系統(tǒng)冷凝器置于外部水箱下部對供暖熱水進(jìn)行直接加熱，避免了二次換熱導(dǎo)致的熱損失。太陽能集熱器和廢水取熱裝置作為本系統(tǒng)的兩個外部熱源，其中廢水取熱裝置上部設(shè)置過濾裝置，內(nèi)部包含兩套盤管分別為洗浴用市政自來水預(yù)熱和作為熱泵蒸發(fā)器取熱的盤管。本系統(tǒng)通過F1、F2閥門的開閉可以完成太陽能集熱器作為熱泵蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩春妥鳛橹苯由顭崴到y(tǒng)加熱器的切換，實現(xiàn)在太陽能集熱器水溫較低時系統(tǒng)作為熱泵工作，而在水溫高時直接加熱生活熱水，實現(xiàn)能量的充分利用。

1 壓縮機(jī)；2 冷凝器；3 毛細(xì)管(節(jié)流裝置)；4 廢水取熱裝置；5 套管式換熱器；6 循環(huán)水泵；7 太陽能集熱器；8 外水箱；9 內(nèi)水箱；10 供熱管線；11 供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵；12 速熱裝置；F1～F3電磁閥；F4～F6閘閥；F7混水閥。圖2 太陽能耦合污水源熱泵系統(tǒng)Fig. 2 Solar coupled sewage-source heat pump system

本系統(tǒng)有多種運行模式可以適應(yīng)不同氣候條件：當(dāng)系統(tǒng)無供暖需求時，太陽能集熱器制取的熱水直接供給內(nèi)水箱實現(xiàn)供生活熱水，熱泵系統(tǒng)不運行；而在冬季系統(tǒng)有供暖需求時，太陽能熱泵和污水源熱泵分別在太陽能集熱器水溫和廢水取熱裝置內(nèi)污水溫度較高時開啟。由此，本系統(tǒng)可以靈活地實現(xiàn)單獨供生活熱水、單獨供暖以及供暖兼供生活熱水等模式，同時充分考慮了能源的階梯性，有效提高了系統(tǒng)能源利用率。

2 仿真模型

2.1 模型建立

據(jù)2019年中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示[16]，我國平均家庭規(guī)模為2.6人/戶，人均居住面積為36.65 m2，本模擬設(shè)定家庭為3人，居住面積為110 m2，室內(nèi)設(shè)置地板輻射采暖系統(tǒng)，住宅建筑模型如圖3所示。按照我國不同氣候分區(qū)，分別選取長春、烏魯木齊、西寧、北京以及上海5個城市的近零能耗住宅研究該系統(tǒng)的運行情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗參考GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]中對不同地區(qū)要求的限值。

圖3 住宅建筑模型Fig. 3 Residential building model

該太陽能耦合污水源熱泵系統(tǒng)特性模擬利用TRNSYS平臺搭建計算模型，系統(tǒng)構(gòu)件主要包括氣象參數(shù)(type109)、太陽能集熱器(type1b)、水泵(type3b)、控制器(type2b)以及TRNSYS外接EES (type62)等，由于TRNSYS本身的蓄熱水箱模型不能滿足本系統(tǒng)的水箱及多源熱泵計算需求，基于分層水箱計算原理，借助EES軟件開發(fā)了嵌套水箱的計算模型，并通過type62實現(xiàn)兩軟件的鏈接，系統(tǒng)的模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)模型設(shè)計參數(shù)Tab. 1 System model design parameters

分層水箱數(shù)學(xué)模型[18]主要包括外水箱模型、內(nèi)水箱底層盤管預(yù)熱模型、內(nèi)水箱模型、冷凝器模型4個部分。外水箱的數(shù)學(xué)模型假定由6個完全混合的水箱段組成如圖4所示，則分層水箱中每層的溫度可以通過能量守恒方程進(jìn)行計算：

圖4 外水箱分層數(shù)學(xué)模型Fig. 4 Layered mathematical model of outer water tank

(1)

(2)

內(nèi)水箱底層盤管預(yù)熱過程由管內(nèi)受迫對流傳熱式計算[19]：

(3)

(4)

內(nèi)水箱同樣存在溫度分層現(xiàn)象，考慮內(nèi)水箱容積較小，采用集總參數(shù)法，用水箱的平均水溫來反應(yīng)水箱的溫度，熱平衡計算式為：

(5)

冷凝器采用ε-NTU法，計算式為：

(6)

ε=1-e-NTU

(7)

關(guān)鍵部件參數(shù)的選型對系統(tǒng)運行結(jié)果影響較大，由于不同氣候區(qū)建筑能耗、氣象條件有較大差異，系統(tǒng)關(guān)鍵部件按照氣候分區(qū)分別進(jìn)行選型。其中太陽能集熱器面積對于系統(tǒng)運行的正向影響較大，若按冬季負(fù)荷選型，會導(dǎo)致夏季時系統(tǒng)水溫過高造成浪費，因此太陽能集熱器面積按照冬夏二者均值選取，選型結(jié)果如表2所示。

表2 5地?zé)岜孟到y(tǒng)關(guān)鍵部件選型Tab. 2 Selection of key components of heat pump system in five places

根據(jù)計算模型，長春、北京、上海、西寧、烏魯木齊的供暖年耗熱量分別為1 916.6、1 978.0、1 927.6、1 649.3、875.9 kW·h；每平方米年耗熱量分別為17.42、17.98、17.52、14.99、7.96 kW·h/(m2·a)；生活熱水負(fù)荷為1 325 kW·h占總耗熱量的比例分別為0.41、0.40、0.39、0.45、0.60。

2.2 模型驗證

為保證模型計算結(jié)果正確，對模型進(jìn)行時間步長無關(guān)性驗證和實驗驗證。圖5所示為不同時間步長的誤差分析，將系統(tǒng)的模擬計算時間步長分別設(shè)定為0.012 5、0.025、0.05、0.1、0.2 h進(jìn)行計算，結(jié)果表明，時間步長為0.2 h的計算結(jié)果偏離，0.012 5 h計算結(jié)果超過10%，0.1 h的步長計算結(jié)果只偏離約5%，因此模型計算的時間步長選取為0.1 h。

圖5 不同時間步長誤差分析Fig. 5 Error analysis of different time steps

為驗證模型，在長春某超低能耗建筑中搭建了如圖6所示的系統(tǒng)實驗臺，并進(jìn)行供暖及供生活熱水實驗，測試了系統(tǒng)運行時嵌套水箱溫度分層及實際供暖出水溫度等，通過將計算模型參數(shù)設(shè)置為實驗臺實際參數(shù)得到的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證計算模型結(jié)果的正確性，實驗臺參數(shù)設(shè)定如表3所示，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比如圖7所示。由圖7可知，本模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差范圍在±5%以內(nèi)，利用本模型進(jìn)行模擬計算可以保證仿真結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖6 實驗臺布置Fig. 6 Layout of test bench

表3 實驗設(shè)備及運行參數(shù)Tab. 3 Experimental equipments and operating parameters

圖7 實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比對Fig. 7 Comparison between experimental data and simulation results

3 系統(tǒng)運行仿真結(jié)果及分析

不同氣候區(qū)供暖季時間不同，本文模擬計算熱泵系統(tǒng)冬季運行效果時按照當(dāng)?shù)氐墓┡鹬箷r間進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡練夂蜃兓O(shè)定熱水循環(huán)流量分級調(diào)節(jié)以更大程度實現(xiàn)節(jié)能，系統(tǒng)夏季作為常規(guī)太陽能熱水系統(tǒng)加熱內(nèi)水箱供水，長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的供暖起止時間及熱水流量設(shè)置如表4所示。供暖季運行效果如圖8所示。

表4 供暖季各時段太陽能循環(huán)熱水及供暖循環(huán)熱水流量設(shè)置Tab. 4 Flow setting of solar circulating and heating circulating hot water in each period of heating season

圖8 5地供暖季供暖兼制熱水內(nèi)外水箱出口溫度隨供暖時長變化Fig. 8 The outlet temperature of internal and external water tanks for heating and domestic hot water in five places varies with heating season

計算結(jié)果表明，系統(tǒng)在長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的平均供暖水溫分別為42.5、40.7、41.6、40.9、40.7 ℃；供生活熱水出口平均溫度(電補熱前)分別為36.2、34.7、34.5、38.2、33.7 ℃；全年實際供熱量為3 401.8、3 302.5、3 252.1、2 973.8、2 200.4 kW·h；供生活熱水熱量為1 325 kW·h；全年共需電補熱量127.0、697.4、228.3、159.6、141.2 kW·h；冬季系統(tǒng)能效比分別為3.68、3.54、3.71、3.61和4.17。

為分析各系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文采用費用現(xiàn)值法直觀地對比各個系統(tǒng)，計算方法如式(8)。熱泵系統(tǒng)初投資包括太陽能集熱器(350元/m2)、循環(huán)水泵(300元)、套管式換熱器(300元)、廢熱回收裝置(1 000元)、熱泵部件(1 100元)、嵌套水箱(4 000元)；天然氣熱水系統(tǒng)與電熱水系統(tǒng)結(jié)合市場價格分別設(shè)定設(shè)備初投資為8 600元與6 080元。結(jié)合各地電價及天然氣價格標(biāo)準(zhǔn)，按設(shè)備使用年限為10年計算得本系統(tǒng)應(yīng)用在各地費用現(xiàn)值如表5所示。

PC=CO+CR(P/F,i0,t)

(8)

(P/F,i0,t)=(1+i0)t

由表5可知，本系統(tǒng)在長春、西寧、北京、上海4地經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢顯著。由于烏魯木齊地區(qū)天然氣價格優(yōu)勢顯著(烏魯木齊1.34元/m3；長春2.8元/m3；西寧2.45元/m3；北京2.28元/m3；上海310 m3以內(nèi)為3元/m3、310～520 m3為3.3元/m3、520 m3以上為4.2元/m3)，經(jīng)濟(jì)上更適用天然氣熱水系統(tǒng)。

表5 5地本系統(tǒng)供暖兼制生活熱水費用現(xiàn)值Tab. 5 Present value of annual operation cost of heating and domestic hot water system in five places

4 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)，本文提出了一種適用于近零能耗居住建筑的新型太陽能-污水源熱泵供暖系統(tǒng)，基于TRNSYS軟件建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證，基于驗證的模型研究了系統(tǒng)在長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海5地近零能耗建筑中供暖兼制熱水的運行效果并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。得到結(jié)論如下：

1)系統(tǒng)在5地的供暖平均溫度均達(dá)到40 ℃以上，供生活熱水平均溫度在電補熱前也可以保證在33 ℃以上，系統(tǒng)能效均達(dá)到3.5以上；運行效果良好，節(jié)能效果顯著。

2)經(jīng)濟(jì)性方面，系統(tǒng)在長春、西寧、北京、上海4地相比傳統(tǒng)的電熱水系統(tǒng)和天然氣熱水系統(tǒng)均具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但烏魯木齊地區(qū)天然氣價格優(yōu)勢顯著，經(jīng)濟(jì)上更適用天然氣熱水系統(tǒng)。

符號說明

γi——控制函數(shù)

αi——當(dāng)?shù)趇層有源側(cè)的流體流入時，αi=1， 否則為0

βi——當(dāng)?shù)趇層有負(fù)荷側(cè)的流體流入時，βi=1， 否則為0

Mi——第i層流體質(zhì)量流量， kg/s

Tenv——水箱周圍的環(huán)境溫度， ℃

Ti——水箱第i層的平均溫度，℃

Th——能量來源給水箱的進(jìn)水溫度，℃

U——單位面積能量耗散系數(shù)， J/(m2·℃)

Ai——與周圍環(huán)境散熱的面積， m2

Qi——輔助加熱設(shè)備的加熱量， J

τ——時間， s

c——水的比熱容， J/(kg·℃)

Re——雷諾數(shù)

ρ——水的密度， kg/m3

v——管內(nèi)流體速度， m/s

d——管直徑， m

μ——流體的動力黏度， Pa·s

l——管長度， m

Nu——努塞爾數(shù)

h——對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， W/(m2·K)

Pr——普朗特數(shù)

A——盤管傳熱面積， m2

(Mc)min——換熱器流體中熱容量較小值， W/K

NTU——傳熱單元數(shù)

θ——內(nèi)水箱與外水箱的溫差， ℃

V——內(nèi)水箱容積， m3

ε——傳熱有效性

PC——費用現(xiàn)值， 元

CO——初投資， 元

CR——年運行費用， 元

P——終值， 元

F——現(xiàn)值， 元

i0——基準(zhǔn)折現(xiàn)率， 取8%

t——設(shè)備使用年限， 取10年

下標(biāo)

f——管內(nèi)

w——管外

0——內(nèi)水箱