研究嚴寒地區(qū)太陽能與其他能源相結合系統(tǒng)能源配比

摘要：提出太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統(tǒng)形式，選取嚴寒地區(qū)典型建筑為基準建筑，運用Dest軟件進行動態(tài)負荷模擬，根據整個供暖季供暖相對負荷比，確定不同供暖期系統(tǒng)運行模式；以TRNSYS瞬時模擬軟件為平臺，建立太陽能補熱系統(tǒng)的仿真模型，從能耗、經濟性兩方面確定互補供熱系統(tǒng)中各部分能源的最佳配比。 　　研究表明：整個供暖季不同供暖期的運行模式有5種；對于嚴寒地區(qū)的基準建筑，20%~70%設計負荷出現(xiàn)的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現(xiàn)的時間僅有1小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%；互補供熱系統(tǒng)設計時，太陽能作為輔助熱源，地源熱泵承擔設計負荷的65%，其供熱量可以達到整個供暖季的89.61%，同時獲得最大的費用現(xiàn)值62.82萬元和最短的動態(tài)回收期8.77年；太陽能作為補熱系統(tǒng)，單位空調面積對應集熱器面積0.045m2時，出水溫度能夠達到50℃，同時獲得最大費用現(xiàn)值，經濟效果最佳。 　　0引言 　　現(xiàn)階段，我國供暖地區(qū)主要采用以燃煤為主的常規(guī)能源，由于供暖面積增大，有熱網無法滿足小區(qū)供暖需求現(xiàn)象普遍存在，而這些地區(qū)太陽能資源非常豐富，利用太陽能滿足供暖需求前景巨大?；诒狈胶涞貐^(qū)的氣候特點及供熱現(xiàn)狀，本文提出太陽能-地源熱泵系統(tǒng)與熱網相結合的互補供熱方式。太陽能-地源熱泵系統(tǒng)的初投資較高，很多情況下，僅地源熱泵系統(tǒng)靜態(tài)增量投資回收期高達10年甚至更高，這說明地源熱泵較低運行費用不一定能夠補償其較高的初投資。 　　而太陽能-地源熱泵與熱網聯(lián)合供暖系統(tǒng)由于熱網承擔了一部分負荷，很大程度節(jié)省初投資，從而提高了系統(tǒng)的經濟性。針對上述情況提出了太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統(tǒng)，并簡要介紹了其運行方式；從能耗和經濟性兩個方面分析地源熱泵與熱網互補供熱的比例，給出了兩者的最佳能源配比；以TRNSYS仿真模擬軟件為工具，對太陽能補熱系統(tǒng)在整個供暖期進行了仿真模擬，研究互補供熱系統(tǒng)在我國東北嚴寒地區(qū)條件下的適應性與經濟性，以期為實際工程的設計提供一定參考。 　　1互補供熱系統(tǒng)組成及運行方式 　　本文所建立的互補供熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、地下埋管換熱器系統(tǒng)、熱泵機組系統(tǒng)和熱網系統(tǒng)四套管路循環(huán)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)可以根據不同室外天氣條件以及室內熱負荷的波動情況，切換相對應的運行模式，在整個供暖期間，城市熱網都承擔一定的負荷，其他負荷由太陽能-地源熱泵系統(tǒng)提供。盡可能的利用太陽能與地熱能，熱網作為輔助能源，具體調節(jié)方式如下： 　　1.在供暖初始階段，由太陽能系統(tǒng)和熱網互補供熱，白天室外天氣晴好，而熱負荷較小時，經集熱器加熱后的供水溫度Tg高于50℃時，太陽能可以直接用于供暖。此時閥門S1到S7，V5、V6開啟，其他閥門關閉，供熱和集熱循環(huán)水泵開啟，換熱循環(huán)水泵關閉，地源熱泵機組關閉。 　　2.當太陽能系統(tǒng)出水溫度在40℃<Tg<50℃時，熱水不能直接用于供暖，此時熱水進入機組的冷凝器與地源熱泵串聯(lián)，三者互補供暖。此時閥門V7、V8關閉，其他閥門開啟，循環(huán)水泵均開啟，地源熱泵機組開啟。 　　3.當太陽能系統(tǒng)出水溫度在30℃<Tg<40℃時，熱水不能被直接利用，與地埋管換熱器串聯(lián)使其升溫，利用地源熱泵和熱網互補供暖。此時閥門V5、V6關閉，其他閥門開啟，水循環(huán)泵均開啟，地源熱泵機組開啟。 　　4.當太陽能系統(tǒng)出水溫度在15℃<Tg<30℃時，熱水不能被直接利用，直接進入熱泵機組的蒸發(fā)器，利用地源熱泵和熱網互補供暖。此時閥門V5、V6關閉，其他閥門開啟，循環(huán)泵水泵均開啟，地源熱泵機組開啟。 　　5.當太陽能系統(tǒng)出水溫度低于15℃時，太陽能集熱系統(tǒng)停止運行，僅用熱泵系統(tǒng)和熱網互補供暖。此時，閥門V5、V6、V7、V8關閉，其他閥門開啟，換熱和供熱循環(huán)水泵開啟，集熱循環(huán)水泵關閉，地源熱泵機組開啟?；パa供熱系統(tǒng)如圖1所示。 　　2熱網調節(jié)模式能耗分布 　　為了準確模擬供暖期間的總燃煤量，必須明確供暖期各時刻的負荷動態(tài)變化。本文運用Dest軟件模擬典型民用建筑的動態(tài)熱負荷，為供暖期間總燃煤量的計算提供準確的數據。 　　針對嚴寒地區(qū)某住宅小區(qū)的一棟樓進行動態(tài)負荷模擬?；鶞式ㄖ挥谶|寧省沈陽市，建筑為十一層住宅建筑。建筑面積為7730.91m2。高度為33.2m。根據熱網調節(jié)方式，圖2給出了建筑能耗在不同室外溫度下能耗比例和相對時間。 　　從上圖可以看出，設計熱負荷所占時間很短，絕大多數時間是部分負荷。對于住宅建筑來說，20%~70%設計負荷出現(xiàn)的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現(xiàn)的時間僅有1小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%。所以，逐時負荷才是方案燃料耗量的真實值根本依據，而不是設計負荷。 　　3地源熱泵-熱網系統(tǒng)互補供熱燃料耗量計算 　　太陽能不穩(wěn)定，所以為了滿足末端的供熱、供冷需求，在設計工況下，地源熱泵和熱網系統(tǒng)的容量配置不能減小，必須以沒有太陽能系統(tǒng)來配置地源熱泵系統(tǒng)的主機、水泵、地埋管數量等。所本文先給定地源熱泵-熱網系統(tǒng)的最佳能源匹配，再給定太陽能集熱器的最佳集熱面積。 　　互補供熱方式中，地源熱泵系統(tǒng)承擔絕大部分負荷，熱網承擔部分負荷，充分發(fā)揮熱泵的節(jié)能特性和熱網較低的初投資，做到節(jié)能和經濟的最佳組合。針對基準建筑，對地源熱泵系統(tǒng)承擔設計負荷比為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%這13種條件進行計算，結果如圖3所示。 　　對于基準建筑來說，地源熱泵系統(tǒng)承擔的設計負荷比從40%增加到70%時，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，而熱網的供熱量僅占10.40%。熱網的運行時間從82.5%減小到37.5%。而當熱泵承擔的設計負荷繼續(xù)增加時，其供熱量增加和熱網運行時間減小的速度變緩。 　　設計負荷比的增加，互補供暖方式的標煤耗量逐漸減小。對于住宅建筑來說，就地源熱泵系統(tǒng)而言，當地源熱泵系統(tǒng)承擔設計負荷比從70%增加到100%時，其標煤耗量僅降低5.22%。所以對于住宅建筑，地源熱泵系統(tǒng)承擔的設計負荷為70%，熱網承擔設計負荷的30%是比較節(jié)能合理的方案。表1為不同方案燃料的標煤耗量。 　　4不同方案經濟計算 　　地源熱泵系統(tǒng)造價的因素主要包括三個方面：使用地區(qū)、建筑結構與功能以及地方政策。根據現(xiàn)有實際工程測算，地下水源熱泵系統(tǒng)初投資約為250（元/m2）~420（元/m2），其中冷熱源部分投資約150（元/m2）~220（元/m2）；土壤源熱泵系統(tǒng)初投資約為300（元/m2）~480（元/m2），其中冷熱源部分投資約為200（元/m2）~270（元/m2）；燃煤鍋爐房供暖系統(tǒng)投資約150（元/m2）~200（元/m2）；燃氣分散鍋爐房供暖系統(tǒng)投資約100（元/m2）~150（元/m2）；熱電聯(lián)產集中供熱系統(tǒng)投資約200（元/m2）（包括增容費），采暖末端設備的初投資約40（元/m2）~50（元/m2）。按照每天運行24h，負荷率為0.8。對于基準建筑，在不同輔助熱源配置情況下初投資、運行費用如圖4所示。 　　為了將系統(tǒng)的初投資和運行費用綜合起來考慮系統(tǒng)經濟性，本文通過計算系統(tǒng)在其壽命周期內的總費用來獲得經濟性評價。根據工程經濟學基本原理，假設銀行貸款年利率i=8%，壽命期30年，計算項目的動態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。圖5給出了不同方案系統(tǒng)的動態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。 　　由于增加系統(tǒng)初投資和運行費用成反比，導致凈現(xiàn)值先逐漸升高，而后又緩慢降低。當地源熱泵承擔65%的設計負荷時，可以獲得最大的費用現(xiàn)值（62.82萬元），內部收益率（16.12%遠遠大于設定的銀行貸款利率8%），動態(tài)回收期為8.77年?？梢垣@得最佳的經濟效果。 　　5太陽能集熱系統(tǒng)仿真模擬分析 　　太陽能集熱器面積及末端所需的供回水溫度是影響太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)互補運行方式的兩大主要因素。沈陽的供暖期天數為151天，共3624小時，在典型的氣象年中，有太陽輻照的時間為1472小時，約占總供暖時間40.63%。為了便于分析，本文對于末端的供回水溫度要求為50℃/40℃。圖6給出了在TRNSYS軟件中建立的太陽能系統(tǒng)仿真模型。 　　設定集熱器的面積分別為180m2、300m2、500m2及1000m2四種條件，對其在供暖季的供水溫度進行仿真模擬。圖7、圖8、圖9、及圖10分別給出在供暖季四種條件下太陽能系統(tǒng)的出水溫度。 　　集熱器面積由180m2增加到1000m2時，對太陽能系統(tǒng)出水溫度超過40益影響不太大，由210h（占總供暖時間的5.79%）增加到340h（占總供暖時間的9.38%），但對于超過50益時間的影響較大，由0h（占總供暖時間的0%）增加到275h（占總供暖時間的9.02%）。 　　對于太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統(tǒng)與地源熱泵-熱網供熱系統(tǒng)來說，地源熱泵-熱網系統(tǒng)的造價是完全一樣的，所以只需要考慮因為太陽能系統(tǒng)導致初投資增加。因為太陽能是清潔免費能源，它的使用會降低系統(tǒng)的運行費用。 　　圖11給出了太陽能系統(tǒng)不同集熱面積的初投資和節(jié)約運行費用。假設銀行的貸款年利率i=8%，壽命期30年，計算項目的動態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。圖12給出了不同太陽能系統(tǒng)集熱面積下的凈現(xiàn)值和投資回收期。 　　由于增加系統(tǒng)初投資和運行費用成反比，導致凈現(xiàn)值先逐漸升高，而后降低。當太陽能系統(tǒng)集熱面積超過300m2時，太陽能系統(tǒng)投資方案的凈現(xiàn)值小于0，這就說明該工程項目已經出現(xiàn)虧損，當太陽能系統(tǒng)集熱面積小于300m2時，方案的凈現(xiàn)值大于0，工程項目可以得益。當太陽能系統(tǒng)集熱面積為300m2（即建筑每平方米空調面積需要0.045m2集熱面積）左右時，獲得最大的費用現(xiàn)值（2.70萬元），最短投資回收期15.5年，以獲得最佳經濟效果。 　　6結論 　　1.對于住宅建筑，20%~70%設計負荷出現(xiàn)的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現(xiàn)的時間僅為1小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%。 　　2.地源熱泵系統(tǒng)承擔的設計負荷比從40%增加到70%時，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，熱網的供熱量僅占10.40%，熱網的運行時間從82.5%減小到37.5%，而其標煤耗量僅降低了5.22%。對于住宅建筑，地源熱泵系統(tǒng)承擔的設計負荷為70%，熱網承擔設計負荷的30%比較節(jié)能、合理。 　　3.當地源熱泵承擔65%的設計負荷時，可以獲得最大的費用現(xiàn)值（62.82萬元），內部收益率為16.12%（遠遠大于設定的銀行貸款利率8%），動態(tài)回收期為8.77年?？梢垣@得最佳經濟效果。 　　4.隨著太陽能系統(tǒng)集熱面積的增大，系統(tǒng)的出水溫度超過50益的時間逐漸增加，但對太陽能系統(tǒng)出水溫度超過40℃影響不大。 　　5.當太陽能集熱面積大于300m2時，太陽能系統(tǒng)投資方案的凈現(xiàn)值小于0，此時工程項目已經出現(xiàn)虧損。當太陽能系統(tǒng)集熱面積為300m2左右時（即建筑每m2空調面積需要0.045m2集熱面積），獲得最大的費用現(xiàn)值，可以獲得最佳經濟效果。