太阳能—热泵冷热联供系统在建筑中的应用

文 // 苗毅 冯浩然 中国机械工业企业管理协会 张现迪 北京甘为科技发展有限公司

太阳能—热泵冷热联供系统在建筑中的应用

文 // 苗毅 冯浩然 中国机械工业企业管理协会 张现迪 北京甘为科技发展有限公司

建筑节能是提高能源利用率的有效途径和发展方向，而热泵技术能够使低品位能源得以有效利用，具有能耗低、无污染等优点。充分、合理地应用太阳能和热泵技术的集成系统，不仅能最大程度利用太阳能，有效地减少高品位能源的消耗，而且对节约能源成本、保护环境有着重大意义。

1 冷热联供系统原理

冷热联供系统是指共用了冷热源和其他相关设备，使得冷、热两部分互相联系成为一体的系统（图1）。本文中的冷热联供系统，是利用太阳能系统与热泵技术（空气源热泵、水源热泵）形成一套集成管控系统，依据室外环境变化，各热源之间相互补充，从而实现冬季向用户提供热水用于采暖，夏季提供冷水用于制冷。

与采用电动制冷、热能供热的冷热分供系统相比较，冷热联供装置的冬、夏共用不但提高了能源利用率，而且节省了热源建设上的投资，从而降低了成本，减少环境了污染。

表1 冷热集成系统设备表

图1 冷热联供系统原理图

2 冷热联供系统组成

本冷热联供系统主要由水源热泵、空气源热泵、太阳能集热器、循环水泵、板式换热器等设备组成，设备参数见表1。

图2 冷热集成系统图

表2 系统在3种模式下各设备运行

表3 系统在3种运行模式下各设备温度要求

3 系统运行模式

该冷热集成系统（图2）共有3种运行模式：太阳能+空气源热泵供暖模式（模式Ⅰ）、太阳能/空气源热泵+水源热泵供暖模式（模式Ⅱ）和工业余热+水源热泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）。

3.1 太阳能+空气源热泵供暖模式（模式Ⅰ）

供暖季初期和末期，室外气温相对较高，当室外太阳光照充足时，太阳能系统通过换热器将储热水箱温度升高至40～45℃。当白天太阳光照不足或者夜间时，开启空气源热泵进行供暖，同样将储热水箱水温升高至40～45℃，设定供水温度为45℃。经空调系统换热器，供给室内进行采暖。

3.2 太阳能/空气源热泵+水源热泵供暖模式（模式Ⅱ）

供暖中期，室外气温较低时，因空气源热泵系统制热能力不足，白天是空气源热泵系统结合太阳能系统共同供暖，夜间则由空气源热泵和水源热泵共同供暖，储热水箱内温度为15～25℃，水源热泵设定供水温度为45℃。

3.3 工业余热+水源热泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）

启动条件：当工业余热水池的温度高于15℃时，系统转为工业余热与水源热泵共同供暖。

本系统在3种不同模式下运行时，对应系统中各设备及附件开启、关闭情况如表2。

系统在3种模式下对应设备的温度要求如表3。

4 系统运行情况

本系统在北京北郊某综合办公楼用于冬季采暖，该办公楼共3层，采暖面积为4500㎡。北京市采暖设计温度为-9℃，设计热指标取50W/㎡，则综合楼设计热负荷为225kW。

系统在2014年12月～2015年3月期间共运行75d，室温维持在18～20℃，达到北京市供暖要求。

系统投入运行时为供暖中期，室外气温较低，依靠空气源热泵制热已不能满足供热需求，白天结合太阳能共同供暖，夜间结合水源热泵共同供暖，储热水箱内温度为15～25℃，水源热泵设定供水温度为45℃。当工业余热水池的温度高于15℃时，转为工业余热与水源热泵共同供暖。

供暖末期时，室外气温相对较高，当室外太阳光照充足时，系统运行模式Ⅰ，上午10时至下午17时由太阳能供暖，水箱温度为40～45℃。当白天太阳光照不足或者夜间时，系统运行模式Ⅱ，开启空气源热泵进行供暖，总制热能力为44.13kW/h（开启3×20匹机组或2×20匹+2×10匹机组，共60匹），设定供水温度为45℃。

5 节能、环保经济性分析

本系统在冬季采暖期的75d运行中，总耗电量为75608.43kWh，平均每天耗电量为1008.11kWh。每天用电高峰期为8h，电价为1.1元/kWh；用电低谷期为16h，电价为0.37元/kWh。

表4 三种模式下工作天数

表5 原系统与冷热联供系统能耗比较

5.1 综合楼采暖费用计算

（1）日采暖费用

北京地区采暖期以123d计，根据北京的气象统计，3种模式下工作天数，如表4。

综合考虑综合楼维护结构、朝向、楼高等因素，建筑物平均热指标取38.8W/㎡。

（2）年采暖耗热量计算

年采暖耗热量=建筑面积×平均热指标×采暖时间

标煤发热量为29326kJ/kg，则折合成标煤为63.24t。综合办公楼按本设计系统运行，年采暖耗电量计算：年采暖耗电量=年采暖天数×日平均耗电量

=123×1008.11=12.40万kWh

折合成标煤为15.24t，则每年采暖可节约标煤48t。

5.2 环保指标

按照CO2排放量：QCO2=2.47Q标煤；SO2排放量：QSO2=0.02Q标煤；粉尘排放量：Q粉尘=0.01Q标煤，可计算出原系统、冷热联供系统及节能量各能耗指标，如表5。

由表5可以看出，采用冷热联供新系统后，加之完善地配套自控设备，使得采暖煤耗量大幅降低，CO2、SO2、粉尘等排放量也随之得到相应减少。

6 结论

本文通过太阳能—热泵技术冷热联供系统的实际应用，得到以下结论：

（1）太阳能和热泵技术相结合的供暖系统，多热源之间相互协调、共同作用，充分利用可再生能源（太阳能、空气源、水源），节约能源成本。且系统设备可共用，节省投资。

（2）太阳能和空气源热泵保证了储热水箱的温度，使得水源热泵在低环境温度下仍具有较强的制热能力，可以降低能耗和运行成本，提高能效COP值。

（3）工业水池的余热再利用，为水源热泵提供低品位能，进一步利用了能源。

（4）供热时可省去燃煤、燃气等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟污染。