乌鲁木齐太阳能-地源复合热泵系统技术经济分析

■ 张艳红林闽刘乾坤阴启明（. 新疆维吾尔自治区新能源研究所；. 东北大学冶金学院）

乌鲁木齐太阳能-地源复合热泵系统技术经济分析

■ 张艳红1*林闽1刘乾坤2阴启明2
（1. 新疆维吾尔自治区新能源研究所；2. 东北大学冶金学院）

介绍在乌鲁木齐甘泉堡建设的太阳能-地源复合热泵系统示范工程情况，对冬季采暖和夏季制冷情况进行实际测试运行，并进行相关技术经济分析。结果表明：系统年节约费用约为52万元，常规能源替代量为267.9 吨标准煤，全年基本无污染物排放，项目经济效应和环境效益均显著，表明项目的技术路线是可行的。

太阳能；地源热泵；测试运行；技术经济分析

0　引言

据统计，目前建筑能耗已超过社会总能耗的23％，其中我国严寒地区由于面积大、供暖期长，使其供暖空调占建筑能耗比例最大，是建筑节能减排的重中之重［1］，而建筑供暖产生的烟尘则是城市环境污染的主要来源。为了解决上述问题，结合我国严寒地区的建筑能耗特点，国内许多专家对太阳能-地源复合热泵系统进行了研究［2-4］。新疆地区面积辽阔，且大部分处于严寒地区，建筑供暖空调能耗巨大，在新疆维吾尔自治区科学技术厅、住房和城乡建设厅及新疆乌鲁木齐市建设委员会等部门的支持下，笔者在乌鲁木齐甘泉堡新疆新能源研究所研发基地建设了太阳能-地源复合热泵系统示范项目，对该复合热泵系统在我国干旱严寒地区的节能性和经济性进行了研究，同时也是对适合于干旱严寒地区的可再生能源建筑供能的新途径进行有益探索，为乌鲁木齐市的“蓝天工程”提供了一种新的可行的技术路线。

1　示范工程的基本情况

1.1工程概况

项目实施地点在乌鲁木齐市米东区甘泉堡工业园内，新疆新能源研究所生产研发基地占地面积约为10万m2，位于北纬44.4°、东经87.7°。负荷计算是系统设计的基础，传统的暖通空调设计大多是基于额定工况的静态方法设计。由于本项目中暖通空调系统采用的是太阳能、土壤热能这些可再生能源，与传统的供暖热源（燃煤、燃气等）相比，能源品位较低，且全年变化较大。为了合理地进行系统设计，需得到供暖空调对象的全年动态负荷特性，本文利用建筑环境设计模拟工具DeST，对甘泉堡工业园新建建筑的动态负荷进行计算，建筑负荷情况见表1。

如表1所示，相比供暖负荷，示范工程供冷负荷较小，且一般采用土壤直接供冷方式，因此热泵机组容量依据供暖负荷确定。一期所有建筑最大热负荷为1153.8 kW，因此，一期建筑热泵机组容量确定为1200 kW。

表1　示范项目建筑负荷参数

1.2气象条件

乌鲁木齐市地处欧亚大陆腹地，在GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》中属于严寒地区B区，在GB 50352-2005《民用建筑设计通则》中属于VII气候区。其气候特征表现为夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，具有寒冷干燥多变的特点，冬长夏短，春秋不明显，光照充足，热量充沛，气温日差大。一般情况下，供暖期由10月15日～次年4月15日，长达182天；相比之下，全年需要供冷的时间相对较短，一般情况下由6月1日～9月1日，约为90天，空调单位面积冷负荷比供暖单位面积热负荷小。

我国太阳能资源等级划分如表2所示［5］，按照表中规定的指标，经统计，乌鲁木齐地区年平均太阳总辐射量为1372 kWh/（m2·a），属于太阳能资源丰富地区。

表2　总量等级

1.3热泵机组主要参数

该工程设计采暖负荷为1153.8 kW，最大空调负荷454.3 kW。选用2台山东富尔达LSBLGRG-770MD系列双螺杆热泵机组，末端循环水泵和地源侧循环泵各2台，均选用凯泉离心泵。主要设备型号及参数见表3和表4。

表3　山东富尔达LSBLGRG-770MD系列热泵机组主要参数

表4　末端循环水泵和地源侧循环泵型号

1.4太阳能集热部分

项目针对土壤冬取夏灌不平衡这一问题，在设计中采用太阳能集热器收集热量，然后回灌至土壤中以提升取热井周围土壤的温度，对提取回灌的热量不平衡差进行补充。在太阳能集热系统设计时，依据现场可利用面积及系统阵列与周围环境相协调的实际情况，太阳能集热总面积为217.6 m2，单台集热模块为φ58×25支，3.4 m2/台，集热阵列由8组组成，每组为8台集热模块，合计64台集热模块。集热器成平行四边形、向正南偏西5°布置，倾斜角度为40°布置，占地面积451 m2。太阳能集热系统运行采用温差循环，温差设置为8～45 ℃可调；集热系统与地源侧采用板式换热器，换热面积为20 m2。

1.5用户侧和地源侧情况

办公大楼、研发中心、宿舍全部采用地板辐射采暖制冷，工厂车间采用地板辐射+轴流式风道采暖制冷。地源侧采用直径32 mm双U型地埋PE管，共打土壤垂直埋管井266口，每口井深100 m，地埋管间距为5 m。

1.6系统原理

如图1所示，太阳能-地源复合热泵系统主要包括太阳能集热器、土壤换热器、热泵机组和地板辐射盘管4部分。系统分为6种供能运行模式：太阳能直接供暖模式、太阳能热泵供暖模式、太阳能联合土壤源热泵供暖模式、土壤源热泵供暖（冷）模式、太阳能季节性土壤蓄热模式和土壤直接供冷模式，每种模式由自控系统根据判定要求自动切换运行。

图1　太阳能-地源复合热泵系统

2　太阳能-地源复合热泵系统技术经济分析

2.1测试运行情况

从目前该项目投运效果看，2013～2014年建筑的冬季采暖和夏季制冷效果基本达到了设计要求。采暖期，研发中心室内温度为16～20 ℃，办公楼室内温度为18～22 ℃，职工宿舍室内温度为14～18 ℃，实验工厂室内温度为4～12 ℃；制冷期，室内温度都在24 ℃以下。

2.2冬季采暖和夏季制冷的运行效果及经济效益

项目的总采暖面积为17512.86 m2；2013年10月～2014年3月采暖季期间，室外平均气温为-6.4 ℃，测试期室外平均温度为-11.6 ℃，办公楼室内平均温度为20.4 ℃。采暖期实际耗电量为470211.5 kWh，该系统采用峰谷平电价收取电费：峰电时0.63元/kWh，每天6 h；平电时0.37元/kWh，每天10 h；谷电时0.19元/ kWh，每天8 h。630 kVA变压器按每月收取26 元/kVA的基本费，采暖季总电费计为258810.05元。工程面积采暖费用为14.78元/m2，按当地热力公司给出的采暖计算面积，则采暖费用为8.38元/m2（工业厂房净空高度≥13 m，项目如果接入热力公司管网供暖，1 m2最少要按3 m2计算）。米东区冬季采暖费收费标准为24元/m2，折算本项目年节约采暖费约48万元。

由于项目的技术独特性，在2014年夏季制冷期，除了必要的测试开启了热泵机组制冷外，基本上采用了土壤源通过板换的直接制冷模式，整个系统只有地源侧和用户侧的两个循环泵在工作，系统能效比非常高，COPmax在20以上。该工作模式非常适合于干旱地区，不结露、不凝霜，值得在北方地区大规模推广。由于变压器用户端还接有其他生产实验设备，推算出的制冷期电费≤2元/m2，远低于任何一种制冷系统，比乌鲁木齐一般的商业建筑溴化锂机组38元/m2的制冷收费标准低很多。综合采暖/制冷和人工管理成本，本项目一年可节约运行费52万元以上。

2.3能效比的测试

能效的计算公式为：

式中，COP为机组或系统性能系数；Q在夏季为机组或系统制冷量，冬季为机组或系统制热量，kW；N为机组或系统耗功率，kW；V为循环水流量，m3/h；ρ为水的密度，1000 kg/m3；c为水的比热容，4.18 kJ/（kg·℃）；Δt为循环水进出水温差，℃。

2.3.1热泵机组能效比

1）冬季地源热泵机组测试期间，冷凝器侧循环水体积流量为V1=124 m3/h，进出水温差Δtw1=2.9℃，制热工况压缩机耗功率Ni1=65.2 kW。根据式（1）和式（2）可得，热泵机组制热量QH=417.54 kW，热泵机组制热性能系数COPH=6.4。

2）夏季地源热泵机组测试期间，蒸发器侧循环水流量为V2=95 m3/h，进出口温差Δtw2=2.5 ℃，耗功率Ni2=35.4 kW。根据式（1）和式（2）可得，热泵机组制冷量QL=275.76 kW，热泵机组制冷性能系数COPL=7.8。

2.3.2热泵系统能效比

1）冬季地源热泵系统测试期间，用户侧循环水流量为V3=1340 m3/h，进出口温差Δtw3=3.9 ℃，制热工况系统耗功率Ni3=1732.8 kW。根据式（1）和式（2）可得，热泵系统平均制热量（按平均测试12 h计算）QHs=6067.97 kW，热泵系统制热性能系数COPHs=3.5。

2）夏季地源热泵系统测试期间，用户侧循环水流量为V4=859 m3/h，进出口温差Δtw4=3.7℃，制冷工况系统耗功率Ni4=598.5 kW。根据式（1）和式（2）可得，平均制冷量（按平均测试9 h计算）QLs=3690.36 kW，热泵系统制冷性能系数COPLs=6.2。

夏季制冷期，土壤源直接制冷模式时系统的耗电量N′i4仅为循环泵耗功率，在测试期间，受环境温度等影响，系统供冷量一直变化，但测试期间所有工况系统COP′Ls值均大于20。

2.4常规能源替代量的计算

每吨标准煤的热量q=29298 kJ/吨标准煤。

1）按乌鲁木齐市冬季供暖期为6个月共计183天计算，系统消耗的能量可折合为标准煤的算法如下：

系统采暖期内总能量QZ=QHs×2×183= 2220877.02 kWh，可折合为QZ×3600/q=272.9吨标准煤；采暖期系统耗电总量可折合为Ni3×2×183×3600/ q=77.9 吨标准煤。

由上述计算可得，冬季采暖期内整个系统节约195.0吨标准煤。

2）按乌鲁木齐市夏季制冷期为3个月共计90天计算，系统消耗能量可折合为（QLs×24/9）×90×3600/q=108.83吨标准煤；制冷期系统耗电总量可折合为（Ni4×24/9）×183×3600/ q=35.89吨标准煤。

由上述计算可得，夏季制冷期内整个系统节约72.9吨标准煤。

3）综上计算可得，该系统常规能源替代量Qhm=267.9吨标准煤。

2.5CO2、SO2、烟尘减排量

根据该项目全年常规能源替代量为267.9 吨标准煤的计算结果。可得：

CO2减排量为：QCO2=2.47×Qhm=661.7 t/a

SO2减排量为：QSO2=0.02×Qhm=5.36 t/a

烟尘减排量为：Q烟尘=0.01×Qhm=2.68 t/a

2.6太阳能土壤蓄热效果初步分析

图2　太阳能蓄热工况土壤换热器进出水温度（2013年）

项目为太阳能-地源热泵复合供能系统，太阳能能否实现给土壤补热是本项目的关键。图2显示了2013年太阳能给土壤储热期间某个时间段的太阳能集热器进出水情况，通过进水温度与出水温度的变化，可知太阳能集热回灌系统运行一定时间后，地埋井土壤温度逐渐上升，出水温度也相应升高。一般情况下，地下15 m以下的土壤可看成是近似恒温层，随着深度的增加，土壤温度略有升高；而地下15 m处的土壤温度近

似等于当地年平均气温±2 ℃，乌鲁木齐地区的地下水（土壤）温度在10.5～12.5 ℃。本项目的太阳能集热工程于2013年7月30日完成，随后进行调试试验，通过相关性分析，可看到土壤温度的逐渐变化，储热是有效果的。

3　结论

采用太阳能-地源复合热泵系统，在确保建筑物冷热需求的同时，最优化使用了自然资源。本文通过对乌鲁木齐甘泉堡建设的太阳能-地源复合热泵系统的运行测试可得：

1）热泵机组冬季制热性能系数COPH为6.4，夏季制冷性能系数COPL高达7.8；整个热泵系统冬季制热性能系数COPHs为3.5，夏季制冷性能系数COPLs高达6.2。与常规系统相比，该复合系统具有较好的运行性能。

2）系统全年常规能源替代量可达267.9 吨标准煤，每年可减排CO2661.7 t，SO25.36 t，烟尘2.68 t，每年可节约费用为525647元。

从运行测试结果可以看出，该复合系统具有非常明显的节能和经济效益，因此本项目的技术路线是可行的。本项目还在完善过程中，可再生能源的自控测试系统还在设计和调试中，前期人工测试的数据一是信息量少、二是会有误差，而建筑采暖和制冷是一项长期的任务，相信经过3～4年的连续测试运行，就能得到更科学的评判结论。

［1］清华大学建筑节能中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2011［M］. 北京: 中国建筑工业出版社， 2011， 1-8.

［2］杨卫波， 施明恒， 董华. 太阳能-土壤源热泵系统交替运行性能的数值模拟［J］. 热科学与技术， 2005， 4（3）: 228-232.

［3］杨卫波， 董华， 周恩泽. 太阳能-土壤源热泵系统联合运行模式的研究［J］. 流体机械， 2004， 32（2）: 41-45.

［4］余延顺， 廉乐明. 寒冷地区太阳能-土壤源热泵系统运行方式的探讨［J］. 太阳能学报， 2003， 24（1）: 111-115.

［5］ GB/T 31155-2014， 太阳能资源等级总辐射［S］.

2015-10-27

国家科技支撑项目（2012BAA13B00）

张艳红（1976—），女， 硕士、副研究员， 主要从事新能源方面的研究。147368186@qq.com