严寒地区某示范工程土壤源热泵-太阳能供能系统节能和环保效益分析

王杨洋

（吉林建筑大学　城建学院，吉林　长春　130000）

严寒地区某示范工程土壤源热泵-太阳能供能系统节能和环保效益分析

王杨洋

（吉林建筑大学城建学院，吉林长春130000）

为促进可再生能源的发展，对严寒地区某示范工程进行土壤源热泵-太阳能供能系统进行设计，得出所需的太阳能集热面积.与传统常规能源系统相比，计算出本示范工程土壤源热泵-太阳能供能系统中太阳能集热系统的年节能量和因节省常规能源而减少的二氧化碳、烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放量.可见，严寒地区土壤源热泵系统采用太阳能集热系统进行补热具有很高的节能和环保效益.

严寒地区；土壤源热泵；太阳能集热系统；节能效益；环保效益

根据国家产业政策，建筑供暖供冷应优先利用可再生能源，减少一次能源的使用.可再生能源主要包括太阳能、地源热泵、空气源热泵及生物质燃料等.本示范工程通过前期调研论证并根据相关技术导则推荐，采用土壤源热泵作为冷热源系统.严寒地区的热负荷大于冷负荷会导致地源热泵系统的全年吸热量大于排热量，由于系统的吸排热量不平衡率和土壤原始温度影响，会产生“冷堆积”问题，利用太阳能这种可再生能源进行补热，做到全年综合应用.本文以严寒地区某示范工程为例，对土壤源热泵-太阳能供能系统的节能和环保效益进行计算分析.

1　工程概况

本示范工程位于吉林省长春市（纬度43°54′），面积近3000m2，五层住宅加一层阁楼，共六层，18户，建筑平面图如图1和图2所示.

图1　一层平面图

采用eQUEST能耗模拟软件对本示范工程进行能耗模拟，主要模拟计算的是全年范围内逐时、逐月以及典型日的建筑冷、热负荷变化.冬季连续供暖，供暖期为10月25日至次年4月10日，夏季空调间歇开启.整个系统采用土壤源热泵系统进行供冷供热，太阳能除满足日常热水供应需求外，还对土壤源热泵系统进行热补偿.

图2　二—五层平面图

2　太阳能集热系统设计

2.1长春市气象参数

水平面年平均日辐照量：13.663MJ/(m2·d)；

当地纬度倾角平面年平均日辐照量：16.127MJ/(m2·d)；

年平均每日的日照小时数：7.4h

年平均环境温度：5.8℃

计算采暖期平均环境温度：-6.7℃

2.2系统形式

经过方案论证，本示范工程采用液体工质集热器、间接式、季节蓄热太阳能集热系统.太阳能集热器阵列安装于屋顶，南向放置，与地面成45度倾角，太阳能集热系统用于补热和热水供应.

2.3设计选型

太阳能集热器选型如下:

集热器类型：双排全玻璃真空管型太阳能集热器

集热器型号：Z-QB/0.06-WF-3.27/50-47/1500/1-HS

集热器总面积：5.57㎡，采光面积：3.27㎡

集热器瞬时效率曲线方程（基于采光面积、集热器入口温度）为:ηa=0.721-2.670Ti*

由前期研究计算得出用于补热需要81块集热器，而18户居民集中热水供应需要8块集热器，共计89块集热器，集热器采光面积291.03㎡[1].

3　系统节能效益分析

将系统与传统热源方式进行比较，分析土壤源-太阳能供能系统的节能效益，从而为该系统是否适宜在严寒地区推广提供依据.本示范工程太阳能集热系统初投资增量为46万元，电价按0.525元/kWh考虑.

3.1系统的年节能量计算

3.1.1太阳能集热系统的有用得热量

式中△Qa—采暖季节天阳能集热系统提供的有用得热量，MJ；

Ac—太阳能集热器采光面积，291.03㎡；

JTi—当地集热器采光面上的太阳总辐射年平均日辐照量，16.127MJ/(m2·d)；

ηcd—基于采光面积的集热器平均集热效率，50.5%；

ηL—管道及贮热装置热损失效率，10%.

3.1.2系统的年节能量

本项目采用电作为常规供热热源，将本项目的节能量折算到一次能源的节能量为：

式中△Qs——太阳能集热系统的节能量，MJ；

ηds——辅助热源系统的工作效率，0.95；

Ce——系统建设当年我国单位供电煤耗，349g/kWh.

3.2系统的年节能费用

3.2.1太阳能集热系统的节能费用

式中Cs—太阳能集热系统节能费用，元；

Cs'—辅助能源的价格，0.142元/MJ.

3.2.2太阳能集热系统寿命周期内的总节省费用

式中d—五年以上银行贷款利率5.94%（2008年执行）

e—年燃料价格上涨率，按1%考虑；

n—分析节省费用的年限，取15年.

则15年内节省燃料费用SAV

式中SAV—系统寿命周期内总节省费用，元

PI—折现系数；

A—太阳能供暖系统总增投资，46万元

DJ—维修费用（用于集热器部件维护、管路保温等）占总投资的百分率，一般取1%.

4　系统环保效益分析

我国目前集中供热方式主要以燃煤为主，燃煤的主要污染物是烟尘、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳，其中烟尘会危害人和动物的健康；二氧化硫会形成酸雨，危害土壤和农作物；氮氧化物会造成在紫外线照射下会形成光化学烟雾；二氧化碳为温室气体，产生温室效应，会引起全球变暖.

土壤源热泵-太阳能供能系统与电能相比，污染物排放量大大减少.目前所有污染物减排量的计算方法是系统寿命期内的节能量折算成标准煤质量，然后乘以相应的排放因子.

4.1折算的标准煤质量系统寿命期内的节能量折算成标准煤质量

4.2各种污染物排放量

4.2.1二氧化碳排放量

系统寿命期内二氧化碳减排量

FCO2——碳排放因子，2.662.

4.2.2烟尘排放量

4.2.3二氧化硫排放量

4.2.4氮氧化物排放量

式中P为氮氧化物脱除率，通常按80%考虑[2].

5　结论

与电作为常规供热热源作比较分析，严寒地区某示范工程土壤源热泵-太阳能联合供能系统中仅太阳能部分的节能量折算到一次能源为2328648MJ，在15年工作寿命期内可节省燃料费用291.5万元.太阳能集热系统因节省常规能源而减少的二氧化碳排放量为3172.62吨，烟尘排放量为11.92吨，二氧化硫排放量23.84吨，氮氧化物排放量为1.73吨，可见，可再生能源太阳能在严寒地区具有很高的节能和环保效益.

〔1〕王杨洋，陶进.地源热泵系统在严寒地区居住建筑中的设计分析[J].山西建筑，2015，35（12）：147.

〔2〕郑瑞澄，路宾，李忠，何涛.太阳能供热采暖工程应用技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

TU995

A

1673-260X（2016）09-0048-02

2016-05-19

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字［2015］第576号）