太阳能丰富的寒冷地区三种清洁能源供暖的适用性分析

邱国栋，宇世鹏，聂丽君

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

在我国“十三五”期间，国家能源局指出要实施能源规划编制，推进能源清洁高效利用，推动形成有效竞争的能源市场机制[1].多地政府也相继出台“煤改电”相关工作文件，改善能源结构，大力支持清洁能源供暖.

空气源热泵供暖和太阳能热水供暖都是比较清洁的供暖方案，但并不适合所有地区[2].空气源热泵在寒冷地区应用时，存在低温制热性能差，制热效率低的问题[3]；太阳能是现阶段热门新能源，太阳能分布广泛但不稳定，能流密度低[4].随着室外温度的降低，太阳能集热器的集热温差增加，其集热效率逐渐下降，给利用太阳能进行供暖带来困难[5].为了弥补太阳能的不足，多热源结合成为一个有效的手段，进而出现太阳能组合形式.胡鹏飞[6]等将地热与太阳能结合，吴晓寒[7]考虑了地源热泵和太阳能的结合.现阶段对太阳能和空气源热泵探索较多.李智[8]等初步从性能角度对太阳能和空气源热泵结合进行分析.Buker[9]等分析了小温差下太阳能热泵供暖的优势.Li[10]等采用联合太阳能热泵系统与季节能量存储相结合的方法显著的提升了系统COP.Poppi[11]等研究不同边界条件下的太阳能热泵系统对电力需求的变化.Chargui[12]等利用TRNSYS软件对太阳能辅助热泵在住宅中进行模拟分析，通过改变水箱出水温度来寻求最佳COP.Tzivanidis[13]等通过TRNSYS软件对雅典不同工况下太阳能辅助热泵、空气源热泵和太阳能供暖系统的能耗、制热量和COP进行模拟，并通过比较所有投资项目的净现值(NPV)，对其经济性进行比较，结果表明空气源热泵的经济性最好，主要原因是雅典的冬季室外温度最低才3 ℃，空气源热泵的COP较高.然而对于冬季室外温度较低且太阳能较丰富的地区，如我国的兰州市，空气源热泵的COP相对于文献[13]将显著下降，空气源热泵的经济性是否还优于太阳能供暖或二者的组合还不得而知.

本文针对兰州市某典型住宅，基于TRNSYS软件对太阳能、单一空气源热泵和太阳能辅助空气源热泵三种供暖方案的运行特性进行模拟研究，并通过NPV法[14]来分析其经济性，为太阳能较丰富的寒冷地区的清洁能源供暖工程提供支持.

1 建筑模型和模拟方法

选择兰州市某典型农宅作为本文的建筑模型，包括三个房间，客厅在中间，两侧为卧室，供暖面积为80 m2，长为10 m，宽为8 m，层高为3 m.设室内供暖温度为22 ℃，供暖季设计热负荷为4 434 W，最大供暖热负荷为5 497 W.兰州地区太阳能资源属于Ⅱ区，根据《太阳能供热采暖工程技术规范》[15]推荐太阳能保证率f在30%～50%.兰州地区年日照时数达2 543 h，水平面上年平均太阳辐射量为5 314 MJ/m2，1月份的水平日辐照量为7.5 MJ/m2.

太阳能保证率的计算公式为

(1)

式中：Qsolar为集热器表面接受到的太阳辐射热量，kW·h；Qheat为总加热量，kW·h.

给出太阳能集热器效率的计算公式为

(2)

(3)

式中：η1为集热器平均效率；η2为集热器逐时效率；Qu为有效加热量，kW·h；Qsolar为集热器表面接受到的太阳辐射热量，kW·h；a0为集热器效率截距；a1为集热器效率斜率；a2为集热器效率曲率；R为太阳能辐射强度，W/m2；Tin为集热器进口水温， ℃；Tamb为环境温度， ℃.

热泵性能系数(COP) 计算公式为

(4)

式中：Pel为耗电量，kW·h.

采用净现值的方法对系统进行分析，其计算公式为

(5)

式中：(CI-CO)t为第t年的净现金流量；ic为给定的折现率，即基准收益率；n为方案的计算期，一般为项目的寿命周期.

在TRNSYS软件中对三种供暖系统进行模拟，时间步长选取为6分钟(=0.1 h).在设计计算时，应当优先保证1月份的供暖要求，即可保证整个供暖季的热舒适性.在太阳能风机盘管供暖系统和太阳能辅助空气源热泵供暖系统中应用灵敏度分析法结合太阳能保证率和集热器平均效率来确定集热器面积和蓄热水箱的容积.

图1 空气源热泵的COP随输入功率的变化

2 系统描述

常规计算一般是先在确定一个合理的太阳能保证率，然后通过太阳能保证率反推出集热器面积等关键性设备，此种方法对于经济性分析十分不友好.因此本文考虑到各系统关键设备的选型对各系统的运行特性和经济性有较大影响，从而利用灵敏度分析结合太阳能保证率推荐范围、太阳能集热器效率和初投资等来确定关键设备的选型.为了便于比较，不同系统中的相同部件用同种型号，并保证不同系统的供暖温度在整个供暖季的平均值基本相等，以消除室内舒适性对分析结果的影响.

2.1 单一空气源热泵供热系统

本文使用Trnsys模拟得到在5 kW辅热的条件下，平均COP随热泵输入功率的变化，如图1所示.存在最优输入功率为2.1 kW的柜式热泵使平均COP最大，加装5 kW辅助电加热，当室内温度低于21 ℃时开启辅热.

2.2 太阳能热水风机盘管供暖系统

采用常见的太阳能热水供暖系统其末端形式为风机盘管，在蓄热水箱后匹配一个5 kW辅助电加热器，用于太阳能不足时维持蓄热水箱温度.辅助电加热将蓄热水箱温度控制在45 ℃左右，上下浮动5 ℃.为防止吹冷风感，室内出风温度设置为40 ℃.本文使用Trnsys模拟发现当集热器的倾角取为56°时，集热器单位面积收集的热量最多，故集热器倾角确定为56°，如图2所示.

如图3所示，随着太阳能集热器面积和蓄热水箱的增大，太阳能保证率逐渐增加；但是当集热面积和水箱容积达到一定值以后，太阳能保证率增加幅度较小.《太阳能供热采暖工程技术规范》给出的兰州地区太阳能保证率f的推荐值在30%～50%.在该范围内，根据图3的曲线走势以及考虑到系统初投资，最终确定蓄热水箱容积V为3 m3，集热器面积Acol为40 m2.系统其它参数，如表1所示.

表1 太阳能风机盘管供暖系统参数

2.3 太阳能辅助空气源热泵供暖系统

该系统由单一空气源热泵产生的热空气和太阳能风机盘管产生的热空气混合送入室内为建筑物供暖，如图4所示.优先使用太阳能供暖，当太阳能不足时启动空气源热泵，最大程度的减少电能的消耗，提高系统COP.该系统集热面积和水箱容积的确定方法与太阳能热水风机盘管系统类似，如图5所示.最终采用18 m2的平板集热器和2 m3的蓄热水箱，空气源热泵的输入功率为2.1 kW匹配5 kW的辅助电加热.该系统其它相关参数，如表2所示.

图4 太阳能辅助空气源热泵供暖系统系统图图5 太阳能辅助空气源热泵系统的太阳能保证率随集热面积和蓄热水箱容积的变化

当室内温度高于22 ℃时关闭风机盘管的循环泵和风机，富余的太阳能存储到蓄热水箱中；当室内温度低于21 ℃时表明太阳能不足，此时开启空气源热泵进行补充；当室内温度低于20.5 ℃时表明太阳能加空气源热泵的供热量仍不足，此时开启辅助电加热.辅助电加热将蓄热水箱的温度控制为45 ℃左右，向下浮动温度同样为5 ℃.

表2 太阳能辅助空气源热泵供暖系统参数

3 性能和经济性比较

整个供暖季三种系统的室内温度都集中在21 ℃～23 ℃，单一空气源热泵、太阳能热水、太阳能辅助空气源热泵三种系统的室内温度季节平均值分别为21.85 ℃、22 ℃和21.75 ℃.三者基本相同，满足三种系统进行性能和经济性比较的前提条件.

3.1 系统性能比较

如表3和表4所示三个系统在整个供暖季和1月份运行情况.各系统总制热量相差不多，这是性能比较的基础.从整个供暖季来看，系统COP最高的是太阳能辅助空气源热泵供暖系统(COP=2.74)，其次是单一空气源热泵(COP=2.11)，最低的是太阳能风机盘管系统(COP=1.90).太阳能风机盘管供暖系统在整个供暖季的太阳能保证率为52.5%，集热器平均效率为33.2%，而在1月份这两个数值分别为39.4%和34.8%.太阳能辅助空气源热泵供暖系统中，集热器效率要高于太阳能风机盘管供暖系统，这是因为前者的太阳能集热器所承担的热负荷较小，其进口平均水温相对较低有利于提高集热效率，后者的太阳能集热器承担较大热负荷，需要更高的水温才能满足要求；太阳能辅助空气源热泵的太阳能保证率为38.6%，低于太阳能风机盘管供暖系统(52.5%).从热泵耗电和辅热耗电来看，太阳能辅助空气源热泵优于单一空气源热泵，这是因为采用太阳能作为辅助热源，减少了热泵和辅热开启的时间，降低了能耗，提升了系统COP.在额外耗电方面(包含泵、风机和控制系统耗电)，太阳能辅助空气源热泵略大于太阳能风机盘管系统，但是额外耗电占总能耗比例较小.从总能耗来看，太阳能辅助空气源热泵供暖系统的总能耗最低，单一空气源热泵供暖系统次之，太阳能风机盘管供暖系统最高，体现出太阳能辅助空气源热泵在运行上的优势.

表3 各系统供暖季运行数据

表4 各系统1月份运行数据

图6 各系统的NPV值随使用年限的变化

3.2 经济性分析

通过采用所有投资的净现值(NPV)来进行经济性分析，经济性分析主要包括初投资和运行费用.系统初投资如表5所示，各系统使用寿命按20年计算，系统折现率取5%，集热器投资包含集热器、阀门、管路、支架、安装等费用折合为500元/m2，根据当地政策对于采用清洁能源供暖系统实行分时价格政策，低谷时段延长2小时，为每日22：00至次日8：00，用电价格在对应居民生活用电平段目录电价标准基础上降低0.20元/kW·h，其它时段为每日8：00至22：00，用电价格在对应居民生活用电平段目录电价基础上提高0.03元/kW，期间不再执行居民阶梯电价[16]，居民用电平段电价为0.50元/kW·h[17].三个系统的NPV曲线如图6所示，单一空气源热泵的总投资净现值始终是最小的，经济性是三种系统中最好的.太阳能辅助空气源热泵供暖系统NPV线的斜率明显小于单一空气源热泵供暖系统，表明前者的运行费用低于后者，但因前者初投资远大于后者，且民用电价较低，前者节省的运行费用在寿命期内未能抵消其多增加的成本.对于电价较高的商业建筑而言，太阳能辅助空气源热泵将会有更好的经济性.太阳能风机盘管系统不仅初投资最高，运行费也最高，主要原因是太阳能的能流密度较低导致集热器系统的造价较高，太阳能的不稳定性导致辅助电加热的能耗较高.对于只用于白天供暖的建筑而言，太阳能供暖系统的经济性将会明显提升.

从系统性能和经济性综合比较来看，单一空气源热泵供暖系统的初投资小，节能性较好，适用于电价较低的居住建筑.太阳能辅助空气源热泵供暖系统节能性最好，但初投资偏大，适用于电力资源缺乏地区或电价较高的商用建筑.太阳能风机盘管系统，初投资最大，节能性和经济性在本文的居住建筑案例中是最差的，对于只在白天使用且电价较高的商用建筑而言，其节能性和经济性将会显著提升，相关内容还有待进一步研究.

表5 各系统初投资

4 结 论

本文针对兰州市某典型住宅，基于TRNSYS软件对太阳能、单一空气源热泵和太阳能辅助空气源热泵三种供暖方案的运行特性进行模拟研究，并通过NPV法来分析其经济性，所得结论如下：

(1)从系统性能比较来看，各系统总制热量和平均供暖温度基本相等；太阳能辅助空气源热泵供暖系统的COP最大(2.74)，辅热耗电最小；单一空气源热泵的COP居中(2.11)，辅热耗电也居中；太阳能风机盘管系统的COP最小(1.90)，辅热耗电最大.

(2)从经济性比较来看，单一空气源热泵的总投资净现值始终是最小的，经济性是三种系统中最好的.太阳能辅助空气源热泵供暖系统的运行费用低于单一空气源热泵系统，但因前者初投资远大于后者，且民用电价较低，前者节省的运行费用在寿命期内未能抵消其多增加的成本.太阳能风机盘管系统不仅初投资最高，运行费也最高，经济性最差.

(3)综合比较来看，单一空气源热泵供暖系统的初投资小，节能性较好，适用于电价较低的居住建筑.太阳能辅助空气源热泵供暖系统节能性最好，但初投资偏大，适用于电力资源缺乏地区或电价较高的商业建筑.太阳能风机盘管系统，初投资最大，节能性和经济性在本文的居住建筑案例中是最差的，对于只在白天使用且电价较高的商用建筑而言，其节能性和经济性将会显著提升，相关内容还有待进一步研究.