江苏地区基于太阳能+热泵的采暖系统研究

夏如杰,相里梅琴,张丽娟

(江苏建筑职业技术学院, 江苏 徐州 221116)

1 概 述

伴随着我国经济、社会和城镇化的高速发展,人民的生活水平不断提高,导致我国建筑业和房地产规模急剧增加。随着建筑面积的不断增加,势必造成对建筑与自然、资源、环境的矛盾不断升级。为此,发展零能耗建筑已逐步被决策者和设计师普遍关注[1]。江苏作为中国经济高速发展地区,且随着该地区对冬季采暖需求的呼声日益高涨,势必会增加该地区的建筑能耗。实现零能耗建筑主要通过三种途径：1)被动式节能；2)主动式节能；3)选用房屋能源系统远程监控和智能集成管理等技术,实现各种节能技术的优化运行,达到节能技术效果的最大化[2]。太阳能资源作为一种可再生能源,不会对环境造成危害,热泵系统与传统电采暖相比较,具有更高的能量利用系数,对于两者的集合与应用势必为该地区零能耗建筑的实现提供有力保障。本文将对太阳能+热泵系统采暖与传统电采暖、空气源热泵采暖进行比较分析。

2 建筑基础模型建立

零能耗住宅是一种节能型住宅,纵观国内外已有的零能耗居住建筑实践工程,零能耗住宅大多数以3层及3层以下的独立式居住建筑居多。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2009》中对“零能耗建筑”和太阳能光伏系统的预测分析中指出,由于居住建筑可接收到的太阳能以及目前太阳能利用的科学技术背景下,在中国只有2层及2层以下的居住建筑才有实现“零能耗”的可能。因此，本文选取一栋位于南京的2层别墅作为模拟对象。别墅建筑平面见图1,该栋建筑物建筑面积为284.6 m2。围护结构做法为：外墙,240 mm砖墙+加气混凝土,K=0.79 W/m2·K；屋面,20 mm水泥砂浆+120 mm现浇板+20 mm水泥砂浆+100 mm憎水珍珠岩+30 mm水泥焦渣+4 mm防水层+20 mm水泥砂浆,K=0.56 W/m2·K；分户墙：200 mm加气混凝土+20 mm水泥砂浆,K=1.01 W/m2·K,窗户：K=2.5 W/m2·K。通过Dest-h软件模拟该栋建筑的冷热负荷,在进行模拟计算时,根据相关研究,室内扰量(人员、灯光、设备)对建筑采暖空调的影响也不应该进行忽略[3-4],本文的室内逐时室内扰量值按照文献[4]中的结论进行设定。 同时,将室内设计温度设定为：冬季20℃,考虑室内空气品质,将冬夏季的换气次数均设置为1.0次/h。

图1 建筑模型平面图

通过Dest-h模拟得出该栋建筑物供暖季热负荷为9 534.4 kW·h(按照供暖季：12月1日至次年2月28日统计)。

3 太阳能+热泵系统组成及控制策略

太阳能+热泵供暖系统主要由太阳能集热装置、热泵、热水箱、循环水泵等构成,具体系统原理图见图2。

该系统冬季供热时,以太阳能为主要热源,结合热泵,同时利用电加热作为辅助热源实现稳定供热。鉴于江苏地区并不是太阳能丰富地区,加之太阳能能源本身特点,导致太阳能不能连续、稳定向系统提供能量,这就对自动控制的要求提出了更高的要求。为了能够实现系统的稳定运行,必须依靠不同供热模式的准确切换。本系统设置的电池阀和温度控制阀等阀门能够保证系统安全稳定运行。

图2 太阳能+热泵系统原理图

根据系统的工作原理,冬季对建筑物进行供暖时,则按照下列三种模式进行运行：1)太阳能直接供热模式：当太阳能提供的热水温度较高时,能够满足经换热设备换热对末端设备的供暖温度时,关闭热泵机组与辅助热源,全部依靠太阳能集热装置向建筑物进行供暖；2)太阳能联合热泵供热模式：若太阳能提供的热水温度经过换热设备换热后,不能满足末端供暖设备要求的温度,但能够满足热泵机组低源侧进水温度时,开启热泵机组,此时太阳能集热装置提供的热水相当于提高热泵机组的蒸发温度,提高热泵的供热系数,实现对能源消耗的减少；3)辅助热源供热模式：太阳能集热器提供的热水低于热泵机组要求的最低进水温度时,开启辅助热源[5]。

4 模拟与分析

4.1 计算模型建立

本文选择Trnsys(Transient System Simulation Program),即瞬时系统模拟程序对系统进行模拟分析。Trnsys软件最大的特点就是在于其模块化的分析方式,对特定模块给定输入条件,便能对某种特定热传输现象进行模拟,最后通过多个模块的汇总实现对整个系统的瞬时模拟分析。

根据系统组成、工作原理与控制策略,建立了如图3的太阳能+热泵系统的计算模型。

模拟建立完毕后,需要对模型中的主要设备——太阳能集热器、热泵的参数及系统运行时间进行输入。

图3 太阳能+热泵系统计算模型

本研究采用具有热性能好、安全性强、便于安装等优点的平板型集热器,依据规范《太阳能供热采暖工程技术标准(GB 50495—2009)》中的公式5.2.2-1,根据Dest-h的模拟结果可知,Qh=12 807 W。南京地区为太阳能资源一般区,取太阳能保证率f=30%,南京地区集热器采光面上的平均日太阳辐射量JT=12 898 kJ/(m2·d),取ηcd=0.4,ηL=0.1,计算出太阳能集热器面积AC=71.5 m2。考虑水源热泵的设计容量应满足建筑采暖负荷的需求,模型中的热泵性能参数为：额定制热量为14.1 kW,制热功率为3.5 kW,性能系数为4.11的水环式热泵机组。根据太阳能集热器采光面积与集热系统可利用温差,贮热水箱的容积设定为200 L。

4.2 结果统计与分析

通过Trnsys软件模拟,对数据按如下要求进行分析：供热季为12月1日至次年的2月28日,电价为0.52元/kW·h,电采暖效率为0.95进行计算分析。得出太阳能+热泵供暖系统、空气源热泵和电采暖系统在供暖季中,不同系统的耗能量,以及不同系统在运行过程,循环水泵消耗的电量。三种采暖模式比较见表1。

表1 三种采暖模式比较

通过比较可以发现太阳能+热泵的采暖系统能够大大提高对能量的利用率,整个系统在供暖季中的供热效率达到了4.5,相较于传统的空气源热泵采暖系统2.8,提高了60.7%。而电采暖系统则是利用高品位的电能进行采暖,故不建议采用电能进行采暖。

太阳能+热泵系统与传统的空气源热泵比较而言,由于系统更加复杂,增加了太阳能集热装置,集热水泵的增加,导致系统的循环水泵的耗电量增加。但由于集热装置的存在,将热泵的供热效率大大提高了,所以，总体来说,对于能源的利用是更高效的。

按照电价进行计算,三种采暖系统的运行费用分别为：1 187.4元、1 843.1元、5 256.6元,太阳能+热泵系统的运行费用最低,相较于空气源热泵节省了35.6%。

除了需要考虑系统的运行费用外,还需要对系统的全生命周期的经济性进行分析,费用年值法是目前动态评价方法中最常用的方法,根据系统模型与目前市场行情,按照机组费用15 000元,集热器8 000元,水箱1 200元,户内地板辐射系统31 350元,循环水泵(3个)900元,换热器2 000元进行初投资费用计算,得出单位面积初投资费用为205.1元/m2。根据模拟结果,可知该系统的年运行单位面积的电费为4.17元/m2,若按照系统维修费率为1.5%计算,则年运行费用=205.1×1.5%+4.17=7.25元/m2。按照水源热泵及太阳能集热器的使用年限,以及系统综合使用年限15年进行计算,可算出本系统的费用年值为34.2元/m2。根据相关文献,目前常用的供暖系统方案中,不同采暖方式的年费用值为：集中供热的末端地板辐射供暖为23.72元/m2，电加热普通暖气片供暖为37.15元/m2。由此可见，本系统的采暖模式低于电加热普通暖气片供暖,高于集中供暖末端地板辐射采暖方式,但由于国家能源战略要求,夏热冬冷地区不建议采用集中供暖的模式,故该系统适宜于该地区的冬季住宅采暖,经济性较好。

5 结 语

综上所述,太阳能+热泵系统相较于空气源热泵、电采暖系统能够实现了对能量更高效的应用。而与此同时,达到相同的供暖效果,太阳能+热泵系统所需要的能量也是最少的,虽然从经济性分析比较中得出,该系统采暖模式并非最优,但结合国家的能源战略,该系统还是能够适用于该地区冬季的采暖需求的,为该地区零能耗住宅建筑的实现提供有力保障。