一种清洁能源与市政热网互补的供热系统设计及模拟研究

颜丽娟 马坤茹 羡晓东

摘要：北方地区的建筑供暖需求随着城市建筑面积的迅速增长而不断增加，而城市热网改扩建缓慢，供热能力不足，距城区较远的新建及改扩建小区的供暖需求面临挑战，并且供暖带来的高能耗及环境污染问题日益严峻。针对此类问题，提出了将太阳能、空气能与传统市政热网相结合、互为补充的清洁能源与市政热网多能互补的集中供热系统，利用TRNSYS软件建立系统模型，设计系统5种不同的运行模式及相应的运行控制策略，并以石家庄市某新建小区为例进行分析。模拟运行结果表明，在整个供暖季中，运行时间较长的是太阳能辅助双热源（水源）热泵供热模式和双热源（空气源）热泵供热模式，清洁能源的供热比例为82.15%，热泵机组效率高，平均COP为4.06，远高于常规的热泵机组。研究结果可为周边供热能力不足的新建及改扩建小区选择供热系统提供参考。

关键词：供热工程;清洁能源;市政热网;节能技术;TRNSYS模拟

中图分类号：TU832文献标志码：A

doi：10.7535/hbgykj.2019yx03006

文章编号：1008-1534（2019）03-0183-06

近年来，中国城镇化的快速发展推动了建筑面积不断增长[1]。伴随着人们生活水平的提升，供暖需求不断增加，供暖能源消耗量逐年增加，由此带来的环境污染问题日益严峻，每到供暖季节京津冀地区的雾霾天数显著增多，空气质量迟迟不能得到有效改善[2]。由于城市市政热网系统更新及改造较慢，系统供热能力有限[3]，距城区较远的新建及改扩建小区供暖问题面临挑战，因此寻求利用可再生能源供热，考虑清洁能源与常规能源多能源协同互补供热是缓解供暖季环境污染及解决新建或者改扩建系统供热能力不足的重要方法之一[4-7]。

太阳能、空气能均为常用的清洁能源，崔晓月[8]、黄文洪[9]、申振宇[10]、靳路[11]、吴启任[12]、冉思源等[13]研究了太阳能与空气能相结合的太阳能空气源热泵系统用于建筑供热或者热水供应。这些研究主要是针对单一建筑，用太阳能和空气能作为热源以满足建筑全部用热需求，没有考虑集中供热常用的热源，只适用于建筑体量较小的建筑。张明昭[14]考虑了供热锅炉与太阳能、空气源热泵的耦合供热问题，郝红等[15-16]研究了太阳能、地源热泵与市政热网相结合供热的问题，与常规的地源热泵相比，有较好的供热效果，而地源热泵系统中地埋管占地面积较大，在城市集中供热中难以大规模推广。

一般来说太阳能资源丰富，空气源热泵系统布置较灵活，市政热网稳定性较好，因此考虑将太阳能、空气能及市政热网3种能源结合起来，设计清洁能源与市政热网多能互补集中供热系统，根据不同能源的特点，制定合理的控制策略，充分利用这些清洁可再生能源，保证系统稳定、高效运行。该系统既能有效解决所面临的供暖供需矛盾，又能显著减少北方冬季集中供热过程中的环境污染，具有很好的经济效益和社会效益。

1系统简介

清洁能源与市政热网多能互补集中供热系统（以下简称系统）主要由太阳能集热系统、集中供热系统、双热源热泵系统组成[17]。系统原理图如图1所示。

系统的运行模式分为5种工况：1）太阳能直接供热模式;2）太阳能辅助双热源（水源）热泵供热模式;3）双热源（空气源）热泵供热模式;4）双热源（空气源）热泵与市政集中供热互补模式;5）双热源（水源）热泵与市政集中供热互补模式。

当天气较好，太阳能辐照度较大时，太阳能集热系统通过太阳能集热器吸收热量制备热水，当蓄热水箱中出口水温较高时可直接供给供热末端使用，即为第1种运行模式，此时阀门a，b打开，其他阀门均关闭。当太阳能辐照度较小或者在晚上，太阳能集热器制备热水能力不足，蓄热水箱的出口水温较低，不能满足直接供暖需求时，需开启双热源热泵系统，采用水源热泵运行模式，把蓄热水箱作为双热源热泵的热源，即为第2种运行模式，此时阀门c，d，e，f，g打开，其他阀门关闭。当室外气温较高而太阳能集热系统中的蓄热水箱出水温度不能满足直接供热需求时，可以采用双热源热泵空气源的运行模式，将室外空气作为双热源热泵系统的热源，即为第3种运行模式，此时阀门e，f，g打开，其他阀门均关闭。当气象条件较差，清洁能源不能单独满足供暖需求时，可以选择用市政热网的供热量来保证供热需求，即将清洁能源与市政热网进行互补，若清洁能源采用的是空气能，即为第4种供暖模式，此时阀门e，f，k打开，其他均关闭;若清洁能源采用的是太阳能，则为第5种供暖模式，此时阀门c，d，e，f，k打开，其他关闭。

2系统运行分析

2.1工程项目简介

选取石家庄市三环外某新建小区为例。小区供暖面积约10万m2，建筑热工设计满足国家节能65%的节能标准，建筑设计热负荷指标取30W/m2[18]，周边供暖市政管网敷设时间较早，不能全部满足该小区供热需求，因此該小区的供热设计方案采用清洁能源与市政热网多能互补集中供热的方式。

由于该小区的供暖形式均为地板辐射供暖，供水温度为45℃即可满足供热需求，因此将管网系统的供水温度设为45℃[19]，当太阳能集热系统供水温度大于45℃时采用模式1运行;对于双热源热泵中的空气源模式，大量研究表明当环境温度低于5℃时，空气源热泵机组性能将显著下降[20]，所以将室外温度为5℃作为模式3的一个控制依据。当室外温度低于5℃，而太阳能集热器蓄热水箱水温低于45℃时，可采用模式2运行，为保证蓄热水箱中的水不被冻结，当蓄热水箱水温低于8℃时，停止模式2运行，采用模式3运行，这种情况一般出现的时间较短。当模式2、模式3均满足供暖需求时，优先运行模式3，当模式2、模式3均不能满足供热需求时，考虑采用模式4或者模式5。

2.2设备选型

系统采用多种热源共同承担用户热负荷，因此系统总供热量满足建筑物供暖需求即可，各热源按一定比例分别承担，因此设备在选型时并不是以建筑总供暖负荷为依据，而是按总负荷的一定比例来选型。另外，建筑处于最大热负荷的时间较短，一般情况下室外气温均高于供暖设计温度，因此设备选型过大可能会导致系统初投资增加且大部分时间不是满负荷运行，影响系统运行效率。因此，选择清洁能源保证系统供热设计负荷的80%，市政热网来满足设计负荷的20%。由于太阳能的不稳定性，将双热源热泵作为清洁能源的主要供热热源，以总设计负荷的80%来选型，太阳能集热系统作为补充热源，同样以总设计负荷的80%来选。采用平板型太阳能集热器，根据石家庄地区整个供暖季的日平均辐照度，取太阳能保证率为20%，基于总面积的集热器平均集热效率为52%，管路及蓄热装置热损失率为20%，确定出集热器面积为8600m2，蓄热水箱容积为515m3，双热源热泵为BKWR25D型双热源热泵机组26台，小区换热站采用板式换热器进行换热，换热面积为15m2。

2.3模拟模型构建

根据上述选型结果，采用TRNSYS软件建立系统模型，如图2所示，选取一个供暖季，即当年的11月15日至次年的3月15日对系统的运行效果进行分析。由于软件中并没有双热源热泵的模型，故用空气源热泵和水源热泵并联来代替双热源热泵，两种模式的转换通过控制器来实现，整个小区的建筑逐时负荷通过DEST模拟得出，并加载到该系统中。

3结果与讨论

3.1各模式下系统运行时间分析

在整个供暖季中，该供热系统根据气象条件及供热需求的变化进行不同供应模式的切换，各模式的运行时间如图3所示。从图3可以看出，系统处于模式3下的运行时间最长，其次是模式2，运行时间最短的是模式1，即该互补供热系统采用太阳能集热系统直接供热的时间最短，主要原因是在太阳能集热系统设备选型时，并不是以满足建筑物全部负荷为目标，为了使系统处于高效率区运行时间较长及节省初投资，以建筑物总负荷的80%进行的设备选型，加上太阳能集热系统受天气影响波动较大，故能够满足建筑物总供热需求的时间较短，所占比例较低。

3.2各模式下系统供热量分析

系统中各模式的供热量大小关系如图4所示。与各模式下运行时间占比不同的是，模式2的供热量占比较大，系统供热量较多，约为总供热量的44.65%，其次是模式3—模式5，总供热量最小的是模式1，供热量占比不足1%，即太阳能直接供暖所供热量较少，主要原因是该互补供热系统在模式1下的运行时间较短，故总供热量较低。

虽然系统处于模式2下的时间比模式3下运行时间短，但总供热量最多，说明系统在模式2下处于高效率区的时间较长，水源热泵模式下系统效率较高。模式4和模式5总供热量较为接近，各约占总供热量的10%。

3.3各能源供热量对比分析

图5为整个供暖季中不同能源供热量对比，从图中可以看出，系统的总供热量中来自太阳能的热量占比最高，其次是空气能，利用较少的能源是市政热能。虽然在上述分析中太阳能直接供热模式即模式1下的运行时间、总供热量占比均较低，但是在该互补供热系统中，太阳能除可直接利用（模式1）外，还可以作为双热源热泵（水源）系统的低温热源，即模式2和模式5下的水源热泵系统吸收的热量均来自太阳能集热系统，因此，太阳能在总供热量中占比较高。双热源热泵（空气源）系统的低温热源是空气，即模式3、模式4下热泵系统需从空气中吸收热量，且模式3、模式4的运行时间较长，因此，空气能在总供热量中的占比仅次于太阳能，2种清洁能源的总供热比例为82.15%。热泵系统的运行需要消耗电能，模式2—模式5下热泵系统均处于运行状态，热泵系统运行时间较长，总供热量较多，因此，在整个供暖季中互补供热系统来自电能供应的热量占16.18%。由于双热源热泵系统及太阳能集热系统的设计负荷为总建筑热负荷的80%，能够满足大部分时间的建筑物供暖需求，因此需要市政热网补热的时间较少，故市政热网总供热量的占比较低，仅为1.68%。

3.4双热源热泵机组COP分析

在本系统中，双热源热泵机组有2种运行工况，空气源和水源模式，根据气象条件及控制系统进行2种模式的不断切换，图6为2种工况下热泵机组COP效率随运行时间的变化情况。从图6可以看出，2种系统不断地切换运行，且2种模式下，在各自的运行时间段内均处于较高的效率区，空气源热泵系统运行时间段内平均COP为3.99，水源热泵模式下系统平均COP为4.14，双热源热泵机组的平均COP为4.06，远远高于常规的单一空气源热泵机组或水源热泵机组，该双热源热泵系统运行效果较好。

4结论

建立了一种利用清洁能源与市政热网互补供热的新系统，分析了此系统的不同运行模式及控制策略，并以石家庄市某小区为例，分析了该系统运行中不同模式的运行时间及供热量、不同能源的供热量和热泵机组2种工况下的供热效率，结论如下：

1）系统运行过程中有5种运行模式，其中模式1运行时间最短，模式3运行时间最长;

2）各模式下的供热量大小关系是模式2>模式3>模式4>模式5>模式1，模式1供热时间最短，供热量也最低;

3）整个供热过程中，各能源的供热量大小关系是太阳能>空气能>电能>市政热网，清洁能源所占比例为82.15%;

4）双热源热泵机组平均COP为4.06，远高于常规的热泵机组。

本文只对所构建的市政热网与清洁能源互补的集中供热系统进行了模拟研究，未与实际工程应用效果进行对比。未与应结合当地的热网条件、建筑供暖形式及用能特点等，合理地进行系统设备配置，对系统进行验证。

参考文献/References：

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2017[M].北京：中国建筑工业出版社，2017：2-6.

[2]解淑艳，王帅，张霞，等.中国北方地区供暖期颗粒物污染现状[J].中国环境监测，2018，34（4）：25-33.

XIEShuyan，WANGShuai，ZHANGXia，etal.Pollutioncharacteristicsofparticulateinheatingperiodsinnorthernchina[J].EnvironmentalMonitoringinChina，2018，34（4）：25-33.

[3]方豪，夏建軍，林波荣，等.北方城市清洁供暖现状和技术路线研究[J].区域供热，2018（1）：11-18.

[4]覃露才，孙纪康，陈江娜.北方供热地区清洁供暖规划技术路线与案例[J].煤气与热力，2018，38（4）：4-10.

[5]张书华，付林.优先利用分布式能源及工业余热的多能互补供热模式[J].分布式能源，2018，3（1）：64-66.

ZHANGShuhua，FULin.Multienergycomplementaryheatingmodewithpriorityuseofdistributedenergyandindustrialwaste[J].DistributedEnergy，2018，3（1）：64-66.

[6]梁浩，张峰，龙惟定.基于多能互补的区域能源系统优化模型[J].暖通空调，2012，42（7）：67-71.

LIANGHao，ZHANGFeng，LONGWeiding.Optimizationmodeofcomplementarydistrictenergysystembasedonmulti-energy-sources[J].HeatingVentilating&AirConditioning，2012，42（7）：67-71.

[7]聂海宁，黄小琳，曾智勇.中国清洁能源供热现状及发展前景[J].能源与节能，2018（12）：87-89.

NIEHaining，HUANGXiaolin，ZENGZhiyong.PresentsituationanddevelopmentprospectofcleanenergyheatinginChina[J].EnergyandEnergyConservation，2018（12）：87-89.

[8]崔晓月.北京地区太阳能-空气源热泵辐射供暖系统适用性研究[D].邯郸：河北工程大学，2017.

CUIXiaoyue.StudyonApplicationofSolar-AirSourceHeatPumpCapillaryRadiantHeatingSysteminBeijing[D].Handan：HebeiUniversityofEngineering，2017.

[9]黄文洪.太阳能-空气源热泵热水系统运行特性及优化研究[D].厦门：集美大学，2017.

HUANGWenhong.ResearchonOperationCharacteristicandOptimizationofSolar-AirSourceHeatPumpHotWaterSystem[D].Xiamen：JimeiUniversity，2017.

[10]申振宇.太阳能-空气源热泵在西安某别墅供暖系统的应用研究[D].西安：西安工程大学，2017.

SHENZhengyu.ApplicationResearchofSolarAssistedAirSourceHeatPumpHeatingSysteminXi’AnVilla[D].Xi’an：Xi’anPolytechnicUniversity，2017.

[11]靳路.太阳能-空气源热泵系统在独立式住宅中的应用研究[D].石家庄：河北科技大学，2015.

JINLu.ApplicationofSolar-AirSourceHeatPumpSysteminIndependentHouse[D].Shijiazhuang：HebeiUniversityofScienceandTechnology，2015.

[12]吴启任.寒冷地区太阳能-空气源热泵系统研究[D].大连：大连理工大学，2010.

WUQiren.StudyofaSolar-AirSourceHeatPumpSystemforColdRegions[D].Dalian：DalianUniversityofTechnology，2010.

[13]冉思源，李先庭，徐伟.新型间联式太阳能空气源热泵用于供热的效果分析[J].暖通空调，2016，46（12）：8-14.

RANSiyuan，LIXianting，XUWei.Performanceanalysisofahybridsolarair-sourceheatpumpforspaceheating[J].HeatingVentilating&AirConditioning，2016，46（12）：8-14.

[14]张明昭.太阳能、空气源热泵、锅炉供暖联合供热的研究与实践[D].保定：华北电力大学（河北），2010.

ZHANGMingzhao.StudyandPracticeontheSystemsofSolarEnergyandAirSourceHeatPumpandBoilerCombinedHeating[D].Baoding：NorthChinaElectricPowerUniversity（Hebei），2010.

[15]郝红，付晓晨，冯国会，等.太阳能-地源热泵与热网补供暖系统的仿真性能研究[J].流体机械，2014，42（9）：61-65.

HAOHong，FUXiaochen，FENGGuohui，etal.Researchonthesimulationofsolar-groundsourceheatpumpandheatingnetworkcomplementaryheatingsystem[J].FluidMachinery，2014，42（9）：61-65.

[16]冯国会，张剑，郝红，等.严寒地区太阳能——地源热泵与热网互补供热系统能源配比研究[J].供热制冷，2016（6）：24-28.

[17]羡晓东.多能互补集中供热系统应用研究[D].石家庄：河北科技大学，2019.

XIANXiaodong.ApplicationResearchofMulti-energyComplementaryMunicipalCentralHeatingSystem[D].Shijiazhuang：HebeiUniversityofScienceandTechnology，2019.

[18]GB50736—2012，民用建筑供暖通風与空气调节设计规范[S].

[19]JGJ142—2012，辐射供暖供冷技术规程[S].

[20]李俊.严寒寒冷地区空气源热泵系统室外计算温度选择的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

LIJun.ResearchonSelectionofOutdoorDesignTemperatureforAirSourceHeatPumpSysteminSevereColdandColdRegions[D].Harbin：HarbinInstituteofTechnology，2018.