复合式空气源热泵在学校中应用的设计分析

李永 句德胜 郭朝辉 朱静 康雪纯

1 河北建研科技有限公司

2 河北建研工程技术有限公司

0 引言

北方冬季雾霾的产生，燃烧化石能源是很重要的一个原因，并且，冬季采暖期是雾霾发生的高峰期，因此，采用清洁能源供暖，可以有效解决空气污染[1]。住建部2015 年将空气热能纳入可再生能源应用范畴，2016 年多地推行煤改电政策，空气源热泵行业迎来了新的发展契机[2]。

学校建筑在供暖时，可以分为日间和夜间两个时间段。因此，笔者提出一种适用于学校建筑的带有调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统，然后用文献[3]提出的综合费用最优法，即以调峰比例为自变量，系统全寿命周期综合费用为因变量，确定使全寿命周期综合费用取得最小值时的最佳调峰比例。最后将常规系统和复合系统各项费用进行对比分析，以期为其在学校及类似建筑中的优化设计提供参考。

1 建筑负荷分析及带调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统介绍

笔者以位于石家庄的某学校为设计对象，各建筑物的面积及负荷统计情况见表1。为简化分析，不考虑夏季制冷和生活热水。经与校方管理人员沟通，确定每种类型建筑的采暖时间，将运行时段分为日间（6:00～21:00）和夜间（21:00～6:00）两个阶段，不同运行时间负荷统计结果见表2。

表1 建筑热负荷表

表2 不同运行时段负荷统计结果

图1 带有调峰热源的双泵双通道复合空气源热泵系统运行原理图

按常规设计思路，需按最大热负荷4491.9 kW 来选择空气源热泵机组。如果考虑生活热水需求，还得增加机组数量。在明确运行时间段后，可以按日间热负荷3117.3 kW 选择机组台数，夜间和日间共用一部分机组，其余机组可以在夜间制取生活热水。根据文献[3]提出的带有调峰热源的复合式空气源热泵系统设计方法，日间运行机组还可以设置一定比例的调峰热源，进一步减少空气源热泵机组的数量，最佳调峰比例的计算过程见本文下节。日间和夜间负荷特点不同，为进一步节约运行费用，设置两套循环水泵和两套循环管路。系统的运行原理图见图1。

复合系统日间运行时，开启日间循环水泵3，电磁阀7，电磁阀9，其他电磁阀关闭。夜间运行时，开启夜间循环水泵，电磁阀8，电磁阀10，其他电磁阀关闭。

2 最佳调峰比例计算

2.1 日间运行建筑逐时热负荷计算

根据表1 提供的热负荷值，采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[4]中的逐时气象参数，可根据式（1）求出逐时负荷值，采暖室内设计温度取20 ℃，采暖室外计算温度为-6.2 ℃。

式中：Qr,s为设计热负荷，kW；tn为冬季采暖室内设计温度，℃；ts为冬季采暖室外计算温度，℃；Qr,a为室外温度为ta时的逐时热负荷，kW。

寒假时间为1 月15 日-2 月15 日，采暖期11 月15 日-次年3 月15 日的日间运行建筑热负荷逐时值柱状图见图2。

图2 日间运行建筑热负荷逐时值柱状图

由图2 可知，日间运行建筑的逐时热负荷最大值为3117.30 kW，并且逐时热负荷值出现在最大热负荷附近的持续时间较短。

2.2 机组选型及性能曲线拟合

机组选用某品牌FS-L-R60D 模块式风冷式冷水（热泵）机组（低温型），该机组可在-25 ℃正常工作，名义制热工况（环境温度7 ℃（干球温度）/6 ℃（湿球温度），供/回水温度45 ℃/40 ℃）下的制热量为70 kW，输入功率为19.9 kW。为了便于分析，将样本所给出的该机组运行性能数据进行拟合，制热量和COP 拟合曲线分别见图3 和图4。

图3 制热量拟合曲线

图4 COP 拟合曲线

根据图3 和图4，分别拟合出关联环境温度t 的制热量Q 和COP 的表达式（2）和（3），拟合度R2分别为0.9996 和0.9945。

式中：Q 为空气源热泵机组制热量，kW；t 为室外环境温度，℃。

式中：COP为空气源热泵机组制热性能系数，无量纲；t为室外环境温度，℃。

项目所在地石家庄的供暖室外计算温度为-6.2 ℃[5]，由式（2）可得，当t 为-6.2 ℃，机组制热量Q应修正为55.12 kW，然后根据空气源热泵机组须承担的负荷即可计算出机组总台数。

2.3 不同调峰比例下系统全寿命周期综合费用分析

调峰热源采用电锅炉，在调峰比例为0～40%时，计算日间运行复合式空气源热泵系统全寿命周期综合费用（初投资+10 年运行费用），以综合费用最小时的调峰比例为最佳值。分析时，不考虑维护保养费用、管网和循环水泵等在具有相同初投资与运行费用的部分，假设系统寿命为10 年，热泵机组初投资为7.2万元/台，电锅炉初投资为580 元/kW，电价为0.55 元/kWh。

将按式（1）计算的日间逐时负荷作为基础数据，结合式（3）可求出机组逐时COP，系统总耗电量为热泵机组耗电量与电锅炉耗电量之和，考虑到输送管网的热损失及热力失调，将按以上步骤计算出的结果乘以1.1 的放大系数。在上述条件下，日间运行复合式空气源热泵系统在不同调峰比例下的系统各项费用分析见表3，不同调峰比例下各项费用变化曲线见图5。

图5 日间运行复合式空气源热泵系统各项费用变化曲线

由表3 及图5 可以看出，当调峰比例在0～40%范围变化时，初投资逐渐减小，变化曲线呈现出固定的斜率。但运行费用逐渐增大，尤其是调峰比例大于15%以后，增加的趋势较为明显。全寿命周期综合费用呈现出先减小后增大的趋势，在本次分析中，日间运行复合式空气源热泵系统的最佳调峰比例为15%，此时的综合费用为943.10 万元，相比不调峰系统的综合费用（957.60 万元）降低了14.50 万元。

对于日间采暖的建筑，采用电锅炉+空气源热泵的复合系统，对于夜间采暖的建筑，完全由空气源热泵机组承担即可。在明确设计思路后，将常规空气源热泵系统与带有调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统进行初投资与运行费用比较，计算常规系统运行费用时，由于没有明确各建筑的具体运行时间，如果按连续运行计算，会造成费用过高，使结果不具有可比性，因此采用与复合系统相同的逐时负荷进行计算。常规系统与复合系统各项费用分析结果见表4。

表4 常规系统与复合系统各项费用分析

由表4 可以看出，对于本项目，带有调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统初投资为393.37万元，比常规系统初投资（598.00 万元）降低204.63 万元，降低幅度约为34.3%。复合系统年运行总运行费用为95.91 万元，比常规系统（99.07 万元）降低3.16 万元，降低幅度约为3.2%。并且，由于复合系统采用了双泵双通道系统，日间和夜间各设置一套循环水泵，其年运行费用为9.48 万元，比常规系统（14.95 万元）降低5.47 万元，降低幅度约为36.6%。对于具体项目，需要根据项目具体情况确定输入参数，比如当地气象条件、建筑群的采暖时间、电价、拟采用的机组性能参数和机组价格等确定最佳方案。

3 结论

1）根据学校建筑的负荷特点及使用情况，为降低空气源热泵系统的初投资及运行费用，可采用带有调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统，并举例说明了系统的具体设计方法。

2）对于本项目，在限定条件下的计算结果表明，带有调峰热源的双泵双通道复合式空气源热泵系统初投资比常规系统初投资降低幅度约为34.3%。总运行费用降低幅度约为3.2%，循环水泵运行费用降低幅度约为36.6%。

3）对于具体项目，可根据项目具体情况确定各项输入参数后，采用笔者提出的方法确定最佳设计方案。