寒冷地区村镇住宅建筑单热源供热系统设计与优化

刘吉宏， 张赫男， 魏国栋， 程远达

(太原理工大学 土木工程学院， 山西 太原 030024)

长期以来，我国大量的煤炭消费带来了严重的环境污染问题.北方城镇供暖煤炭消费总量虽然不高，但煤炭燃烧产生的污染物仍对环境产生了严重影响，造成雾霾等恶劣天气现象[1-2].因此，大力发展可再生能源的清洁供热技术，减少北方城镇供暖的煤炭消费量，是实现绿色发展的有效途径之一.

常见的清洁供暖技术包括太阳能供暖、电驱动热泵供暖等[3-5]，许多学者针对清洁供暖系统进行研究，张志英[6]认为最优蓄冷率为40%，蓄冷率超过80%后投资收益较差.李松波[7]发现随着钻井深度的增加，太阳能供热作用不断下降，混合热泵运行效率高于单一热泵.尹丽媛[8]通过对比热泵在不同季节的运行数据提供供热系统的最优运行方案.赵海国[9]发现相比没有蓄能的系统，水蓄冷与地源热泵相结合的系统总投资费用可降低约15%.尹雪芹等[10]发现Energy-bus近端网式系统可提高系统的能源利用效率，并可提高系统的可靠性及安全性.Labidi等[11]通过优化设计蓄热水罐，改善多能源区域锅炉的运行，并提出一种通用的预测策略.Blaud[12]等研究多能源系统(MES)和经济模型预测系统(EMPC)的高级控制，开发多生产者节点软件(MPN).

值得注意的是，现有关于清洁供热系统的研究大多针对大型建筑展开，对不同规模村镇住宅建筑及区域供热等供暖系统的研究较为不足.不同供热面积下，清洁供热系统热源的选择及全生命期的经济性等方面有待进一步研究.针对上述问题，本文以山西省太原地区为例，对不同规模的村镇建筑源清洁供热系统优化设计方案与全生命周期内的经济性展开研究.

1 清洁供暖系统及模拟参数

1.1 清洁供暖系统

图1 太原地区典型气候年室外温度逐时变化 Fig.1 Hourly change of outdoor temperature of typical climate year in Taiyuan area

村镇住宅建筑供暖面积共分为60，200，500，1 000，2 000 m2五个工况，规定供暖面积为500，1 000，2 000 m2的3个工况均为建筑面积一致的单体住宅.清洁供暖系统主要包括太阳能供暖系统、电锅炉供暖系统、地源热泵供暖系统及空气源热泵供暖系统.太阳能供暖系统清洁环保，可就地利用、无需运输，对农村地区尤其具有利用价值.电锅炉供暖系统由于峰谷电价不同，可存储低谷时的电能，用于高峰时刻供电，降低运行费用[13].地源热泵供暖系统的供暖、制冷能量与热量的转化(COP)均较高，能源利用率是燃煤、燃气、燃油等常规能源方式的3.5倍及以上[14].空气源热泵系统目前在村镇“煤改电”工程中应用较为广泛，具有适用温度范围广(适用温度为-7～40 ℃)、运行成本低、清洁无污染的特点[15-16].

1.2 模拟参数

太原地区典型气候年的室外温度逐时变化，如图1所示.图1中：θ为温度；t为时间.单体建筑围护结构由外墙、内墙、外窗、地面、楼板、屋面等部分组成.不同朝向外墙的窗墙比如下：东边为0.33；南边为0.24；西边为0.36；北边为0.24.根据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》[17]对太原地区常见民用住宅建筑围护结构参数进行设置，如表1所示.表1中：W为传热系数.

表1 建筑围护结构参数设置Tab.1 Service life and influencing factors of different heat sources

根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[18]，室内模拟参数设置如下：冬季供暖温度为18～22 ℃；每小时通风0.7次；每小时渗透0.35次；灯光功率为5 W；设备功率为10 W；每平方米人数为0.1人.室内热源包括灯光、设备及人员.

供暖系统的运行时间主要根据供暖系统的使用寿命进行选择.不同热源供暖系统的使用寿命及影响因素，如表2所示.经运行维护后，供暖系统的使用寿命均可达20 a及以上.因此，以20 a作为4种单热源供暖系统的生命期进行经济性分析.

表2 不同热源的使用寿命及影响因素Tab.2 Service lifes and influencing factors of different heat sources

2 供暖系统模型及建筑供暖动态负荷

2.1 供暖系统模型

4种单热源供暖系统模型，如图2所示.

(a) 太阳能集热系统 (b) 电锅炉供暖系统

(c) 地源热泵供暖系统 (d) 空气源热泵供暖系统图2 4种单热源供暖系统模型 Fig.2 4 models of single heat source heating systems

由图2可知：太阳能供暖系统的源侧主要包括太阳能集热器和水箱，白天用集热水箱蓄热，根据建筑供暖负荷的需求进行供热；电锅炉供暖系统利用电加热器加热水，夜间利用谷电价时段进行蓄热，并根据负荷对建筑进行释能与供能；地源热泵供暖系统以土壤作为低温热源，热泵机组从土壤中吸取热量给建筑供暖；空气源热泵供暖系统以空气作为低温热源，热泵机组从空气吸取热量给建筑供暖.

2.2 建筑供暖动态负荷

太原地区开始供暖的时间是2019年11月1日，结束的时间是2019年3月31日，供暖时间共计5个月.面积为60 m2的建筑热负荷，如图3所示.图3中：Q为热负荷.由图3可知：热负荷在11月份达到最大值7.24 kW，单位面积热负荷为120.6 W·m-2.面积为200 m2的建筑热负荷，如图4所示.由图4可知：面积为200 m2的建筑热负荷变化趋势与面积为60 m2相同，最大热负荷均出现在11月份，单位面积热负荷为118.1 W·m-2.

图3 面积为60 m2建筑的热负荷 图4 面积为200 m2建筑的热负荷 Fig.3 Heat load of 60 m2 building area Fig.4 Heat load of 200 m2 building area

在围护结构参数、室内参数等设置一致的前提下，不同面积建筑的单位供暖负荷基本接近，总负荷与建筑面积成线性相关.因此，供暖面积为500，1 000，2 000 m2的供暖热负荷近似成倍数关系.

3 不同热源供暖系统优化方案

3.1 太阳能供暖系统

太阳能供暖系统的优化目标是在满足供暖需求的同时达到最优经济性.因此，根据水箱出口温度、回水温度的平均值及方差对电加热器功率和水箱容积进行优化，得到满足供暖要求的最小集热器面积和水箱容积，计算相应集热器面积与水箱容积下的供暖耗电量.通过每平方米太阳能集热器的集热量与最大热负荷计算得到集热器的面积，并进行系统的匹配和选型.通过10 ℃供回水温度差、24 h的运行时间、固定流速计算水箱容积.当建筑面积为60 m2时，集热器面积为40 m2，水箱容积为8 m3可满足建筑的供暖要求.在完整供暖季内，集热器的集热量为8 338.4 kW·h，水泵耗电量为364.2 kW·h.

太阳能供暖系统优化值，如表3所示.表3中：s为面积；V为水箱容积；Q为耗电量.由表3可知：当集热器面积为32 m2，水箱容积为5 m3时，太阳能供暖系统能满足面积为60 m2建筑的供暖需求.因此，在满足相同供暖需求的条件下，集热器面积由40 m2降低到32 m2，集热器面积减小了20%；水箱容积由8 m3减小到5 m3，水箱容积减小了37.5%，耗电量降低4.1%.太阳能供暖系统逐时动态模拟，如图5所示.

图5 太阳能供暖系统逐时动态模拟 Fig.5 Hourly dynamic simulation of solar energy heating system

s(建筑)/m2s(集热器)/m2V/m3Q/kW·h60325349.220011513768.2500280132 793.61 000540244 190.42 0001 110365 978.4

3.2 电锅炉供暖系统

电锅炉供暖系统根据水箱出口温度、回水温度的平均值及方差对电加热器功率和水箱容积进行优化，得到对应建筑面积下满足供暖要求的电加热器最大功率和水箱的容积，并计算相应水箱容积下的供暖耗电量.当建筑面积为60 m2时，电加热器功率为4 kW，水箱容积为2 m3可满足建筑的供暖需求.完整供暖季内电加热器的耗电量为7 152.32 kW·h.水箱尺寸的减小使电锅炉供暖系统体积更加紧凑，提高了土地利用率，电锅炉供暖系统优化值，如表4所示.表4中：p为电加热器功率.由表4可知：当电加热器功率为4 kW，水箱容积为1 m3时，电锅炉供暖系统同样能满足面积为60 m2建筑的供暖需求，但水箱体积与未优化前相比减小了50%.电锅炉供暖系统逐时动态模拟，如图6所示.

图6 电锅炉供暖系统逐时动态模拟 Fig.6 Hourly dynamic simulation of electric boiler heating system

s(建筑)/m2p/kWV/m3Q/kW·h60417 152.320011220 010.450028450 100.01 0005040901 050.62 00011020185 704.6

3.3 地源热泵供暖系统

按照120 W·m-2单位面积热负荷进行模型初选，根据对应的热负荷选择热泵机组和地埋管数量，并针对太原地区的气象参数进行地源热泵供暖系统性能的模拟.地源热泵供暖系统根据源侧进出口温度、进出口温度差依次加减地埋管的数量，模拟优化状态下的地源热泵供热需求，得到对应建筑面积下满足供暖要求的地埋管合理数量，并计算相应地埋管数量下的供暖耗电量.

无蓄热条件下，单根地埋管的供热量可以保证一户村镇单体建筑供暖使用.地源热泵供暖系统优化值，如表5所示.表5中：n为地埋管数量.由表5可知：当n为2根时，地源热泵供暖系统能满足面积为500 m2建筑的供暖需求，此时，地源热泵机组的耗电量为16 457.1 kW·h.地埋管数量的减少降低了初投资费用，使地源热泵供暖系统的经济性提高.地源热泵供暖系统逐时动态模拟，如图7所示.

图7 地源热泵供暖系统逐时动态模拟 Fig.7 Hourly dynamic simulation of ground source heat pump heating system

s(建筑)/m2nQ/kW·h6021 974.7 20026 582.7 500216 457.1 1 000432 914.3 2 000665 828.6

3.4 空气源热泵供暖系统

空气源热泵供暖系统根据源侧进出口温度、进出口温度差及负荷侧进出口温度、进出口温度差对空气源热泵机组功率进行优化，得到对应建筑面积下满足供暖要求的最小机组功率，并计算供暖耗电量.

图8 空气源热泵供暖系统逐时动态模拟 Fig.8 Hourly dynamic simulation of air sourceheat pump heating system

空气源热泵供暖系统优化值，如表6所示.由表6可知：当建筑面积为60 m2时，空气源热泵机组功率为4 kW可以满足供暖要求，完整供暖季电加热器的耗电量为2 468.6 kW·h.空气源热泵供暖系统逐时动态模拟，如图8所示.

表6 空气源热泵供暖系统优化值Tab.6 Air source heat pump heating system optimization value

4 不同供暖系统的经济性

4.1 不同供暖系统初投资费用

分别对各单热源系统在不同供热面积下的初投资费用进行计算，计算结果如表7～10所示.表7中：P为初投资费用.表9中：地埋管费用包括地埋管材料费用8 000元·根-1和打孔费2 000元·根-1；热泵机组及水泵的初投资费用包括采购及安装；其他初投资费用包括人工费用安装150元·(人·天)-1，2根地埋管的地源热泵系统按照20个人工计算.

表7 太阳能供暖系统初投资费用Tab.7 Initial investment cost of solar heating system

表8 电锅炉供暖系统初投资费用Tab.8 Initial investment cost of electric boiler heating system

表9 地源热泵供暖系统初投资费用Tab.9 Initial investment cost of ground source heat pump heating system

表10 空气源热泵供暖系统初投资费用Tab.10 Initial investment cost of air source heat pump heating system

由表7～10可知：单热源供暖系统初始投资费用按大小排序为P(电锅炉供暖系统)

4.2 不同供暖系统运行费用及总费用

(a) 建筑面积为60 m2

(b) 建筑面积为200 m2 (c) 建筑面积为500 m2

(d) 建筑面积为1 000 m2 (e) 建筑面积为2 000 m2图9 各供暖系统生命期内运行费用及总费用 Fig.9 Operating costs and total cost of each heating system in life cycle

以20 a作为供暖系统运行周期，计算不同供暖系统在不同供热面积下的运行费用及总费用，如图9所示.由图9可知：单热源供暖系统按运行费用大小排序为P(太阳能供暖系统)

由于太阳能供暖系统的耗电部分仅为电机驱动水泵，因此耗电量最小，运行成本最低；而电锅炉供暖系统的热量完全由电能转化，因此相同供暖负荷下的耗电量最大，运行费用最高.地源热泵供暖系统的耗能部分包括换热机组和水泵运行两部分.空气源热泵供暖系统的耗能部分包括空气源热泵机组和水泵运行两部分，由于冬季工况下，地源热泵供暖系统的COP高于空气源热泵供暖系统的COP，因此相同供暖负荷下，空气源热泵供暖系统运行耗能较大，运行费用较高.

当建筑供暖面积为60 m2时，单热源供暖系统按总费用大小排序为P(太阳能供暖系统)

当建筑供暖面积在200～2 000 m2时，各供暖系统按运行费用大小排序为P(太阳能供暖系统)

5 结论

1) 在满足供暖需求的前提下，以系统经济性最优作为供暖系统的优化目标，根据水箱出口温度、回水温度的平均值及方差对太阳能供暖系统及电锅炉供暖系统进行优化，得到不同供热面积下系统设备的优化设计方案.

2) 对于不同供暖系统的初投资费用，太阳能供暖系统最大，电锅炉供暖系统最小，电锅炉供暖系统初投资费用比太阳能供暖系统减少了近90%.

3) 对于不同供暖系统的运行费用，太阳能供暖系统最大，电锅炉供暖系统最小，太阳能供暖系统运行费用比电锅炉供暖系统减少了近94%.

4) 对于不同供暖系统的总费用，电锅炉供暖系统最大，太阳能供暖系统最小，太阳能供暖系统总费用比电锅炉供暖系统减少了近65%.