高海拔地区太阳能与空气源热泵供暖系统适用性分析

刘 轩，高 潮，邓文婷，邓旭艳，姚 戈

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.中国电力建设集团有限公司西南指挥部，成都 610036)

0 前 言

目前中国北方城镇约150亿m2建筑需要供暖，每年需消耗60亿GJ热量，其中约有40 %由燃煤和燃气等不可再生能源提供，可造成约10亿吨二氧化碳排放量[1]。在“碳达峰”和“碳中和”的双碳发展目标要求下，如何在保障居住环境热舒适性和系统高效稳定运行的同时，因地制宜地利用太阳能等清洁能源供暖，是降低建筑间接碳排放、加快实现建筑行业碳中和所面临的重要问题。

我国西部高原一般海拔在3 000～5 000 m，冬季极端寒冷且漫长，高原腹地年平均温度在0 ℃以下, 属于严寒寒冷地区[2-3]。当地煤气油等常规能源匮乏，但太阳能等可再生能源极为丰富，日照时数在3 000 h以上[4]。此外，当地建筑绝大多数为中低层建筑，总体建筑密度较低且布局相对分散，不宜推广集中供暖系统。因此与北方寒冷地区采用常规能源的传统供暖方式不同，高原独特的气候条件和建筑形式决定了其具备率先利用太阳能等清洁能源满足供暖需求、降低建筑供暖能耗的先决条件。

对于高海拔地区建筑的太阳能供暖设计，可通过建立太阳能光热系统或光热光电联合供暖系统，并借助一定规模和方式的热蓄调系统[5-6]，解决高原建筑供暖问题。众多学者对高原地区各类建筑采用可再生能源供暖系统的节能性与经济性进行了广泛而深入的研究。夏洪涛等[7]通过实测数据对高原机场太阳能-水源热泵联合供暖系统的太阳能贡献率等参数进行分析比较，可得每个运行年度内该联合供暖系统比水源热泵单独供暖的碳排放量降低391.20 t。白旭升等[8]分析了空气式太阳能供暖系统于西藏曲水县实际应用的经济性和适用性，结果表明与燃气锅炉和电加热锅炉相比，该系统单个供暖季可节省257.36 t标准煤。李玥等[9]利用TRNSYS软件对西藏日喀则市某公共建筑采用太阳能供暖系统进行建模并优化，结果显示该系统可使建筑日耗电量降低26.7 %。此外，江亿等[10]和胡晓东[11]结合当地气候特点和能源环境现状，以拉萨市为例探讨了西藏地区各种太阳能供暖利用技术的适用性与经济性。在众多太阳能辅助供暖利用技术中，空气源热泵作为一种高效率的能量转换设备，与太阳能供暖技术结合可提高系统运行可靠性。刘艳峰等[12]对川西高山峡谷区以空气源热泵为主的多元互补供热方案进行对比分析，为当地空气源热泵供热系统工程的优化设计提供依据。杜彦等[13]通过TRNSYS软件模拟分析了空气源热泵地板辐射供暖系统的运行性能。

目前研究多集中于利用单一形式的可再生能源供暖，缺乏对多种能源形式互补的供暖系统的综合研究。本文以高原典型城市为例，采用TRNSYS 18模拟仿真，建立“太阳能光热+空气源热泵”联合供暖模型，对不同集热场面积和辅助热源容量条件下系统的运行能耗、太阳能保证率等参数进行了对比分析,为高原高寒地区多能互补供暖系统的设计提供借鉴。

1 太阳能-空气源热泵供暖系统

太阳能光热与空气源热泵供暖系统原理如图1所示。系统由太阳能集热场、热交换器、光伏发电场、稳压逆变器以及空气源热泵等组成。集热工质经太阳能集热器加热后进入板式换热器，加热热用户的回水进而向用热末端供暖。另设光伏发电场，可将光能转化为电能储存在蓄电池中。当热交换器出水温度低于设定值时，稳压逆变器将蓄电池输出的直流电转变为空气源热泵需要的交流电，以此驱动热泵为用户辅助供暖。

图1 太阳能与空气源热泵供暖系统

此系统技术成熟，集热效率高。对于高原地区强辐射及阴雨天少等特殊气象条件，该供暖系统更有利于实现完全太阳能供暖，即接近100%的太阳能保证率。

2 系统仿真模型建立

利用TRNSYS 18建立上述太阳能光热与空气源热泵供暖系统模型，随后通过Open Studio建立高原建筑几何模型，采用Energy Plus软件对该典型建筑供暖负荷进行模拟计算。

2.1 太阳能光热与空气源热泵供暖系统模型

使用TRNSYS 18建立“太阳能光热+空气源热泵”系统模型，其中主要部件包括太阳能光热组件、空气源热泵组件，各组件数学模型如下所示。

(1)太阳能光热组件

太阳能集热场的有效集热量如公式(1)所示[14]：

qsol=Afie×(Itot×α0-α1(Tave-Tamb)-α2(Tave-Tamb)2)

(1)

公式(1)中：Afie为太阳能集热场总面积，m2；Itot为集热器表面总太阳辐照度，W·m-2；α0为集热器效率峰值；α1为环境温度下集热器热损失系数，W/(m2·K)-1；Tave为集热场平均温度，℃；Tamb为目标温度，℃；α2为集热器热损失系数的温度依赖性，W/(m2·K)-1。

(2)空气源热泵组件

空气源热泵的加热量与其效率相关，可用公式(2)表示[15]：

qhp=phpCOP

(2)

公式(2)中：qhp为空气源热泵的加热量，kW；php为空气源热泵的加热功率，kW；COP为空气源热泵能效系数，用公式(3)表示：

COP=2.7625+0.0625Tzf

(3)

公式(3)中：Tzf表示空气源热泵蒸发器中制冷剂蒸发温度，℃。蒸发温度与环境空气温度Ta的关系用公式(4)表示：

Tzf=0.7984Ta-7.2006

(4)

2.2 高原典型建筑模型

西部高海拔地区传统建筑形式紧凑，平面呈矩形，布局简单，多为平屋顶。建筑主立面一般坐北朝南，朝南房间的宽度通常等于或大于进深，以便更好地收集太阳热量。层高一般在2.2～2.6 m[16]，远低于现有标准的2.8～3.0 m，可缩短空气循环路径，维持人员活动区的热舒适性。建筑围护结构材料主要为当地易获得的粘土、花岗岩板、砂岩、干树枝等。其中外墙一般由粘土或花岗岩组成，墙厚在600～700 mm，厚重的外墙可实现有效蓄热，减少昼间太阳辐射强和夜间室外温度低造成的室内温度波动。为获得较多太阳辐射，建筑南向窗墙比一般大于50 %，而北向窗墙比低于20 %，且均采用低窗台[16]。此外，通过天井或庭院等半开放空间的烟囱效应可改善室内通风。

依据上述建筑典型特征，采用OpenStudio建立高原建筑模型，该典型建筑为地上两层建筑，总建筑面积为534.98 m2，典型建筑Energy Plus模型如图2所示：

图2 典型建筑Energy Plus模型

随后可通过Energy Plus软件对其供暖热负荷进行模拟计算，为“太阳能光热+空气源热泵”供暖系统的高原适用性分析提供数据支撑，其中各计算参数参考标准[17-19]中相关规定选取(见表 1)。

表1 建筑供暖负荷计算相关参数

拉萨、林芝和昌都地区室外计算参数如表2所示。

表2 供暖负荷室外计算参数

3 系统运行地域特性分析

3.1 建筑热负荷特性分析

选取前述建立的高原典型建筑模型为研究对象，利用EnergyPlus软件分别计算拉萨、林芝和昌都地区供暖季内建筑热负荷[20]，并对比分析建筑外墙无保温和增加60 mm保温层的热负荷差异。如图3～5所示，各地区供暖季条件下典型建筑的热负荷均为先增加后降低趋势，其中月平均热负荷和日平均热负荷最大值均出现在1月，而累计供暖能耗在供暖季期间不断递增，但增长率先增加后减小。拉萨地区供暖季期间，增加保温层前后建筑热负荷总体变化趋势基本一致，且热负荷峰值出现时间段相同(见图3)。但采用60 mm厚度保温层后，建筑热负荷相比无保温工况出现明显降低，最大可降低11.61 W/m2。对于整个供暖季而言，建筑无保温和增加60 mm保温层的累计供暖能耗分别为145.04 MJ/m2和83.89 MJ/m2，增加保温层可减少61.15 MJ/m2(即42.16%)的供暖能耗。

图3 拉萨地区供暖季热负荷及累计供暖能耗

增加保温层前后林芝地区建筑供暖季热负荷的总体变化趋势基本一致，日平均热负荷峰值均出现在2月，较拉萨地区有一定延迟(见图4)。与无保温工况相比，60 mm厚度保温层工况的建筑热负荷存在一定程度降低，日平均热负荷峰值由27.65 W/m2降低至16.39 W/m2。增加保温前后该典型建筑的供暖季累计供暖能耗分别为108.70 MJ/m2和61.26 MJ/m2，增加保温层可减少47.44 MJ/m2(即43.64%)的供暖能耗。

图4 林芝地区供暖季热负荷及累计供暖能耗

昌都地区供暖季增加保温层前后建筑热负荷的总体变化趋势相同，且热负荷峰值均出现在1月，但受气候影响其热负荷数值明显高于拉萨地区和林芝地区(见图5)，其中无保温工况下日平均热负荷可达43.93 W/m2。相比无保温工况，增加60 mm保温层后建筑日平均热负荷最大可降低12.27 W/m2，供暖季累计供暖能耗可减少75.49 MJ/m2(即37.12%)。

图5 昌都地区供暖季热负荷及累计供暖能耗

因此，对于西部高海拔地区典型建筑而言，通过增加围护结构保温层等手段能有效降低建筑热负荷，随后可基于此对“太阳能光热+空气源热泵”等供暖系统方案进行优化设计，进而在满足建筑供暖需求的同时，实现供暖系统的高效节能运行。

3.2 太阳能与空气源热泵系统采暖能力分析

根据前述典型建筑增加保温层后的热负荷计算结果，通过所建立的“太阳能光热+空气源热泵”供暖系统仿真模型，分别对该系统运行于拉萨、林芝和昌都地区气候条件下的太阳能保证率进行模拟计算，进而分析该系统在高原条件下的用能保障性。

当供暖系统所配备集热场的面积不同时，太阳能光热系统和空气源热泵系统分别供给建筑的热量会不同，进而导致系统的太阳能保证率发生变化(见图6～8)。如图6所示，对于拉萨地区而言，随着集热场面积由10 m2增加到55 m2，太阳能光热系统向用户的供热量由123.37 kWh增加到4 942.02 kWh，而空气源热泵的供热量由4 854.40 kWh逐渐降低到35.75 kWh。其中当该典型建筑配有55 m2集热场时，太阳能保证率可达99.28 %，此时太阳能集热场供热量可基本满足建筑供暖需求。

图6 拉萨地区系统太阳能保证率随集热场面积变化

当林芝地区典型建筑采用该系统时，随着太阳能集热场面积的增加，光热系统与空气源热泵系统供热量的变化趋势与拉萨地区基本一致(见图7)。当系统集热场面积仅为15 m2时，空气源热泵系统在整个供暖季的供热量可达3 382.48 kWh，而太阳能光热系统供热量仅为233.70 kWh；当集热场面积增加为55 m2时，光热系统向典型建筑的供热量增加至3 520.48 kWh，此时系统的太阳能保证率可达97.35 %。此外，当该典型建筑配有25 m2面积的集热场时，太阳能光热系统的供热量(1 593.09 kWh)与空气源热泵系统(2 023.10 kWh)差值最小。

图7 林芝地区系统太阳能保证率随集热场面积变化

如图8所示，昌都地区系统的集热场面积增加时，太阳能光热系统向建筑的供热量呈增加趋势，而空气源热泵的供热量呈递减趋势。由于昌都地区供暖季较长且热负荷峰值较大(无保温时日平均热负荷峰值可达43.93 W·m-2)，供暖系统的供热量高于拉萨、林芝等地，其中当建筑主要依靠空气源热泵系统供暖时(集热场面积为15 m2)，热泵系统的采暖季供热量可达7 532.56 kWh。而当主要采用太阳能光热系统供暖时(集热面积为75 m2)，整个采暖季内光热系统供热量为7 348.40 kWh，此时系统的太阳能保证率可达96.65 %。

图8 昌都地区系统太阳能保证率随集热场面积变化

3.3 太阳能与空气源热泵系统经济性分析

当集热场面积增加到一定程度后，系统的太阳能保证率可达到接近100%的程度，几乎不使用外接电源而独立使用太阳能系统供暖，但是过大的集热场面积势必造成初投资的增加，而且集热场面积增加到一定程度后太阳能保证率几乎不再增加，因此可计算不同集热场面积条件下对应的投资回收期，以此确定最佳的集热场面积。

拉萨地区典型建筑热负荷总计18.7 kW，年供暖耗热量77.6 GJ，选择额定制热量20 kW，COP为2.75空气源热泵机组一台，价格为32 100元。太阳能集热场造价按每平方米460元计算，拉萨地区当地电价为每千瓦时0.5元，计算不同集热场面积条件下的投资回收期如表3所示，可知当集热场面积为25 m2时投资回收期最短为4 a，经济性最优。

表3 拉萨地区不同集热场面积下的投资回收期

灵芝地区典型建筑热负荷总计14.8 kW，年供暖耗热量58.2 GJ，选择额定制热量18.5 kW，COP为2.56空气源热泵机组一台，价格为29 500元。太阳能集热场造价按每平方米460元计算，林芝地区当地电价为每千瓦时0.5元，计算不同集热场面积条件下的投资回收期如表4所示，可知当集热场面积为35 m2时投资回收期最短为7.5 a，经济性最优。

表4 林芝地区不同集热场面积下的投资回收期

昌都地区典型建筑热负荷总计23.5 kW，年供暖耗热量108.8 GJ，选择额定制热量24.5 kW，COP为2.72空气源热泵机组一台，价格为33 200元。太阳能集热场造价按460元/m2计算，昌都地区当地电价为0.48元/kWh，计算不同集热场面积条件下的投资回收期如表5所示，可知当集热场面积为45 m2时投资回收期最短为4.6 a，经济性最优。

表5 昌都地区不同集热场面积下的投资回收期

4 结 论

本文以拉萨、林芝和昌都为例，对所建立高原典型建筑模型的供暖季热负荷进行计算，从太阳能保证率及投资回收期等角度分析了“光热+空气源热泵”联合供暖系统的高原适用性，形成结论如下：

(1)通过合理增加围护结构保温层厚度，可有效降低高原典型建筑的热负荷和供暖季累计供暖能耗。相比无保温工况，增加60 mm保温层后拉萨、林芝和昌都典型建筑日平均热负荷分别降低11.61、11.26、12.27 W/m2，供暖季累计供暖能耗分别减少42.16%、43.64%、37.12%。

(2)随着集热场面积增加，太阳能光热系统向用户的供热量不断增加，而空气源热泵的供热量逐渐降低，系统太阳能保证率逐渐增大，但增长速率逐渐变缓。当拉萨、林芝和昌都的集热场面积分别达到55 m2、55 m2、75 m2时，系统太阳能保证率分别可达99.28%、97.35%、96.65%，基本实现依靠太阳能资源独立供暖。

(3)过大的集热场面积虽然能基本实现依靠太阳能资源独立供暖，但不具备经济性优势。当拉萨、林芝和昌都的集热场面积分别达到25、35、45 m2时均可取得最短的投资回收期，分别为4、7.5、4.6 a，经济性最优。