可再生能源耦合供热系统在严寒地区的适宜性分析

冯国会，张 磊，常莎莎，黄凯良，崔 航，张雪萍

（1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110168）

0 引言

根据国际能源署（IEA）的新政策设想，到2040年，全球能源需求预计将增长25%以上[1]。国际能源机构强调要以强有力的政策来解决可持续性问题和能源安全问题，这些政策将对未来能源利用的方向产生重大影响[1]。为了满足日益增长的能源需求，鼓励各国政府通过政策和财政支持开发替代能源技术[2]。

目前，地源热泵供热系统在生产过程中不仅受经济条件的限制，还受冷热负荷比的限制[3]。我国严寒地区全年冷热负荷不平衡，在使用过程中易发生冷堆积情况[4]。单一热泵在严寒地区冬季运行不稳定且能效偏低，使得土壤的温度场得不到及时有效的恢复，土壤的供热能力将逐年下降，最终导致机组COP下降。太阳能光电/光热一体化系统可以实现光电利用和光热利用，从而提高太阳能的综合利用效率，与太阳能光电/光热一体化系统构成复合供热系统，能够减少燃煤量，提高整体的能源利用率[5]。通过太阳能集热器辅助热源补热，可以缓解土壤温度的热失衡现象[6]。空气源热泵在严寒地区存在蒸发端低温启动困难问题，与太阳能集热系统构成复合供热系统，能够解决低温环境下空气源热泵系统制热效率较低的问题[7]，相对传统供热方式，多能耦合互补供暖系统的优越性十分明显[8]。

我国严寒地区空气源热泵运行易结霜，土壤源热泵运行效率逐年降低。本文以沈阳市某净零能耗示范建筑为例，利用DeST进行负荷计算和设备选型，并通过TRNSYS软件建立了单独空气源热泵、单独地源热泵、“太阳能+空气源热泵”、“太阳能+地源热泵”、“光伏幕墙余热+空气源热泵”共5种可再生能源耦合系统，进而分析各类系统在严寒地区的适宜性。

1 建筑概况与负荷分析

1.1 建筑概况

图1为沈阳市某净零能耗建筑，建筑尺寸长×宽×高为18 m×9.0 m×6.9 m，总面积为334.8 m2。该建筑共有两层，无地下室；一层层高3.3 m，房间功能为卧室、厨房、设备间、控制室、展厅以及卫生间；二层层高3.6 m，房间功能为开场办公区、封闭办公室以及卫生间。NZEB围护结构热工参数如表1所示。

图1 沈阳市某净零能耗建筑示意图Fig.1 Schematic diagram of a net zero energy building in Shenyang

表1 NZEB围护结构热工参数Table 1 Thermal parameters summary of NZEB building envelope

1.2 热负荷计算

采用DeST软件对净零能耗建筑（图2）进行负荷计算，其全年最大热负荷9.51 kW，全年累计热负荷11 806 kW·h，热指标11.66 W/m2。全年逐时负荷如图3所示。

图2 DeST模型Fig.2 DeST model

图3 净零能耗建筑全年逐时负荷Fig.3 Annual hourly load of buildings with net zero energy building

2 系统方案及模型建立

2.1 系统方案

多能源耦合供热系统参照沈阳某净零能耗建筑的实验供热系统建立，集热设备主要包括太阳能集热器、空气源热泵、地源热泵以及光伏幕墙各部分，集热器作为系统的热源与蓄热水箱、循环水泵、循环风机等构成一个闭合的集热回路，在供暖季为沈阳某净零能耗建筑供热。多能源耦合供热系统的末端采用地暖毛细管网供热，用户末端供水温度为40～55℃。

设备选型中各参数的不同会使系统性能存在差异。太阳能采用真空管集热器作为集热部件，太阳能集热器集热面积的计算式为[9]

式中：Ac为供暖系统太阳能集热器总面积，m2；QH为建筑物的耗热量，W；f为太阳能保证率，对于Ⅲ类太阳能资源一般区，对于短期蓄热系统而言，一般取10%～30%，考虑到成本的因素，保证太阳能供暖在15%；JT为当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐射量，J/（m2·d），沈阳为14.98 MJ/（m2·d）；ηcd为基于总平面的集热器集热效率，70%；ηL为管路及贮热装置热损失率，%，一般取10%～30%，本文取10%。

该系统采用直接循环系统，太阳能集热器面积为14 m2。集热器的朝向为西南方向，倾斜角为45°。水泵的质量流量Vm的表达式为

式中：1.15为富裕系数；Φ为机组热负荷，kW；cp为水的比定压热容，取4.186 kJ/（kg·K）；Δt为供回水温差，℃。热泵机组侧与用户侧的供回水温差为4℃，热泵开启时的热负荷为9.8 kW，水泵的质量流量为2.43 m3/h。

地源侧水泵选型规格如下：型号ISW-25-125A；流量2.5 m3/h；扬程17 m；额定流量2 150 kg/h；额定功率0.15 kW；水泵效率70%。

在可再生能源供热过程中，由于天气原因，导致太阳能及环境温度波动很大，为了保证系统能够连续稳定供热，应加入蓄能水箱将热量储存起来以备应对异常天气。同时，系统采用不分层水箱，水箱容积按略大于0.5倍的热水质量流量确定，故本文选用容积为1.0 m3的水箱。空气源热泵机组型号BKH05C，额定制热量13.8 kW，机组功率4.6 kW；地源热泵机组型号YCWF012，额定制热量14.1 kW，机组功率3.53 kW。

2.2 TRNSYS仿真模型的建立

使用TRNSYS[10]仿真模拟软件建立了单独空气源热泵、单独地源热泵、“太阳能+空气源热泵”、“太阳能+地源热泵”和“光伏幕墙余热+空气源热泵”共5种可再生能源耦合供热系统，见图4。

图4 各供热工况TRNSYS模型Fig.4 TRNSYS model for different heating conditions

采暖季，多能耦合供热系统在控制中心的调控下运行，控制策略对蓄热水箱采用温差控制，详细控制策略如下所示。

单独地源、单独空气源热泵系统：此系统主要是控制水箱的温度，当水箱中水温达到50℃，关闭机组，当水箱中水温低于40℃，开启机组。

“太阳能+空气源”、“太阳能+地源热泵”系统：两个系统分别运行，优先采用太阳能集热，当集热器出水温度大于用户侧供水温度6℃，运行太阳能侧环路；当集热器出水温度小于用户侧供水温度2℃，关闭太阳能侧环路；当太阳能难以满足供热需求时，利用对水箱温度的控制来控制热泵机组的启停；当水箱中水温达到50℃，关闭机组；当水箱中水温低于40℃，开启机组。

“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统：模式的切换通过控制风机的启停来为空气源侧提供空气，当水箱中水温达到50℃，关闭机组；当水箱中水温低于40℃，开启机组。

TRNSYS仿真模拟系统中主要运用到的模块见表2。

表2 TRNSYS各模块参数明细表Table 2 Detail table of each module parameter of TRNSYS

3 模型验证

以“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的实验数据进行TRNSYS模型的验证[11]。通过比较模拟数据与实验数据发现，“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的光伏幕墙集热系统空腔内进、出口温度变化情况基本一致，其趋势表现为先增大再减少。7：00-13：00，集热系统中的空气温度逐渐上升，13：00之后，集热系统内的空气温度逐渐下降，上升趋势和下降趋势的速率基本相同，由于集热系统内空气的热惰性，19：00以后室外温度与PVT集热系统的进出口温度基本保持一致。

“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的供热性能在0：00-7：00供给较差；在7：00-12：00，随着PVT集热系统的进、出口温度升高，空气源热泵机组COP值也增大，处于满负荷运行状态；在12：00-14：00，PVT集热系统进、出口空气温度达到最高；14：00之后，由于太阳辐射降低，PVT集热系统进出口空气温度逐渐下降，空气源热泵机组COP值也随着空气温度的下降而降低。“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的机组COP模拟值为2.79，机组COP实测值为3.08，二者误差为9.4%，说明模型准确度较高。

4 结果分析

4.1 典型日模拟结果分析

沈阳的采暖期为每年11月1日-次年3月31日，共152 d。根据沈阳市典型年气象数据得到，1月13日为最冷日，室外日平均温度为-15.36℃，日最高温度为-6.5℃，日最低温度为-23.4℃。本次模拟采用该天作为典型日，对各供热系统的运行情况进行模拟分析。

图5为典型日不同供热系统下逐时COP变化趋势。从图5可以看出，建筑在夜间所需负荷较大，机组在22：00至次日9：00连续运行，这段时间内单独空气源与“空气源+太阳能供热”系统的COP基本由1.70逐渐上升至2.19左右，“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的COP由1.80上升至2.36。单独地源供热系统与“地源+太阳能供热”系统的COP基本一致，为3.15左右。其他时间段内日间建筑所需负荷较小，保持间歇运行，空气源热泵受外界环境温度影响，COP波动较大，尤其体现在“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统。

图5 典型日不同供热系统COP变化趋势Fig.5 Variation trend of COP of different heating systems on typical days

单独空气源热泵系统略差于“太阳能+空气源热泵”系统，受幕墙内空气温度的影响，“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的COP波动较大，8：00-15：00，COP明显高于单独空气源热泵系统，在10：00及14：00左右，COP高达4.29，其余时间与单独空气源热泵系统无明显差异。单独地源热泵系统则运行较稳定，COP无明显差异，由于太阳能在日间可起到15%左右的供热能力，“太阳能+地源热泵”系统的机组启停次数要少于单独地源热泵系统。

图6为典型日不同供热系统下水箱平均温度变化趋势。由图6可知，水箱温度始终保持在40～50℃，由于受外界环境温度的影响，所有空气源热泵系统的水箱水温皆为先下降再逐渐升温。主要是因为外界环境温度在逐渐下降，尤其在夜间，由于幕墙内的空气温度小于外界环境温度，从而导致“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的供热效率降低，其水箱温度波动更大，直至8：00达到最低温37.6℃。日间由于幕墙内空气温度大于外界环境温度，在14：00水温上升至52℃，随后趋于正常。所有地源热泵系统都能够较好的维持水箱水温。

图6 典型日不同供热系统下水箱平均温度变化趋势Fig.6 Variation trend of average temperature of water tank under different heating systems on typical days

4.2 多能源系统性能对比分析

图7为各个供热系统在采暖季COP变化趋势。

图7 各个供热系统在供热季每月平均COP变化趋势Fig.7 Monthly average COP variation trend of each heating system in heating season

由图7可以看出，3种不同类型的空气源热泵系统在整个供暖季内，11月COP值都较高，随着外界温度的降低，其COP出现了明显的下降，并在1月时达到最低谷，随后回升。单独地源热泵全供暖季无明显差异，波动较小，当引入太阳能辅助地源热泵供热后，由于太阳辐射强度的变化导致“太阳能+地源热泵”系统的全供暖季COP有一定幅度波动，呈现出先降低再增大的趋势，相较于单独地源热泵系统，性能提升14.80%。

表3为各供热系统在供热季的性能分析，在5种多能耦合供热系统中，单独空气源热泵系统机组的COP最低，为2.57；“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统机组的COP为2.79，相对于单独空气源热泵系统提高了8.56%；“太阳能+空气源热泵”系统机组的COP为2.90，相对于“光伏幕墙余热+空气源”系统提高了3.94%；单独地源热泵系统机组的COP为3.04，相对于“太阳能+空气源热泵”系统提高了4.83%；“太阳能+地源热泵”系统机组的COP为3.49，相对于单独地源热泵系统提高了14.80%。

表3 各供热系统在供热季的性能分析Table 3 Performance analysis of each heating system in heating season

图8为各个供热系统的全年COP逐时变化。由图8可以看出，地源热泵系统在全年运行中具有很高的稳定性，辅以太阳能系统后，可减少地源热泵机组运行时间且间接提高耦合系统的整体性能；空气源热泵系统的COP波动较大，在太阳辐射强度大时，能够有很较高的供热能力，辅以太阳能系统可减少空气源热泵运行时间且提高耦合系统的整体性能，同时空气源热泵系统在辅以太阳能光伏/光热系统能够提高空气源热泵的机组性能。

图8 各个供热系统下的全年COP逐时变化Fig.8 The annual COP of each heating system changes hour by hour

图9为各个供热系统下的全年供回水温度逐时变化。由图9可以看出，地源热泵系统在供热能力上具有很高的稳定性，当辅以太阳能系统后在供暖季初期和末期能够显著提高蓄热水箱的水温；空气源热泵的供热波动性较大，在初期和末期产生明显的差异，加入辅助能源系统后稳定性有很大的提升。用户侧供水温度在供暖期间保持在40～55℃，用户侧回水温度在供暖期间保持在35～50℃，冬季供回水温差在1～5℃。

图9 各个供热系统下的全年供水温度逐时变化Fig.9 The annual supply and return water temperature of each heating system changes hourly

图10为5种供热系统在采暖季的能耗分析。其中，“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的总能耗最高，为5 460.2 kW·h；“太阳能+地源热泵”系统的总能耗最低，为3 882.62 kW·h；单独空气源、“太阳能+空气源”、单独地源热泵系统的总能耗依次减少；单独空气源热泵系统的机组总能耗最高，为4 592.08 kW·h；“太阳能+地源热泵”系统的机组总能耗最低，为3 196.12 kW·h；“光伏幕墙余热+空气源热泵”、“太阳能+空气源热泵”、单独地源热泵系统的机组总能耗依次减少。

图10 不同供热系统采暖季能耗分析Fig.10 Energy consumption analysis of different heating systems in heating season

5 结论

本文以沈阳市某净零能耗建筑为例，建立了多能源耦合供热系统仿真模型，比较了5种不同的耦合供热系统，得到以下结论。

①空气源热泵供热能力明显低于地源热泵供热能力，水箱温度基本保持在40～55℃，由于受外界环境温度影响，空气源热泵机组COP与水箱温度波动较大，尤其体现在“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统，COP高达4.29，而太阳能辅以空气源热泵供热系统却无明显差异；地源热泵机组COP为3.04左右，辅以太阳能系统后COP提高了14.8%，达到3.49，同时水箱温度稳定性也更好。

②在整个采暖季，由于外界环境温度的波动较大，各供热系统的供热能力都在一定范围内涨幅，单独空气源、“光伏幕墙余热+空气源”、“太阳能+空气源”、单独地源、“太阳能+地源热泵”系统机 组COP依 次 为2.57，2.79，2.90，3.04，3.49；“太阳能+地源”、单独地源、“太阳能+空气源”、单独空气源、“光伏幕墙余热+空气源热泵”系统的全年总能耗依次为3 882.6，4 573.5，4 690.5，5 162.6，5 460.2 kW·h。

③在太阳能供暖采暖工程技术标准的要求范围内，太阳能供热比例占耦合供暖系统的15%为宜，严寒地区净零能耗建筑供暖形式建议优先采用“太阳能+地源热泵”系统，其次采用单独地源热泵系统。本文的研究成果可为多能耦合供能系统在严寒地区的推广应用提供技术支撑，具有重要的实践意义。