太阳能-污水源热泵系统在北京住宅的适用性

黄子健，郑文科，姜益强，程 程

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090； 3.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

1 概述

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的发布，为我国近零能耗建筑的发展填补了标准方面的空白。随着人民生活水平的提高，生活热水能耗占建筑能耗的份额逐渐加大。近零能耗建筑有较低的冷热负荷和较高的蓄热能力[1]，利用太阳能和污水余热可进一步降低建筑能耗。太阳能结合污水源热泵技术已趋于成熟[2-4]，而目前的研究主要集中在有大量污水产出的区域[5]，如学校浴池[6]、游泳馆[7-8]，针对住宅的研究比较少[9]。

本文根据近零能耗建筑的低热负荷和高蓄热能力的特点，提出一种兼具供暖与提供生活热水的户式太阳能联合污水源热泵系统(以下简称联合系统)，根据TRNSYS仿真结果，分析联合系统在北京地区的运行性能以及经济性。

2 供暖对象

北京某住宅建筑面积为110 m2，家庭成员为3人，每日7:00—8:30、20:00—21:30使用生活热水，供暖期为11月15日至次年3月15日。室内采用地面辐射供暖系统，供暖室内设计温度为18 ℃。

全年逐时太阳辐照度见图1。供暖期逐时室外温度、逐时供暖热负荷见图2。图2、5、6中，7 633～8 760 h对应11月15日—12月31日，8 761～10 536 h对应次年1月1日—3月15日。

图1 全年逐时太阳辐照度

图2 供暖期逐时室外温度、逐时供暖热负荷

根据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》式6.4.1-1，生活热水设计小时耗热量的计算式为：

(1)

式中Φ——生活热水设计小时耗热量，kJ/h

K——小时变化系数，取4.8

n——用水人数，人，为3人

q——单日人均热水用水量，L/(人·d)，本文取30 L/(人·d)

cp——水比定压热容，kJ/(kg·K)，取4.187 kJ/(kg·K)

ρ——水密度，kg/L，取1 kg/L

η——热损失系数，取1.11

θh——热水温度，℃，为60 ℃

θc——冷水温度，℃，供暖期为8 ℃，非供暖期为18 ℃

t——日使用计算时间，h，取24 h

根据已知参数，由式(1)可计算得到供暖期、非供暖期生活热水设计小时耗热量分别为4 350.13、3 513.57 kJ/h。

3 联合系统流程与运行策略

3.1 联合系统流程

联合系统流程见图3，系统分为太阳能热水循环、热泵循环、供暖热水循环、生活热水供水管路。

在太阳能热水循环中，太阳能热水有2个循环路径：路径1：经电磁阀1输送至内水箱加热生活热水，放热后经太阳能热水循环泵回到太阳能集热器。路径2：经电磁阀2进入套管式换热器(作为热泵循环的二级蒸发器)放热，放热后经太阳能热水循环泵回到太阳能集热器。

在热泵循环中，压缩机出口的高温高压制冷剂在冷凝器放热后，经节流装置节流降压，然后分别在污水取热装置(作为热泵循环的一级蒸发器)、套管式换热器中吸收洗浴污水、太阳能热水热量，最后进入压缩机完成循环。

在供暖热水循环中，供暖热水供水由外水箱上侧流出，在地面辐射供暖系统放热后，供暖热水回水经供暖热水循环泵回到外水箱下侧，完成供暖热水循环。

图3 联合系统流程

内水箱嵌在外水箱内，内水箱内的生活热水由太阳能集热器、外水箱同时进行加热。内水箱将供暖热水与生活热水有效隔离，保证了生活热水的水质。在供应生活热水时，闸阀1保持开启，闸阀3关闭，利用市政水压为内水箱补充自来水，自来水经预热螺旋管预热后从内水箱底部流入内水箱。洗浴装置的冷水由市政自来水提供，自来水流经污水取热装置吸收洗浴污水的热量进行预热后，在三通阀与来自内水箱的生活热水混合后流向洗浴装置。

电加热装置安装在内水箱外壁，在特殊天气、夜间时，开启电加热装置可同时加热内外水箱，进行机动补热。

供暖期，联合系统需要提供供暖热水、生活热水。电磁阀2开启，电磁阀1关闭，太阳能热水循环、供暖热水循环、热泵循环均运行。电加热装置在特殊天气、夜间启动，进行机动补热。非供暖期，联合系统仅提供生活热水。电磁阀1开启，电磁阀2关闭，太阳能热水循环运行，供暖热水循环、热泵循环停运。电加热装置在特殊天气、夜间启动，进行机动补热。

非供暖期，利用闸阀2排掉外水箱内的水，仅保留内水箱的水。供暖期，利用闸阀3对外水箱重新注水。

将外水箱模型由上至下分为1～6层，1、2层对应内水箱，3层对应预热螺旋管，4、5层对应冷凝器，6层对应低温供暖热水层。外水箱模型中每层温度通过能量守恒方程进行计算[10]。冷凝器为沉浸式盘管冷凝器，采用蛇形盘管布置，盘管外接整体式翅片。污水取热装置为沉浸式蒸发器。

系统模型参数见表1。热泵冷凝温度为50 ℃，蒸发温度为5 ℃，压缩机吸气温度为10 ℃，过冷度为5 ℃。预热螺旋管内直径为10 mm，长度为3 m。

表1 系统模型参数

续表1

3.2 运行策略

供暖期，联合系统兼具供暖与提供生活热水。非供暖期，联合系统仅提高生活热水。

太阳能热水循环泵的启停以内水箱太阳能热水进出水温差作为控制标准：当温差大于24 ℃时，太阳能热水循环泵开启。当温差从24 ℃以上逐渐减小，直至小于12 ℃，太阳能热水循环泵停止工作。停止工作后，当温差从12 ℃以下逐渐增大，直至大于24 ℃，太阳能热水循环泵恢复工作。

将供暖热水供水温度作为控制热泵的启停标准，当供暖热水供水温度小于43 ℃时，热泵运行。当供暖热水供水温度大于等于43 ℃时，热泵停止运行。

供暖热水循环泵采用温差控制，当供回水温差大于等于5 ℃时，供暖热水循环泵运行。当供回水温差小于5 ℃时，供暖热水循环泵停止运行。

电加热装置的控制采用温度控制，当供生活热水温度、供暖热水供水温度均低于35 ℃时，电加热装置开启。供生活热水温度、供暖热水供水温度均高于43 ℃时关闭。

4 仿真模型

利用TRNSYS软件对联合系统建模。由于TRNSYS中已有水箱模型并不适用于联合系统的内外嵌套式水箱，因此单独建立水箱数学模型。仿真模拟调用了EES方程求解器，使用FORTRAN语言进行编译，计算步长为0.1 h。联合系统仿真模型见图4。忽略外水箱排水、注水过程，认为供暖期开始时外水箱水温与内水箱水温一致。仿真时间为全年。

5 仿真结果与分析

供暖期室内温度随时间的变化见图5。由图5可知，供暖期平均室内温度为21.5 ℃，供热质量良好。室内温度低于18 ℃的时间仅占供暖期的0.06%。

供暖期供暖热水供水温度、内水箱生活热水出水温度随时间的变化见图6。由图6可知，供暖期内，供暖热水平均供水温度为40.9 ℃，内水箱生活热水平均出水温度为38.2 ℃。

6 经济性分析

采用费用现值法[11]比较方案的经济性，费用现值越小方案的经济性越好。计算费用现值时，折现率取8%，设备使用年限取10 a。费用现值为设备购置费与年运行费乘等额分付现值系数之和，等额分付现值系数根据基准折现率、设备使用年限，按文献[11]取6.71。

图4 联合系统仿真模型(软件截图)

图5 供暖期室内温度随时间的变化

图6 供暖期供暖热水供水温度、内水箱生活热水出水温度随时间的变化

本文将燃气热水炉系统、电热水炉系统作为对比方案。联合系统、燃气热水炉系统、电热水炉系统的设备购置费分别为8 900、6 080、8 600 元。

北京地区电价：月用电量在240 kW·h及以下，电价为0.488 3元/(kW·h)；月用电量为241～400 kW·h，电价为0.538 3元/(kW·h)；月用电量在400 kW·h以上，电价为0.788 3元/(kW·h)。燃气价格为2.28 元/m3。

仍采用TRNSYS软件对燃气热水炉系统、电热水炉系统建立仿真模型，对3种系统全年耗电量、耗气量进行仿真计算，进而计算3种系统的年运行费(包括年电费、年燃气费等)。由仿真计算可知，联合系统、燃气热水炉系统、电热水炉系统的年运行费分别为302.0、1 966.5、693.8元/a。

根据以上已知条件，可计算得到联合系统、燃气热水炉系统、电热水炉系统的费用现值分别为10 926.3、19 275.4、13 255.5 元。联合系统的费用现值最小，经济性最好。

7 结论

① 供暖期平均室内温度为21.5 ℃，供热质量良好。室内温度低于18 ℃的时间仅占供暖期的0.06%。供暖期内，供暖热水平均供水温度为40.9 ℃，内水箱生活热水平均出水温度为38.2 ℃。

② 将燃气热水炉系统、电热水炉系统作为对比方案。联合系统、燃气热水炉系统、电热水炉系统的费用现值分别为10 926.3、19 275.4、13 255.5 元。联合系统的费用现值最小，经济性最好。