太陽能—熱泵冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用

文 // 苗毅 馮浩然 中國機械工業(yè)企業(yè)管理協(xié)會 張現(xiàn)迪 北京甘為科技發(fā)展有限公司

太陽能—熱泵冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用

文 // 苗毅 馮浩然 中國機械工業(yè)企業(yè)管理協(xié)會 張現(xiàn)迪 北京甘為科技發(fā)展有限公司

建筑節(jié)能是提高能源利用率的有效途徑和發(fā)展方向，而熱泵技術(shù)能夠使低品位能源得以有效利用，具有能耗低、無污染等優(yōu)點。充分、合理地應(yīng)用太陽能和熱泵技術(shù)的集成系統(tǒng)，不僅能最大程度利用太陽能，有效地減少高品位能源的消耗，而且對節(jié)約能源成本、保護(hù)環(huán)境有著重大意義。

1 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)原理

冷熱聯(lián)供系統(tǒng)是指共用了冷熱源和其他相關(guān)設(shè)備，使得冷、熱兩部分互相聯(lián)系成為一體的系統(tǒng)（圖1）。本文中的冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，是利用太陽能系統(tǒng)與熱泵技術(shù)（空氣源熱泵、水源熱泵）形成一套集成管控系統(tǒng)，依據(jù)室外環(huán)境變化，各熱源之間相互補充，從而實現(xiàn)冬季向用戶提供熱水用于采暖，夏季提供冷水用于制冷。

與采用電動制冷、熱能供熱的冷熱分供系統(tǒng)相比較，冷熱聯(lián)供裝置的冬、夏共用不但提高了能源利用率，而且節(jié)省了熱源建設(shè)上的投資，從而降低了成本，減少環(huán)境了污染。

表1 冷熱集成系統(tǒng)設(shè)備表

圖1 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

2 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)組成

本冷熱聯(lián)供系統(tǒng)主要由水源熱泵、空氣源熱泵、太陽能集熱器、循環(huán)水泵、板式換熱器等設(shè)備組成，設(shè)備參數(shù)見表1。

圖2 冷熱集成系統(tǒng)圖

表2 系統(tǒng)在3種模式下各設(shè)備運行

表3 系統(tǒng)在3種運行模式下各設(shè)備溫度要求

3 系統(tǒng)運行模式

該冷熱集成系統(tǒng)（圖2）共有3種運行模式：太陽能+空氣源熱泵供暖模式（模式Ⅰ）、太陽能/空氣源熱泵+水源熱泵供暖模式（模式Ⅱ）和工業(yè)余熱+水源熱泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）。

3.1 太陽能+空氣源熱泵供暖模式（模式Ⅰ）

供暖季初期和末期，室外氣溫相對較高，當(dāng)室外太陽光照充足時，太陽能系統(tǒng)通過換熱器將儲熱水箱溫度升高至40～45℃。當(dāng)白天太陽光照不足或者夜間時，開啟空氣源熱泵進(jìn)行供暖，同樣將儲熱水箱水溫升高至40～45℃，設(shè)定供水溫度為45℃。經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)換熱器，供給室內(nèi)進(jìn)行采暖。

3.2 太陽能/空氣源熱泵+水源熱泵供暖模式（模式Ⅱ）

供暖中期，室外氣溫較低時，因空氣源熱泵系統(tǒng)制熱能力不足，白天是空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合太陽能系統(tǒng)共同供暖，夜間則由空氣源熱泵和水源熱泵共同供暖，儲熱水箱內(nèi)溫度為15～25℃，水源熱泵設(shè)定供水溫度為45℃。

3.3 工業(yè)余熱+水源熱泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）

啟動條件：當(dāng)工業(yè)余熱水池的溫度高于15℃時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為工業(yè)余熱與水源熱泵共同供暖。

本系統(tǒng)在3種不同模式下運行時，對應(yīng)系統(tǒng)中各設(shè)備及附件開啟、關(guān)閉情況如表2。

系統(tǒng)在3種模式下對應(yīng)設(shè)備的溫度要求如表3。

4 系統(tǒng)運行情況

本系統(tǒng)在北京北郊某綜合辦公樓用于冬季采暖，該辦公樓共3層，采暖面積為4500㎡。北京市采暖設(shè)計溫度為-9℃，設(shè)計熱指標(biāo)取50W/㎡，則綜合樓設(shè)計熱負(fù)荷為225kW。

系統(tǒng)在2014年12月～2015年3月期間共運行75d，室溫維持在18～20℃，達(dá)到北京市供暖要求。

系統(tǒng)投入運行時為供暖中期，室外氣溫較低，依靠空氣源熱泵制熱已不能滿足供熱需求，白天結(jié)合太陽能共同供暖，夜間結(jié)合水源熱泵共同供暖，儲熱水箱內(nèi)溫度為15～25℃，水源熱泵設(shè)定供水溫度為45℃。當(dāng)工業(yè)余熱水池的溫度高于15℃時，轉(zhuǎn)為工業(yè)余熱與水源熱泵共同供暖。

供暖末期時，室外氣溫相對較高，當(dāng)室外太陽光照充足時，系統(tǒng)運行模式Ⅰ，上午10時至下午17時由太陽能供暖，水箱溫度為40～45℃。當(dāng)白天太陽光照不足或者夜間時，系統(tǒng)運行模式Ⅱ，開啟空氣源熱泵進(jìn)行供暖，總制熱能力為44.13kW/h（開啟3×20匹機組或2×20匹+2×10匹機組，共60匹），設(shè)定供水溫度為45℃。

5 節(jié)能、環(huán)保經(jīng)濟(jì)性分析

本系統(tǒng)在冬季采暖期的75d運行中，總耗電量為75608.43kWh，平均每天耗電量為1008.11kWh。每天用電高峰期為8h，電價為1.1元/kWh；用電低谷期為16h，電價為0.37元/kWh。

表4 三種模式下工作天數(shù)

表5 原系統(tǒng)與冷熱聯(lián)供系統(tǒng)能耗比較

5.1 綜合樓采暖費用計算

（1）日采暖費用

北京地區(qū)采暖期以123d計，根據(jù)北京的氣象統(tǒng)計，3種模式下工作天數(shù)，如表4。

綜合考慮綜合樓維護(hù)結(jié)構(gòu)、朝向、樓高等因素，建筑物平均熱指標(biāo)取38.8W/㎡。

（2）年采暖耗熱量計算

年采暖耗熱量=建筑面積×平均熱指標(biāo)×采暖時間

標(biāo)煤發(fā)熱量為29326kJ/kg，則折合成標(biāo)煤為63.24t。綜合辦公樓按本設(shè)計系統(tǒng)運行，年采暖耗電量計算：年采暖耗電量=年采暖天數(shù)×日平均耗電量

=123×1008.11=12.40萬kWh

折合成標(biāo)煤為15.24t，則每年采暖可節(jié)約標(biāo)煤48t。

5.2 環(huán)保指標(biāo)

按照CO2排放量：QCO2=2.47Q標(biāo)煤；SO2排放量：QSO2=0.02Q標(biāo)煤；粉塵排放量：Q粉塵=0.01Q標(biāo)煤，可計算出原系統(tǒng)、冷熱聯(lián)供系統(tǒng)及節(jié)能量各能耗指標(biāo)，如表5。

由表5可以看出，采用冷熱聯(lián)供新系統(tǒng)后，加之完善地配套自控設(shè)備，使得采暖煤耗量大幅降低，CO2、SO2、粉塵等排放量也隨之得到相應(yīng)減少。

6 結(jié)論

本文通過太陽能—熱泵技術(shù)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的實際應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）太陽能和熱泵技術(shù)相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，多熱源之間相互協(xié)調(diào)、共同作用，充分利用可再生能源（太陽能、空氣源、水源），節(jié)約能源成本。且系統(tǒng)設(shè)備可共用，節(jié)省投資。

（2）太陽能和空氣源熱泵保證了儲熱水箱的溫度，使得水源熱泵在低環(huán)境溫度下仍具有較強的制熱能力，可以降低能耗和運行成本，提高能效COP值。

（3）工業(yè)水池的余熱再利用，為水源熱泵提供低品位能，進(jìn)一步利用了能源。

（4）供熱時可省去燃煤、燃?xì)獾儒仩t房系統(tǒng)，無燃燒過程，避免了排煙污染。