烏魯木齊太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

■ 張艷紅林閩劉乾坤陰啟明（. 新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所；. 東北大學(xué)冶金學(xué)院）

烏魯木齊太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

■ 張艷紅1*林閩1劉乾坤2陰啟明2
（1. 新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所；2. 東北大學(xué)冶金學(xué)院）

介紹在烏魯木齊甘泉堡建設(shè)的太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)示范工程情況，對冬季采暖和夏季制冷情況進(jìn)行實(shí)際測試運(yùn)行，并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明：系統(tǒng)年節(jié)約費(fèi)用約為52萬元，常規(guī)能源替代量為267.9 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，全年基本無污染物排放，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效益均顯著，表明項(xiàng)目的技術(shù)路線是可行的。

太陽能；地源熱泵；測試運(yùn)行；技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

0　引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑能耗已超過社會總能耗的23％，其中我國嚴(yán)寒地區(qū)由于面積大、供暖期長，使其供暖空調(diào)占建筑能耗比例最大，是建筑節(jié)能減排的重中之重［1］，而建筑供暖產(chǎn)生的煙塵則是城市環(huán)境污染的主要來源。為了解決上述問題，結(jié)合我國嚴(yán)寒地區(qū)的建筑能耗特點(diǎn)，國內(nèi)許多專家對太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究［2-4］。新疆地區(qū)面積遼闊，且大部分處于嚴(yán)寒地區(qū)，建筑供暖空調(diào)能耗巨大，在新疆維吾爾自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳及新疆烏魯木齊市建設(shè)委員會等部門的支持下，筆者在烏魯木齊甘泉堡新疆新能源研究所研發(fā)基地建設(shè)了太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)示范項(xiàng)目，對該復(fù)合熱泵系統(tǒng)在我國干旱嚴(yán)寒地區(qū)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，同時(shí)也是對適合于干旱嚴(yán)寒地區(qū)的可再生能源建筑供能的新途徑進(jìn)行有益探索，為烏魯木齊市的“藍(lán)天工程”提供了一種新的可行的技術(shù)路線。

1　示范工程的基本情況

1.1工程概況

項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)在烏魯木齊市米東區(qū)甘泉堡工業(yè)園內(nèi)，新疆新能源研究所生產(chǎn)研發(fā)基地占地面積約為10萬m2，位于北緯44.4°、東經(jīng)87.7°。負(fù)荷計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)大多是基于額定工況的靜態(tài)方法設(shè)計(jì)。由于本項(xiàng)目中暖通空調(diào)系統(tǒng)采用的是太陽能、土壤熱能這些可再生能源，與傳統(tǒng)的供暖熱源（燃煤、燃?xì)獾龋┫啾龋茉雌肺惠^低，且全年變化較大。為了合理地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需得到供暖空調(diào)對象的全年動態(tài)負(fù)荷特性，本文利用建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具DeST，對甘泉堡工業(yè)園新建建筑的動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，建筑負(fù)荷情況見表1。

如表1所示，相比供暖負(fù)荷，示范工程供冷負(fù)荷較小，且一般采用土壤直接供冷方式，因此熱泵機(jī)組容量依據(jù)供暖負(fù)荷確定。一期所有建筑最大熱負(fù)荷為1153.8 kW，因此，一期建筑熱泵機(jī)組容量確定為1200 kW。

表1　示范項(xiàng)目建筑負(fù)荷參數(shù)

1.2氣象條件

烏魯木齊市地處歐亞大陸腹地，在GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中屬于嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)，在GB 50352-2005《民用建筑設(shè)計(jì)通則》中屬于VII氣候區(qū)。其氣候特征表現(xiàn)為夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，具有寒冷干燥多變的特點(diǎn)，冬長夏短，春秋不明顯，光照充足，熱量充沛，氣溫日差大。一般情況下，供暖期由10月15日～次年4月15日，長達(dá)182天；相比之下，全年需要供冷的時(shí)間相對較短，一般情況下由6月1日～9月1日，約為90天，空調(diào)單位面積冷負(fù)荷比供暖單位面積熱負(fù)荷小。

我國太陽能資源等級劃分如表2所示［5］，按照表中規(guī)定的指標(biāo)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，烏魯木齊地區(qū)年平均太陽總輻射量為1372 kWh/（m2·a），屬于太陽能資源豐富地區(qū)。

表2　總量等級

1.3熱泵機(jī)組主要參數(shù)

該工程設(shè)計(jì)采暖負(fù)荷為1153.8 kW，最大空調(diào)負(fù)荷454.3 kW。選用2臺山東富爾達(dá)LSBLGRG-770MD系列雙螺桿熱泵機(jī)組，末端循環(huán)水泵和地源側(cè)循環(huán)泵各2臺，均選用凱泉離心泵。主要設(shè)備型號及參數(shù)見表3和表4。

表3　山東富爾達(dá)LSBLGRG-770MD系列熱泵機(jī)組主要參數(shù)

表4　末端循環(huán)水泵和地源側(cè)循環(huán)泵型號

1.4太陽能集熱部分

項(xiàng)目針對土壤冬取夏灌不平衡這一問題，在設(shè)計(jì)中采用太陽能集熱器收集熱量，然后回灌至土壤中以提升取熱井周圍土壤的溫度，對提取回灌的熱量不平衡差進(jìn)行補(bǔ)充。在太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)現(xiàn)場可利用面積及系統(tǒng)陣列與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的實(shí)際情況，太陽能集熱總面積為217.6 m2，單臺集熱模塊為φ58×25支，3.4 m2/臺，集熱陣列由8組組成，每組為8臺集熱模塊，合計(jì)64臺集熱模塊。集熱器成平行四邊形、向正南偏西5°布置，傾斜角度為40°布置，占地面積451 m2。太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行采用溫差循環(huán)，溫差設(shè)置為8～45 ℃可調(diào)；集熱系統(tǒng)與地源側(cè)采用板式換熱器，換熱面積為20 m2。

1.5用戶側(cè)和地源側(cè)情況

辦公大樓、研發(fā)中心、宿舍全部采用地板輻射采暖制冷，工廠車間采用地板輻射+軸流式風(fēng)道采暖制冷。地源側(cè)采用直徑32 mm雙U型地埋PE管，共打土壤垂直埋管井266口，每口井深100 m，地埋管間距為5 m。

1.6系統(tǒng)原理

如圖1所示，太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、土壤換熱器、熱泵機(jī)組和地板輻射盤管4部分。系統(tǒng)分為6種供能運(yùn)行模式：太陽能直接供暖模式、太陽能熱泵供暖模式、太陽能聯(lián)合土壤源熱泵供暖模式、土壤源熱泵供暖（冷）模式、太陽能季節(jié)性土壤蓄熱模式和土壤直接供冷模式，每種模式由自控系統(tǒng)根據(jù)判定要求自動切換運(yùn)行。

圖1　太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)

2　太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1測試運(yùn)行情況

從目前該項(xiàng)目投運(yùn)效果看，2013～2014年建筑的冬季采暖和夏季制冷效果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采暖期，研發(fā)中心室內(nèi)溫度為16～20 ℃，辦公樓室內(nèi)溫度為18～22 ℃，職工宿舍室內(nèi)溫度為14～18 ℃，實(shí)驗(yàn)工廠室內(nèi)溫度為4～12 ℃；制冷期，室內(nèi)溫度都在24 ℃以下。

2.2冬季采暖和夏季制冷的運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益

項(xiàng)目的總采暖面積為17512.86 m2；2013年10月～2014年3月采暖季期間，室外平均氣溫為-6.4 ℃，測試期室外平均溫度為-11.6 ℃，辦公樓室內(nèi)平均溫度為20.4 ℃。采暖期實(shí)際耗電量為470211.5 kWh，該系統(tǒng)采用峰谷平電價(jià)收取電費(fèi)：峰電時(shí)0.63元/kWh，每天6 h；平電時(shí)0.37元/kWh，每天10 h；谷電時(shí)0.19元/ kWh，每天8 h。630 kVA變壓器按每月收取26 元/kVA的基本費(fèi)，采暖季總電費(fèi)計(jì)為258810.05元。工程面積采暖費(fèi)用為14.78元/m2，按當(dāng)?shù)責(zé)崃窘o出的采暖計(jì)算面積，則采暖費(fèi)用為8.38元/m2（工業(yè)廠房凈空高度≥13 m，項(xiàng)目如果接入熱力公司管網(wǎng)供暖，1 m2最少要按3 m2計(jì)算）。米東區(qū)冬季采暖費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為24元/m2，折算本項(xiàng)目年節(jié)約采暖費(fèi)約48萬元。

由于項(xiàng)目的技術(shù)獨(dú)特性，在2014年夏季制冷期，除了必要的測試開啟了熱泵機(jī)組制冷外，基本上采用了土壤源通過板換的直接制冷模式，整個(gè)系統(tǒng)只有地源側(cè)和用戶側(cè)的兩個(gè)循環(huán)泵在工作，系統(tǒng)能效比非常高，COPmax在20以上。該工作模式非常適合于干旱地區(qū)，不結(jié)露、不凝霜，值得在北方地區(qū)大規(guī)模推廣。由于變壓器用戶端還接有其他生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，推算出的制冷期電費(fèi)≤2元/m2，遠(yuǎn)低于任何一種制冷系統(tǒng)，比烏魯木齊一般的商業(yè)建筑溴化鋰機(jī)組38元/m2的制冷收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)低很多。綜合采暖/制冷和人工管理成本，本項(xiàng)目一年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)52萬元以上。

2.3能效比的測試

能效的計(jì)算公式為：

式中，COP為機(jī)組或系統(tǒng)性能系數(shù)；Q在夏季為機(jī)組或系統(tǒng)制冷量，冬季為機(jī)組或系統(tǒng)制熱量，kW；N為機(jī)組或系統(tǒng)耗功率，kW；V為循環(huán)水流量，m3/h；ρ為水的密度，1000 kg/m3；c為水的比熱容，4.18 kJ/（kg·℃）；Δt為循環(huán)水進(jìn)出水溫差，℃。

2.3.1熱泵機(jī)組能效比

1）冬季地源熱泵機(jī)組測試期間，冷凝器側(cè)循環(huán)水體積流量為V1=124 m3/h，進(jìn)出水溫差Δtw1=2.9℃，制熱工況壓縮機(jī)耗功率Ni1=65.2 kW。根據(jù)式（1）和式（2）可得，熱泵機(jī)組制熱量QH=417.54 kW，熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)COPH=6.4。

2）夏季地源熱泵機(jī)組測試期間，蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水流量為V2=95 m3/h，進(jìn)出口溫差Δtw2=2.5 ℃，耗功率Ni2=35.4 kW。根據(jù)式（1）和式（2）可得，熱泵機(jī)組制冷量QL=275.76 kW，熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)COPL=7.8。

2.3.2熱泵系統(tǒng)能效比

1）冬季地源熱泵系統(tǒng)測試期間，用戶側(cè)循環(huán)水流量為V3=1340 m3/h，進(jìn)出口溫差Δtw3=3.9 ℃，制熱工況系統(tǒng)耗功率Ni3=1732.8 kW。根據(jù)式（1）和式（2）可得，熱泵系統(tǒng)平均制熱量（按平均測試12 h計(jì)算）QHs=6067.97 kW，熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COPHs=3.5。

2）夏季地源熱泵系統(tǒng)測試期間，用戶側(cè)循環(huán)水流量為V4=859 m3/h，進(jìn)出口溫差Δtw4=3.7℃，制冷工況系統(tǒng)耗功率Ni4=598.5 kW。根據(jù)式（1）和式（2）可得，平均制冷量（按平均測試9 h計(jì)算）QLs=3690.36 kW，熱泵系統(tǒng)制冷性能系數(shù)COPLs=6.2。

夏季制冷期，土壤源直接制冷模式時(shí)系統(tǒng)的耗電量N′i4僅為循環(huán)泵耗功率，在測試期間，受環(huán)境溫度等影響，系統(tǒng)供冷量一直變化，但測試期間所有工況系統(tǒng)COP′Ls值均大于20。

2.4常規(guī)能源替代量的計(jì)算

每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量q=29298 kJ/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

1）按烏魯木齊市冬季供暖期為6個(gè)月共計(jì)183天計(jì)算，系統(tǒng)消耗的能量可折合為標(biāo)準(zhǔn)煤的算法如下：

系統(tǒng)采暖期內(nèi)總能量QZ=QHs×2×183= 2220877.02 kWh，可折合為QZ×3600/q=272.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤；采暖期系統(tǒng)耗電總量可折合為Ni3×2×183×3600/ q=77.9 噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

由上述計(jì)算可得，冬季采暖期內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)約195.0噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

2）按烏魯木齊市夏季制冷期為3個(gè)月共計(jì)90天計(jì)算，系統(tǒng)消耗能量可折合為（QLs×24/9）×90×3600/q=108.83噸標(biāo)準(zhǔn)煤；制冷期系統(tǒng)耗電總量可折合為（Ni4×24/9）×183×3600/ q=35.89噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

由上述計(jì)算可得，夏季制冷期內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)約72.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

3）綜上計(jì)算可得，該系統(tǒng)常規(guī)能源替代量Qhm=267.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

2.5CO2、SO2、煙塵減排量

根據(jù)該項(xiàng)目全年常規(guī)能源替代量為267.9 噸標(biāo)準(zhǔn)煤的計(jì)算結(jié)果。可得：

CO2減排量為：QCO2=2.47×Qhm=661.7 t/a

SO2減排量為：QSO2=0.02×Qhm=5.36 t/a

煙塵減排量為：Q煙塵=0.01×Qhm=2.68 t/a

2.6太陽能土壤蓄熱效果初步分析

圖2　太陽能蓄熱工況土壤換熱器進(jìn)出水溫度（2013年）

項(xiàng)目為太陽能-地源熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，太陽能能否實(shí)現(xiàn)給土壤補(bǔ)熱是本項(xiàng)目的關(guān)鍵。圖2顯示了2013年太陽能給土壤儲熱期間某個(gè)時(shí)間段的太陽能集熱器進(jìn)出水情況，通過進(jìn)水溫度與出水溫度的變化，可知太陽能集熱回灌系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間后，地埋井土壤溫度逐漸上升，出水溫度也相應(yīng)升高。一般情況下，地下15 m以下的土壤可看成是近似恒溫層，隨著深度的增加，土壤溫度略有升高；而地下15 m處的土壤溫度近

似等于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁亍? ℃，烏魯木齊地區(qū)的地下水（土壤）溫度在10.5～12.5 ℃。本項(xiàng)目的太陽能集熱工程于2013年7月30日完成，隨后進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，通過相關(guān)性分析，可看到土壤溫度的逐漸變化，儲熱是有效果的。

3　結(jié)論

采用太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，在確保建筑物冷熱需求的同時(shí)，最優(yōu)化使用了自然資源。本文通過對烏魯木齊甘泉堡建設(shè)的太陽能-地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行測試可得：

1）熱泵機(jī)組冬季制熱性能系數(shù)COPH為6.4，夏季制冷性能系數(shù)COPL高達(dá)7.8；整個(gè)熱泵系統(tǒng)冬季制熱性能系數(shù)COPHs為3.5，夏季制冷性能系數(shù)COPLs高達(dá)6.2。與常規(guī)系統(tǒng)相比，該復(fù)合系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行性能。

2）系統(tǒng)全年常規(guī)能源替代量可達(dá)267.9 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，每年可減排CO2661.7 t，SO25.36 t，煙塵2.68 t，每年可節(jié)約費(fèi)用為525647元。

從運(yùn)行測試結(jié)果可以看出，該復(fù)合系統(tǒng)具有非常明顯的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益，因此本項(xiàng)目的技術(shù)路線是可行的。本項(xiàng)目還在完善過程中，可再生能源的自控測試系統(tǒng)還在設(shè)計(jì)和調(diào)試中，前期人工測試的數(shù)據(jù)一是信息量少、二是會有誤差，而建筑采暖和制冷是一項(xiàng)長期的任務(wù)，相信經(jīng)過3～4年的連續(xù)測試運(yùn)行，就能得到更科學(xué)的評判結(jié)論。

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能中心. 中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2011［M］. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2011， 1-8.

［2］楊衛(wèi)波， 施明恒， 董華. 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)交替運(yùn)行性能的數(shù)值模擬［J］. 熱科學(xué)與技術(shù)， 2005， 4（3）: 228-232.

［3］楊衛(wèi)波， 董華， 周恩澤. 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式的研究［J］. 流體機(jī)械， 2004， 32（2）: 41-45.

［4］余延順， 廉樂明. 寒冷地區(qū)太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方式的探討［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2003， 24（1）: 111-115.

［5］ GB/T 31155-2014， 太陽能資源等級總輻射［S］.

2015-10-27

國家科技支撐項(xiàng)目（2012BAA13B00）

張艷紅（1976—），女， 碩士、副研究員， 主要從事新能源方面的研究。147368186@qq.com