多能互補分散式供熱的系統設計探究

張霞

摘要：經濟和環境一體化的推動下，采用清潔環保的可再生能源提供采暖和生活熱水成為目前城市可持續發展的一大戰略。本文在多能互補分散式供熱系統原理的基礎上，提出一種多能互補的供熱采暖系統，并以實例對系統設計進行分析和探討。

關鍵詞：多能互補供熱系統;分散式供熱;綜合能效;系統優化

一、系統原理

多能互補分散式供熱系統由太陽能集熱單元、空氣源熱泵單元、燃氣采暖熱水爐單元和水箱儲熱單元等組成。系統運行原理如圖1所示：

通過太陽能集熱器吸收太陽輻射，使得太陽能循環工質溫度升高，通過太陽能工質循環泵將高溫工質循環到水箱，給水箱加熱;空氣源熱泵中，低溫低壓的液態制冷劑經過蒸發器從周圍環境中吸收熱量，變成低溫低壓氣體后進入壓縮機變為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體經過冷凝器與水箱換熱，加熱水箱后冷凝，再經過膨脹閥變成低溫低壓蒸汽進入蒸發器，循環運行;生活熱水系統自來水直接進入水箱，從水箱中取熱，采暖水循環系統通過水箱上盤管間接從水箱中取熱，當生活熱水和采暖出水溫度不滿足要求時，直接進入燃氣采暖熱水爐中進行二次加熱。

二、多能互補分散式供熱系統運行控制

2.1太陽能集熱單元運行控制

在太陽能集熱單元控制面板上設置太陽能循環水泵的啟停溫度。當太陽能循環高溫工質溫度與水箱溫度的差值大于4℃時，太陽能循環泵自動開啟，加熱水箱;當兩者溫差小于2℃時，太陽能循環泵自動關閉，避免工質循壞帶走水箱熱量。

2.2空氣源熱泵單元運行控制

在空氣源熱泵單元控制面板上設置水箱出水溫度，當水箱溫度大于設置溫度時，空氣源熱泵關閉，停止加熱水箱;當水箱水溫小于設置溫度5℃時，空氣源熱泵打開，開始加熱水箱。

2.3燃氣采暖熱水爐單元運行控制

在燃氣采暖熱水爐單元控制面板上設置采暖出水溫度和熱水出水溫度。當水箱生活熱水出水溫度小于設置熱水溫度時，打開閥門使水箱出水進入燃氣采暖熱水爐生活熱水路進行二次加熱;當水箱生活熱水出水溫度不小于設置熱水溫度時，水箱出水則直接進入生活熱水供水管路。當水箱采暖換熱盤管中采暖出水溫度小于設置采暖溫度時，打開閥門使采暖出水進入燃氣采暖熱水爐采暖路進行二次加熱;當水箱采暖換熱盤管中采暖出水溫度不小于設置采暖溫度時，盤管采暖出水則直接進入采暖供水管路。

三、案例分析

3.1工程概況

本項目為我國珠三角某市的一個居民小區單元，該住宅總建筑面積為105.16m2，居住人數為3人。維護結構中外墻是加氣混凝土保溫外墻，冬季傳熱系數為0.44W/m2·K，樓面是鋼筋混凝土地面，地板為非包圍地面，外窗采用PVC框+Low-E玻璃，尺寸為1.8×1.5m，傳熱系數為2.4W/m2·K，外門為單層節能門，尺寸為1.8×2.5m，傳熱系數為3.02W/m2·K，層高3m。該地區在氣候分區中屬于夏熱地區，在太陽能分區中屬于較豐富地區，因此三種熱源設備均可以采用。住宅建筑冬季室內設計計算溫度為20℃，該地區冬季生活熱水自來水溫度取20℃。

3.2 設計過程

本項目位于珠三角地區，氣候分區中屬于夏熱冬暖地區，空氣源熱泵熱水器冬季效率較高但尚可使用;根據我國的太陽能資源分布可以知道，該地區屬于資源較豐富區，水平面上年太陽輻照量在4200～5400MJ/（m2·a），太陽能資源良好，適宜采用太陽能集熱器。生活熱水負荷最大負荷為2.79kW，采暖季日平均采暖負荷為2.80kW。則根據公式 ～式 可知，太陽能集熱器面積范圍為：0≤A≤13.3m2。根據式 ～式 可知，空氣源熱泵熱水器制熱量范圍為：0≤Qh≤5.59kW。 ?根據公式 可知，燃氣采暖熱水爐制熱量范圍為：0≤Qh≤5.59kW。根據公式 可知，雙盤管儲熱水箱容積范圍為：0<V≤1330L。本文設備太陽能集熱器規格為2m2，單價為800元/塊;空氣源熱泵熱水器可選規格為3.5kW、5.2kW，價格分別為4000元、5000元;燃氣采暖熱水爐最小規格即為18kW，可滿足需求，價格為6000元;雙盤管儲熱水箱可選范圍為200L、300L，價格為1000元、1500元。由于水箱容積可選200L和300L，由公式 可知太陽能集熱器面積最大為6m2，當面積為6m2時，水箱容積為300L。正交設計確定組合形式由正交設計思路可知，應首先確定影響因素及其因素水平，然后根據因素水平選擇合適的正交表。

3.3設計結果分析和結論

將不同組合形式代入第二章數學模型中，根據系統運行控制策略進行模擬計算，以一年為周期，得到該系統運行一年的運行費用。

組合1：太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統初投資為13900元。計算得該系統運行一年太陽能集熱單元提供熱量10894.62MJ，消耗電量198.1kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量10329.24MJ，耗電量為748.8kW·h，燃氣采暖熱水爐提供熱量4396.82MJ，耗氣量為143.687m3，則統年運行費用為766元，費用年值為2047元，系統全年綜合能效比為1.62。

組合2：太陽能集熱器面積為2m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統初投資為11800元。計算得該系統運行一年太陽能集熱單元提供熱量3683.09MJ，消耗電量66.9kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量14245.16MJ，耗電量為1093.1kW·h，燃氣采暖熱水爐提供熱量4524.04MJ，耗氣量為147.844m3，則系統年運行費用為1002元，費用年值為2089元，系統全年綜合能效比為1.30。

組合3：太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量5.2kW，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統初投資為14900元。計算得該系統運行一年太陽能集熱單元提供熱量10704.62MJ，消耗電量194.7kW·h，空氣源熱泵熱水器提供熱量12458.59MJ，耗電量為920.9kW·h，燃氣采暖熱水爐提供熱量3233.55MJ，耗氣量為105.673m3，則系統年運行費用為743元，費用年值為2116元，系統全年綜合能效比為1.73。

組合4：不采用太陽能集熱器和空氣源熱泵，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統初投資為7000元。計算得該系統運行一年燃氣采暖熱水爐提供熱量24829.81MJ，耗氣量為811.432m3，則系統年運行費用為1785元，費用年值為2430元，系統全年綜合能效比為0.85。

組合5：太陽能集熱器面積為4m2，不采用空氣源熱泵，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱300L，系統初投資為9100元。計算得該系統運行一年太陽能集熱單元提供熱量9892.09MJ，消耗電量179.9kW·h，燃氣采暖熱水爐提供熱量14937.71MJ，耗氣量為488.16m3，則系統年運行費用為1164元，費用年值為2000元，系統全年綜合能效比為1.28。

組合6：不采用太陽能集熱器，空氣源熱泵制熱量5.2kW，燃氣采暖熱水爐18kW，雙盤管儲熱水箱200L，系統初投資為12000元。計算得該系統運行一年空氣源熱泵熱水器提供熱量21336.87MJ，耗電量為1769.18kW·h，燃氣采暖熱水爐提供熱量1657.36MJ，耗氣量為54.162m3，則系統年運行費用為1084元，費用年值為2190元，系統全年綜合能效比為1.14。

根據計算結果可知，通過表1分析，以費用年值最低為目標函數，則組合1為最優方案，即太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為3.5kW，燃氣采暖熱水爐為18kW，雙盤管儲熱水箱為300L，此系統費用年值為2047元/年，綜合能效系數為1.62;以綜合能效系數最高為目標函數，則組合3為最優方案，即太陽能集熱器面積為6m2，空氣源熱泵制熱量為5.2kW，燃氣采暖熱水爐為18kW，雙盤管儲熱水箱為300L，此系統綜合能效系數為1.73，計算費用年值為2116元/年。

參考文獻：

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[3] 太陽能熱水采暖蓄熱水箱溫度分層分析[J]. 王登甲，劉艷峰. ?建筑熱能通風空調. 2018（01）

（作者單位：珠海格力電器股份有限公司）