一種清潔能源與市政熱網互補的供熱系統設計及模擬研究

顏麗娟 馬坤茹 羨曉東

摘要：北方地區的建筑供暖需求隨著城市建筑面積的迅速增長而不斷增加，而城市熱網改擴建緩慢，供熱能力不足，距城區較遠的新建及改擴建小區的供暖需求面臨挑戰，并且供暖帶來的高能耗及環境污染問題日益嚴峻。針對此類問題，提出了將太陽能、空氣能與傳統市政熱網相結合、互為補充的清潔能源與市政熱網多能互補的集中供熱系統，利用TRNSYS軟件建立系統模型，設計系統5種不同的運行模式及相應的運行控制策略，并以石家莊市某新建小區為例進行分析。模擬運行結果表明，在整個供暖季中，運行時間較長的是太陽能輔助雙熱源（水源）熱泵供熱模式和雙熱源（空氣源）熱泵供熱模式，清潔能源的供熱比例為82.15%，熱泵機組效率高，平均COP為4.06，遠高于常規的熱泵機組。研究結果可為周邊供熱能力不足的新建及改擴建小區選擇供熱系統提供參考。

關鍵詞：供熱工程;清潔能源;市政熱網;節能技術;TRNSYS模擬

中圖分類號：TU832文獻標志碼：A

doi：10.7535/hbgykj.2019yx03006

文章編號：1008-1534（2019）03-0183-06

近年來，中國城鎮化的快速發展推動了建筑面積不斷增長[1]。伴隨著人們生活水平的提升，供暖需求不斷增加，供暖能源消耗量逐年增加，由此帶來的環境污染問題日益嚴峻，每到供暖季節京津冀地區的霧霾天數顯著增多，空氣質量遲遲不能得到有效改善[2]。由于城市市政熱網系統更新及改造較慢，系統供熱能力有限[3]，距城區較遠的新建及改擴建小區供暖問題面臨挑戰，因此尋求利用可再生能源供熱，考慮清潔能源與常規能源多能源協同互補供熱是緩解供暖季環境污染及解決新建或者改擴建系統供熱能力不足的重要方法之一[4-7]。

太陽能、空氣能均為常用的清潔能源，崔曉月[8]、黃文洪[9]、申振宇[10]、靳路[11]、吳啟任[12]、冉思源等[13]研究了太陽能與空氣能相結合的太陽能空氣源熱泵系統用于建筑供熱或者熱水供應。這些研究主要是針對單一建筑，用太陽能和空氣能作為熱源以滿足建筑全部用熱需求，沒有考慮集中供熱常用的熱源，只適用于建筑體量較小的建筑。張明昭[14]考慮了供熱鍋爐與太陽能、空氣源熱泵的耦合供熱問題，郝紅等[15-16]研究了太陽能、地源熱泵與市政熱網相結合供熱的問題，與常規的地源熱泵相比，有較好的供熱效果，而地源熱泵系統中地埋管占地面積較大，在城市集中供熱中難以大規模推廣。

一般來說太陽能資源豐富，空氣源熱泵系統布置較靈活，市政熱網穩定性較好，因此考慮將太陽能、空氣能及市政熱網3種能源結合起來，設計清潔能源與市政熱網多能互補集中供熱系統，根據不同能源的特點，制定合理的控制策略，充分利用這些清潔可再生能源，保證系統穩定、高效運行。該系統既能有效解決所面臨的供暖供需矛盾，又能顯著減少北方冬季集中供熱過程中的環境污染，具有很好的經濟效益和社會效益。

1系統簡介

清潔能源與市政熱網多能互補集中供熱系統（以下簡稱系統）主要由太陽能集熱系統、集中供熱系統、雙熱源熱泵系統組成[17]。系統原理圖如圖1所示。

系統的運行模式分為5種工況：1）太陽能直接供熱模式;2）太陽能輔助雙熱源（水源）熱泵供熱模式;3）雙熱源（空氣源）熱泵供熱模式;4）雙熱源（空氣源）熱泵與市政集中供熱互補模式;5）雙熱源（水源）熱泵與市政集中供熱互補模式。

當天氣較好，太陽能輻照度較大時，太陽能集熱系統通過太陽能集熱器吸收熱量制備熱水，當蓄熱水箱中出口水溫較高時可直接供給供熱末端使用，即為第1種運行模式，此時閥門a，b打開，其他閥門均關閉。當太陽能輻照度較小或者在晚上，太陽能集熱器制備熱水能力不足，蓄熱水箱的出口水溫較低，不能滿足直接供暖需求時，需開啟雙熱源熱泵系統，采用水源熱泵運行模式，把蓄熱水箱作為雙熱源熱泵的熱源，即為第2種運行模式，此時閥門c，d，e，f，g打開，其他閥門關閉。當室外氣溫較高而太陽能集熱系統中的蓄熱水箱出水溫度不能滿足直接供熱需求時，可以采用雙熱源熱泵空氣源的運行模式，將室外空氣作為雙熱源熱泵系統的熱源，即為第3種運行模式，此時閥門e，f，g打開，其他閥門均關閉。當氣象條件較差，清潔能源不能單獨滿足供暖需求時，可以選擇用市政熱網的供熱量來保證供熱需求，即將清潔能源與市政熱網進行互補，若清潔能源采用的是空氣能，即為第4種供暖模式，此時閥門e，f，k打開，其他均關閉;若清潔能源采用的是太陽能，則為第5種供暖模式，此時閥門c，d，e，f，k打開，其他關閉。

2系統運行分析

2.1工程項目簡介

選取石家莊市三環外某新建小區為例。小區供暖面積約10萬m2，建筑熱工設計滿足國家節能65%的節能標準，建筑設計熱負荷指標取30W/m2[18]，周邊供暖市政管網敷設時間較早，不能全部滿足該小區供熱需求，因此該小區的供熱設計方案采用清潔能源與市政熱網多能互補集中供熱的方式。

由于該小區的供暖形式均為地板輻射供暖，供水溫度為45℃即可滿足供熱需求，因此將管網系統的供水溫度設為45℃[19]，當太陽能集熱系統供水溫度大于45℃時采用模式1運行;對于雙熱源熱泵中的空氣源模式，大量研究表明當環境溫度低于5℃時，空氣源熱泵機組性能將顯著下降[20]，所以將室外溫度為5℃作為模式3的一個控制依據。當室外溫度低于5℃，而太陽能集熱器蓄熱水箱水溫低于45℃時，可采用模式2運行，為保證蓄熱水箱中的水不被凍結，當蓄熱水箱水溫低于8℃時，停止模式2運行，采用模式3運行，這種情況一般出現的時間較短。當模式2、模式3均滿足供暖需求時，優先運行模式3，當模式2、模式3均不能滿足供熱需求時，考慮采用模式4或者模式5。

2.2設備選型

系統采用多種熱源共同承擔用戶熱負荷，因此系統總供熱量滿足建筑物供暖需求即可，各熱源按一定比例分別承擔，因此設備在選型時并不是以建筑總供暖負荷為依據，而是按總負荷的一定比例來選型。另外，建筑處于最大熱負荷的時間較短，一般情況下室外氣溫均高于供暖設計溫度，因此設備選型過大可能會導致系統初投資增加且大部分時間不是滿負荷運行，影響系統運行效率。因此，選擇清潔能源保證系統供熱設計負荷的80%，市政熱網來滿足設計負荷的20%。由于太陽能的不穩定性，將雙熱源熱泵作為清潔能源的主要供熱熱源，以總設計負荷的80%來選型，太陽能集熱系統作為補充熱源，同樣以總設計負荷的80%來選。采用平板型太陽能集熱器，根據石家莊地區整個供暖季的日平均輻照度，取太陽能保證率為20%，基于總面積的集熱器平均集熱效率為52%，管路及蓄熱裝置熱損失率為20%，確定出集熱器面積為8600m2，蓄熱水箱容積為515m3，雙熱源熱泵為BKWR25D型雙熱源熱泵機組26臺，小區換熱站采用板式換熱器進行換熱，換熱面積為15m2。

2.3模擬模型構建

根據上述選型結果，采用TRNSYS軟件建立系統模型，如圖2所示，選取一個供暖季，即當年的11月15日至次年的3月15日對系統的運行效果進行分析。由于軟件中并沒有雙熱源熱泵的模型，故用空氣源熱泵和水源熱泵并聯來代替雙熱源熱泵，兩種模式的轉換通過控制器來實現，整個小區的建筑逐時負荷通過DEST模擬得出，并加載到該系統中。

3結果與討論

3.1各模式下系統運行時間分析

在整個供暖季中，該供熱系統根據氣象條件及供熱需求的變化進行不同供應模式的切換，各模式的運行時間如圖3所示。從圖3可以看出，系統處于模式3下的運行時間最長，其次是模式2，運行時間最短的是模式1，即該互補供熱系統采用太陽能集熱系統直接供熱的時間最短，主要原因是在太陽能集熱系統設備選型時，并不是以滿足建筑物全部負荷為目標，為了使系統處于高效率區運行時間較長及節省初投資，以建筑物總負荷的80%進行的設備選型，加上太陽能集熱系統受天氣影響波動較大，故能夠滿足建筑物總供熱需求的時間較短，所占比例較低。

3.2各模式下系統供熱量分析

系統中各模式的供熱量大小關系如圖4所示。與各模式下運行時間占比不同的是，模式2的供熱量占比較大，系統供熱量較多，約為總供熱量的44.65%，其次是模式3—模式5，總供熱量最小的是模式1，供熱量占比不足1%，即太陽能直接供暖所供熱量較少，主要原因是該互補供熱系統在模式1下的運行時間較短，故總供熱量較低。

雖然系統處于模式2下的時間比模式3下運行時間短，但總供熱量最多，說明系統在模式2下處于高效率區的時間較長，水源熱泵模式下系統效率較高。模式4和模式5總供熱量較為接近，各約占總供熱量的10%。

3.3各能源供熱量對比分析

圖5為整個供暖季中不同能源供熱量對比，從圖中可以看出，系統的總供熱量中來自太陽能的熱量占比最高，其次是空氣能，利用較少的能源是市政熱能。雖然在上述分析中太陽能直接供熱模式即模式1下的運行時間、總供熱量占比均較低，但是在該互補供熱系統中，太陽能除可直接利用（模式1）外，還可以作為雙熱源熱泵（水源）系統的低溫熱源，即模式2和模式5下的水源熱泵系統吸收的熱量均來自太陽能集熱系統，因此，太陽能在總供熱量中占比較高。雙熱源熱泵（空氣源）系統的低溫熱源是空氣，即模式3、模式4下熱泵系統需從空氣中吸收熱量，且模式3、模式4的運行時間較長，因此，空氣能在總供熱量中的占比僅次于太陽能，2種清潔能源的總供熱比例為82.15%。熱泵系統的運行需要消耗電能，模式2—模式5下熱泵系統均處于運行狀態，熱泵系統運行時間較長，總供熱量較多，因此，在整個供暖季中互補供熱系統來自電能供應的熱量占16.18%。由于雙熱源熱泵系統及太陽能集熱系統的設計負荷為總建筑熱負荷的80%，能夠滿足大部分時間的建筑物供暖需求，因此需要市政熱網補熱的時間較少，故市政熱網總供熱量的占比較低，僅為1.68%。

3.4雙熱源熱泵機組COP分析

在本系統中，雙熱源熱泵機組有2種運行工況，空氣源和水源模式，根據氣象條件及控制系統進行2種模式的不斷切換，圖6為2種工況下熱泵機組COP效率隨運行時間的變化情況。從圖6可以看出，2種系統不斷地切換運行，且2種模式下，在各自的運行時間段內均處于較高的效率區，空氣源熱泵系統運行時間段內平均COP為3.99，水源熱泵模式下系統平均COP為4.14，雙熱源熱泵機組的平均COP為4.06，遠遠高于常規的單一空氣源熱泵機組或水源熱泵機組，該雙熱源熱泵系統運行效果較好。

4結論

建立了一種利用清潔能源與市政熱網互補供熱的新系統，分析了此系統的不同運行模式及控制策略，并以石家莊市某小區為例，分析了該系統運行中不同模式的運行時間及供熱量、不同能源的供熱量和熱泵機組2種工況下的供熱效率，結論如下：

1）系統運行過程中有5種運行模式，其中模式1運行時間最短，模式3運行時間最長;

2）各模式下的供熱量大小關系是模式2>模式3>模式4>模式5>模式1，模式1供熱時間最短，供熱量也最低;

3）整個供熱過程中，各能源的供熱量大小關系是太陽能>空氣能>電能>市政熱網，清潔能源所占比例為82.15%;

4）雙熱源熱泵機組平均COP為4.06，遠高于常規的熱泵機組。

本文只對所構建的市政熱網與清潔能源互補的集中供熱系統進行了模擬研究，未與實際工程應用效果進行對比。未與應結合當地的熱網條件、建筑供暖形式及用能特點等，合理地進行系統設備配置，對系統進行驗證。

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