多源互補供暖系統(tǒng)設計研究

(青島理工大學環(huán)境與市政工程學院 山東 青島 266033)

引言

我國北方地區(qū)的建筑熱負荷較大，長期采用傳統(tǒng)能源供暖使得大氣環(huán)境污染嚴重，清潔供暖是解決該問題的有效途徑。太陽能資源取之不盡，但不穩(wěn)定性使其只能考慮作為供暖輔助熱源；空氣源熱泵安裝靈活、投資較少，但受室外氣溫和結霜問題影響難以保證極端環(huán)境運行效果；土壤源熱泵COP高、運行費用低，但對土壤溫度變化敏感，長期運行需采取熱平衡措施。以上三種供暖技術，兩兩結合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究較多，而對此類系統(tǒng)，研究者多借用數(shù)值方法和軟件進行仿真模擬研究[1]。

本文以既有建筑為基礎，對互補供暖系統(tǒng)進行了設計，給出系統(tǒng)主要設備選型，然后從經(jīng)濟角度和環(huán)境角度對系統(tǒng)進行了效益分析，期望對此類系統(tǒng)的研究應用提供參考。

一、系統(tǒng)設計

(一)建筑概況

互補供暖系統(tǒng)設計以既有建筑為基礎。該建筑為洛陽某小區(qū)，該小區(qū)共有住宅樓是十一幢，共612戶，總建筑面積為44859.6m2，為磚混結構體系。對該生活區(qū)進行清潔能源供暖規(guī)劃，需對清潔能源資源潛力進行分析。經(jīng)分析，洛陽市供暖季多處于空氣源熱泵的一般結霜區(qū)域，結霜現(xiàn)象并不嚴重，適合采用空氣源熱泵供暖；生活區(qū)位于澗河Ⅱ級階地，地層以河流沖積層為主，土壤覆蓋層較厚，土層主要為砂土，換熱能力較好，適合采用土壤源熱泵供暖；洛陽地區(qū)屬于太陽能資源三類地區(qū)，可以考慮作為輔助熱源加以利用。根據(jù)前文對以上三種供暖方式的分析，提出將可再生能源多源互補供暖系統(tǒng)應用于該生活區(qū)冬季供暖。

(二)主要設備選型設計

在系統(tǒng)設計之前，先對建筑負荷進行了計算。根據(jù)建筑基礎資料，利用TRNSYS軟件，經(jīng)模擬計算該生活區(qū)建筑熱負荷為1312kW。互補供暖系統(tǒng)主要設備設計選型中，參考相關設計手冊及標準[2-4]，根據(jù)生活區(qū)可使用地埋管換熱器區(qū)域面積、土壤源熱泵供暖季取熱量、空氣源熱泵負擔負荷、水箱蓄熱量、設計換熱量以及流量及溫差等確定地埋管換熱器、土壤源熱泵機組、太陽能集熱器、空氣源熱泵機組、蓄熱水箱、板式換熱器以及水泵等主要設備的選型及規(guī)格。互補供暖系統(tǒng)的模式為，太陽能集熱系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)，土壤源熱泵源側回水先與地埋管換熱再經(jīng)太陽能集熱系統(tǒng)提升溫度，以空氣源熱泵和土壤源熱泵互補進行供暖；過渡季太陽能集熱系統(tǒng)向地下土壤補熱。主要設備選型見表1。

表1 主要設備參數(shù)

二、互補供暖系統(tǒng)效益分析

(一)經(jīng)濟性分析

對傳統(tǒng)燃煤鍋爐、單一土壤源熱泵、單一空氣源熱泵以及互補供暖系統(tǒng)這四種不同的供暖方式，分別從經(jīng)濟角度和環(huán)境角度進行對比分析。經(jīng)濟效益分析中，以費用年值為衡量經(jīng)濟性的評價指標。費用年值用如下公式表示。

式中，AC—費用年值，萬元；i—折現(xiàn)利率，取8%；m—設備壽命，年，取20年；C0—初投資，萬元；C—年運行費用，萬元。

按照設備選型以及資源消耗量計算四中供暖方式的費用年值分別為41.38萬元、97.47萬元、96.97萬元和86.56萬元。分析表明，四種供暖方式中，互補供暖系統(tǒng)除傳統(tǒng)燃煤鍋爐外，費用年值最低，經(jīng)濟性最好。但燃煤鍋爐會在運行過程中，會排放大量污染物。

(二)環(huán)境效益分析

環(huán)境效益分析中，以污染物排放量為衡量環(huán)保性的評價標準。上文四種供暖方式中，消耗了燃煤以及電能。傳統(tǒng)燃煤鍋爐年耗煤量541.84t，折合成標煤為511.17tce。互補供暖系統(tǒng)年耗電量1001302kW·h，折合成標煤為320.4tce。單一土壤源熱泵系統(tǒng)年耗電量1249881kW·h，折合成標煤為399.96tce。單一空氣源熱泵系統(tǒng)年耗電量1503691kW·h，折合成標煤為481.18tce。根據(jù)文獻[5]污染物排放系數(shù)，計算得到四種供暖方式的主要污染物排放量。結果表明，互補供暖系統(tǒng)與單一土壤源熱泵相比，污染物排放減少19.9%；與單一空氣源熱泵相比，污染物排放減少33.4%；與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，污染物排放減少37.3%。說明，互補供暖系統(tǒng)相較于其他常規(guī)供暖方式，減少了化石能源和二次能源的使用，減少了污染物的排放，具有顯著的環(huán)境效益。

四、結論

本文以洛陽地區(qū)既有建筑為基礎，設計了可再生能源多源互補供暖系統(tǒng)，以此為研究對象，對系統(tǒng)進行了效益分析，結果總結如下：

1.本文以洛陽某生活區(qū)建筑為對象，對建筑用能需求和可利用資源進行了分析，確定了互補供暖系統(tǒng)在地的初步適用性。然后對互補供暖系統(tǒng)進行了設計，介紹了設計流程和設備選型，對此類系統(tǒng)的設計有一定參考意義。

2.對系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析，結果表明互補供暖系統(tǒng)與其他常規(guī)供暖方式相比相比，費用年值較低、污染排放少。具有一定的顯著的經(jīng)濟性和環(huán)境效益。