供暖季太陽(yáng)能熱泵冷熱暖聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能減排分析

韓 強(qiáng) 劉培陶 魏翠琴 問(wèn)朋朋 賈少剛

（1.青島海爾開(kāi)利冷凍設(shè)備有限公司 青島 266500；2.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司青島分公司 青島 266071；3.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖州 313000）

0 引言

能源、環(huán)境、碳減排是當(dāng)今的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前我國(guó)建筑能耗（采暖、制冷及熱水等）約占全社會(huì)總能耗的30%[1]，隨著社會(huì)發(fā)展這一比例會(huì)繼續(xù)上升。建筑能耗直接或間接地消耗了大量一次能源并污染了環(huán)境，因此通過(guò)新能源和節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用來(lái)降低建筑能耗越來(lái)越受到重視，作為清潔能源的太陽(yáng)能和高效節(jié)能的熱泵技術(shù)得到了極大的關(guān)注和應(yīng)用[2,3]。太陽(yáng)能光熱利用和熱泵型空調(diào)已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，但兩者之間的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用還比較少，兩者的結(jié)合應(yīng)用可以克服太陽(yáng)能受天氣條件影響的缺點(diǎn)，也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并拓寬了其應(yīng)用范圍，可應(yīng)用于建筑物制冷供暖、生活熱水供應(yīng)、農(nóng)業(yè)溫室供熱、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能熱泵技術(shù)展開(kāi)了積極研究[4-10]，因此將太陽(yáng)能熱泵技術(shù)應(yīng)用于建筑物的制冷、供暖和熱水的同時(shí)供給（冷熱暖三聯(lián)供）在有效降低建筑能耗的同時(shí)還可積極促進(jìn)能源消費(fèi)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用推廣，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式分析

1.1 冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足中小型賓館、酒店等的冬季供暖、夏季制冷和全年生活熱水所需，結(jié)合不同類(lèi)型太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了雙熱源混聯(lián)式冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、熱泵機(jī)組、水箱、泵、換熱器等設(shè)備部件組成。

圖1 三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation of SAHP device

太陽(yáng)能集熱介質(zhì)在集熱器內(nèi)部管路、水箱中的盤(pán)管換熱器及連接管路中閉式循環(huán)流動(dòng)，在集熱器中吸收陽(yáng)光輻射能并通過(guò)盤(pán)管換熱器加熱水箱1中的水，集熱介質(zhì)可采用特殊流體（如乙二醇、丙二醇、丙三醇等水溶液）起到防凍、防腐蝕和防結(jié)垢的目的，既可延長(zhǎng)設(shè)備壽命也可減少維護(hù)工作量。

熱泵設(shè)置了三個(gè)換熱器，1 個(gè)空氣源換熱器，水箱1 中及水箱2 中各1 個(gè)水源換熱器。熱泵在工作過(guò)程中通過(guò)四通換向閥的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱2 中水的制冷或者制熱效果；通過(guò)電磁閥1 和電磁閥2的開(kāi)啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)水源換熱器1 和空氣源換熱器的投入或者退出運(yùn)行，當(dāng)水源換熱器1 投入運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)水箱1 中的水與熱泵的熱交換，熱泵既可以加熱水箱1 中的水，也可以從水箱中的水吸取熱量，從而實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用目的；水源換熱器1 退出運(yùn)行時(shí)即空氣源換熱器投入運(yùn)行，熱泵此時(shí)向空氣釋放或者吸收熱量。

1.2 太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式分析

結(jié)合建筑物不同季節(jié)的冷熱暖需求和太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行模式分析如下：

（1）太陽(yáng)能運(yùn)行模式。無(wú)論任何季節(jié)，只要在陽(yáng)光輻照度較好的情況下太陽(yáng)能均可運(yùn)行來(lái)加熱水箱1 中的水，獲得的熱水既可用于日常生活所需，也可以在冬季作為熱泵水源換熱器1 的低溫?zé)嵩础Ｌ?yáng)能為清潔可再生能源，對(duì)其有效利用可以大大節(jié)約其他能源。

（2）夏季熱泵制冷模式。此時(shí)水箱2 中的水為冷水，供給到房間換熱器起到制冷作用；此模式下水源換熱器2 為蒸發(fā)器起到制冷作用使水箱2 中的水變冷，水箱2 中的冷水再被供冷循環(huán)泵供給到房間進(jìn)行制冷；而空氣源換熱器或者水源換熱器1作為冷凝器起到散熱作用，當(dāng)水箱1 中的水溫未達(dá)到設(shè)定值時(shí)水源換熱器1 投入運(yùn)行，當(dāng)水箱1 中的水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)水源換熱器1 退出運(yùn)行同時(shí)空氣源換熱器投入運(yùn)行，水箱1 中的熱水可供給房間使用。

當(dāng)空氣源換熱器投入運(yùn)行時(shí)，熱泵運(yùn)行過(guò)程中僅制冷效果得到利用；因陰雨天、夜間或者日間陽(yáng)光輻照度較弱，太陽(yáng)能無(wú)法提供足夠熱量時(shí)，水源換熱器1 投入運(yùn)行加熱水箱1 中的水得到熱水，此時(shí)熱泵的運(yùn)行過(guò)程制冷量和制熱量同時(shí)得到了利用，熱泵COPh大大提高，相較熱泵單獨(dú)制冷或者使用電熱水器、燃?xì)鉄崴鳙@得熱水，其節(jié)能效果十分顯著。

（3）冬季熱泵制熱模式。此模式下水源換熱器2 為冷凝器起到制熱作用，空氣源換熱器或水源換熱器1 為蒸發(fā)器起到吸熱作用；此時(shí)水箱2 中的水為熱水，供給到房間供暖或者直接使用；水箱1中的水為熱泵水源換熱器1 的低溫?zé)嵩础Ｒ蚨经h(huán)境溫度較低且太陽(yáng)輻照度較弱，此時(shí)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)宜以串聯(lián)方式運(yùn)行——太陽(yáng)能加熱水箱1 制取的低溫?zé)崴疄闊岜盟凑舭l(fā)器1 的低溫?zé)嵩矗环矫婵梢蕴岣咛?yáng)能集熱器的效率[11]，另一方面因蒸發(fā)溫度的提高，熱泵的COPh也有效提高[12-14]，系統(tǒng)的COPs也提高了，這意味著太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗減少了；當(dāng)陰雨天或者陽(yáng)光輻照度較弱時(shí)啟動(dòng)電輔助加熱水箱1 中的水，以改善熱泵的運(yùn)行工況。

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在不同季節(jié)條件下選擇不同的運(yùn)行模式，既可以盡量多的利用太陽(yáng)能，也提高了系統(tǒng)的能效比，可獲得較好的節(jié)能效益，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)的運(yùn)行模式與效益分析如表1所示。

表1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式與效益分析Table 1 Running mode and benefit analysis of SAHP

2 房屋冬季熱負(fù)荷需求

2.1 房屋冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷

本文以湖州市某賓館為研究對(duì)象，該賓館共計(jì)5 層，每層20 個(gè)房間，每個(gè)房間的面積為15m2，賓館的總建筑面積約為1700m2。采用《GB50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的節(jié)能型住宅采暖熱負(fù)荷45W/m2進(jìn)行房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷的計(jì)算，賓館平均入住率為50%，則該賓館供暖季供暖熱負(fù)荷為38250W，圍護(hù)結(jié)構(gòu)日均耗熱量QD為3.305GJ，供暖季供暖耗熱量為297.45GJ，如表2所示。

表2 房屋供暖耗熱量Table 2 Heat consumption of building envelope in winter

2.2 生活新水需求熱負(fù)荷

參考水利部2019年下發(fā)的《服務(wù)業(yè)用水定額：賓館》中的規(guī)定，南方地區(qū)星級(jí)以下賓館每床每天的生活用水量為195L～348L；則每個(gè)床位每天用水量取均值為270L/（床·天），其中熱水量按照100L/（床·天）進(jìn)行計(jì)算，賓館入住率為50%，每日熱水用量為10000L，則在一定初始水溫情況下將新水加熱至55℃所需要的熱量Qnw由式（1）計(jì)算，新水初溫取冬季期間環(huán)境溫度的平均值5℃即可，則每天加熱新水所需的熱量為2.09 GJ，供暖季新水加熱所需的熱量為188.10GJ。

式中，ρ0為水的密度，998.2kg/m3；Cp0為水的定壓比熱容，4.18×103J/(kg·℃)；V0為新水的體積，m3；Te為新水終溫，55℃；Tb為新水初溫，5℃。

表3 生活用水耗熱量Table 3 Heat consumption of new water

結(jié)合上述的計(jì)算結(jié)果，該賓館供暖季（12月-2月）的總需熱量為485.55GJ。

3 應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排分析

3.1 節(jié)能性能分析

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)僅消耗電能，將低品位的太陽(yáng)能和空氣能提升為高品位熱能，因此采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖供水的一次能源年節(jié)能量Qs為由式（2）計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤量Mc由式（3）計(jì)算，結(jié)果如表4所示。可知與賓館采用小燃煤鍋爐相比，采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖供水在供暖季的節(jié)能率ηg可達(dá)72%，可節(jié)約標(biāo)煤約17.30 噸，節(jié)能效果十分顯著。

表4 供暖季節(jié)能率與節(jié)煤量Table 4 A heating season of fractional energy saving and amount of coal saving

采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行供暖供水的一些已知和假設(shè)的條件如下：

（1）熱泵的制熱系數(shù)εc取值為2.5 計(jì)算[15]（已將太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)消耗的所有電能考慮進(jìn)去）。

（2）火力發(fā)電廠超臨界機(jī)組的發(fā)電效率ηe=45%[16]。

（3）標(biāo)煤的熱值qc=29.307MJ/kg。

（4）家用小鍋爐的燃燒效率為ηb=60%[17]。

（5）太陽(yáng)能提供的熱量占比ηs為30%，其余70%熱能由熱泵提供。

3.2 減排性能分析

減排評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是考慮CO2、SOX、NOX、粉塵等污染物的排放削減量，表5[18,19]中列出了生產(chǎn)每兆焦耳熱能排放的相關(guān)污染物的定額指標(biāo)，以此賓館供暖季節(jié)能349.60GJ 計(jì)算，則供暖季應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的污染物減排量如表5所示，可知CO2減排量約為40 噸，SOX減排量為2.8 噸，NOX減排量為150 千克，粉塵減排量為185 千克，減排效果良好。

表5 我國(guó)污染物排放指標(biāo)與供暖季污染物減排量Table 5 Domestic pollutants discharge standard and Reduction of pollutants in a heating season

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為建筑物制冷、供暖和熱水，并對(duì)其運(yùn)行模式進(jìn)行了分析；針對(duì)湖州市某建筑面積為1700m2的賓館，對(duì)其供暖季采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排效益進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)串聯(lián)模式運(yùn)行下既提高了太陽(yáng)能集熱器的效率，也提高了熱泵COPh，從而系統(tǒng)整體COPs得到了有效提高；任何季節(jié)天氣條件下，無(wú)論是太陽(yáng)能還是熱泵制取熱水，相比較電熱水器或者燃?xì)鉄崴髦迫崴蓪?shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果。

（2）相比傳統(tǒng)燃煤供暖，建筑物供暖季應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率可達(dá)72%，供暖季可節(jié)約標(biāo)煤17.30 噸，CO2、SOX、NOX、粉塵等減排效果良好。

太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)于緩解能源危機(jī)、減少碳排放及環(huán)境污染具有重要意義，節(jié)能減排效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。