一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)研究

黃晨茜 胡秋月 朱新博

中國(guó)建筑第二工程局有限公司 北京 100060

目前，我國(guó)的光伏光熱建筑一體化技術(shù)還處于起步階段，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也很廣闊，為新技術(shù)的生長(zhǎng)提供了充足的空間[1]。太陽(yáng)能熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)為熱泵系統(tǒng)提供電能，以達(dá)到節(jié)能的目的。我國(guó)有大量學(xué)者對(duì)此做了相關(guān)研究分析[2-3]，歐美及日本等國(guó)家也對(duì)“零能耗建筑”做了研究，如何利用清潔能源解決供熱、制冷能耗問(wèn)題是全世界普遍存在的難題[4]。本文將提出一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電、光熱板集熱結(jié)合熱泵系統(tǒng)為建筑物不間斷提供生活熱水和采暖的需求，同時(shí)達(dá)到零能耗的目標(biāo)[5]。

1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)的模擬

1.1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)的建立

本文提出一種新型復(fù)合熱泵近零能耗供熱系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)僅利用太陽(yáng)能這種清潔能源就可實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)，滿足家庭采暖及生活熱水的需求。復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)由六大模塊組成，分別是光伏發(fā)電模塊、光熱集熱模塊、循環(huán)熱泵系統(tǒng)模塊、集熱水箱模塊、一次換熱水箱模塊、二次換熱水箱模塊。

圖1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)研究

本文所述復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)可分為以下3種實(shí)施情形：

1）光伏發(fā)電板負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)中用電設(shè)備的用電需求，如水泵、壓縮機(jī)等，蓄電池用來(lái)存儲(chǔ)多余電量，以備夜晚/陰雨天氣太陽(yáng)能保證率低時(shí)的情形使用。

2）光熱集熱板將集熱模板中的水循環(huán)加熱，再通過(guò)水泵及水-水換熱器將熱能傳遞到一次換熱水箱內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)一次換熱水箱上的測(cè)溫器檢測(cè)到水溫達(dá)到生活用熱水（50～60 ℃）的要求時(shí)，與供生活熱水管道連接的溫控閥開(kāi)啟，提供生活用熱水；當(dāng)同時(shí)有采暖需求時(shí)，與集熱水箱連接的測(cè)溫閥開(kāi)啟，利用換熱盤(pán)管加熱供暖用水，溫度達(dá)到供暖溫度（35～45 ℃）要求時(shí)，供暖循環(huán)開(kāi)啟。

3）當(dāng)一次換熱水箱溫度達(dá)不到生活用熱水的要求時(shí)，循環(huán)熱泵系統(tǒng)模塊開(kāi)啟，對(duì)來(lái)自一次換熱水箱的熱水進(jìn)行二次加熱，直至達(dá)到生活用熱水的要求，為用戶提供滿足水溫要求的生活熱水；當(dāng)溫度達(dá)不到供暖需求時(shí)，關(guān)閉一次換熱水箱與集熱水箱的熱交換，開(kāi)啟二次換熱水箱與集熱水箱的熱交換，為用戶提供滿足水溫要求的供暖用水。

1.2 建立系統(tǒng)模擬基礎(chǔ)建筑模型

依托位于鄭州地區(qū)的云智小鎮(zhèn)項(xiàng)目，利用DeST-h建筑能耗模擬軟件，模擬建立1棟建筑面積為202 m2，采暖面積為173 m2的2層別墅，在具體氣象參數(shù)下模擬出該建筑物一年所需的生活用熱水及采暖能耗情況。圖2為利用DeST-h建立的日照立體圖。

圖2 日照立體圖

1.3 光熱集熱器上總太陽(yáng)輻照量計(jì)算

光熱集熱器具有一個(gè)最佳傾角，來(lái)保證光熱集熱器能夠最高效地運(yùn)行，光熱集熱器上總太陽(yáng)輻照量由太陽(yáng)集熱面板上的直接輻射輻照量和散射輻射輻照量，以及地平面上的散射輻射輻照量組成[6]。

1.4 建立復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型

利用TRNSYS系統(tǒng)模擬軟件，建立如圖3所示的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型，將前文利用DeST-h模擬出的建筑能耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入TRNSYS模型中，在得出系統(tǒng)模擬運(yùn)行參數(shù)后，進(jìn)行復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)可行性分析。

圖3 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型

設(shè)定模擬條件：系統(tǒng)每天消耗水溫為15 ℃的冷水量為1 kg，作為生活用熱水消耗量。能耗設(shè)定時(shí)可忽略系統(tǒng)中4個(gè)循環(huán)水泵，因其能耗與熱泵相比可忽略不計(jì)。每月預(yù)設(shè)系統(tǒng)熱損失率為10%～20%。本模型采用氣象數(shù)據(jù)生成軟件Meteonorm生成TMY2典型氣象年參數(shù)數(shù)據(jù)[7]。

2 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)模塊分析

根據(jù)鄭州地區(qū)的氣象特點(diǎn)以及全年氣象變化參數(shù)來(lái)制定模型全年運(yùn)行控制策略，熱泵系統(tǒng)每月夜間最佳運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)如表1所示。

表1 熱泵系統(tǒng)每月夜間最佳運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

參考青島理工大學(xué)提出的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行最佳的控制策略[8]，針對(duì)鄭州地區(qū)的地域特點(diǎn)以及本文提出的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，總結(jié)出適合本模型的最佳模型控制策略：集熱水箱的設(shè)計(jì)溫度為45 ℃；補(bǔ)充水箱水量時(shí)間為23：00～24：00；光熱集熱系統(tǒng)利用溫差控制原理進(jìn)行蓄熱，時(shí)間控制在6：00～18：00。

TRNSYS模型經(jīng)過(guò)多次試運(yùn)行調(diào)整，最終設(shè)定：由80 m2的光熱集熱板組成的光熱集熱系統(tǒng)，以及由17.3 kW的單晶硅太陽(yáng)能電池組成的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。調(diào)試完成后，運(yùn)行TRNSYS模型可以得到每日集熱器的總集熱量、熱泵系統(tǒng)的供熱量、熱泵系統(tǒng)的能耗等參數(shù)。

由圖4可以得到復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)在鄭州地區(qū)逐月的供熱量[9]，包括光熱板集熱裝置的集熱量與光伏發(fā)電板發(fā)電為熱泵系統(tǒng)供能所得到的供熱量。據(jù)統(tǒng)計(jì)：建立的別墅模型一年總耗能為2.72×104kW·h（相當(dāng)于9.792×107kJ），復(fù)合熱泵系統(tǒng)模型一年總集熱量為11.365×107kJ。總體來(lái)看，6、7、8月的光熱集熱量在當(dāng)月總集熱量的占比偏高，1、2、12月的光熱集熱量在當(dāng)月總集熱量的占比偏低，究其原因是夏季太陽(yáng)能保證率高，導(dǎo)致光熱集熱量占比高。

圖4 各月總集熱量情況

由圖5可知，每月系統(tǒng)集熱量可以滿足建筑物的能耗需求。供熱曲線和能耗曲線在4月至9月始終維持在較低的水平，分析原因可知：復(fù)合熱泵系統(tǒng)TRNSYS模型根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行供能調(diào)整，會(huì)對(duì)夏季多余的發(fā)電量進(jìn)行儲(chǔ)存、再利用。

圖5 建筑物能耗與系統(tǒng)供熱量對(duì)比

圖6顯示了復(fù)合熱泵系統(tǒng)模型逐月COP值（制熱性能系數(shù)）的變化情況。冬季的熱泵循環(huán)性能系數(shù)值保持在相對(duì)較低的水平，最低月平均COP值為4.65，夏季熱泵的能效比可以保持在較高的水平，最高月平均COP值為7.46，月平均COP值變化曲線呈現(xiàn)出先由低到高，后由高到低的變化趨勢(shì)，并在7月份達(dá)到最大值，供熱系統(tǒng)的供熱性能保持在較高的水平。建立的系統(tǒng)模型除了可以滿足日常供暖需求外，每日還有剩余電能可以回收再利用，特別是5—9月，每日可以回收利用大量電能。根據(jù)匯總的每月系統(tǒng)發(fā)電量，與每月系統(tǒng)模型總能耗進(jìn)行比對(duì)，繪制出系統(tǒng)發(fā)電量與建筑物總能耗對(duì)比圖（圖7）。

圖6 系統(tǒng)模型逐月COP變化曲線

圖7 系統(tǒng)發(fā)電量與建筑物總能耗

由圖7可知，系統(tǒng)模型每日發(fā)電量在1、12月基本可以滿足系統(tǒng)能耗，剩余電量不多。從1月起，光伏系統(tǒng)發(fā)電量總體呈現(xiàn)出由低到高的變化趨勢(shì)，在7月達(dá)到最大值，然后呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)。而建筑物采暖能耗呈現(xiàn)出由高到低，再由低到高的變化趨勢(shì)，總體趨勢(shì)較為平緩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)模型一年總發(fā)電量富余5.04×107kJ。2019年，我國(guó)在《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》的基礎(chǔ)上[10]，將分布式光伏項(xiàng)目替換為戶用光伏項(xiàng)目，按照0.18元/kW·h的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，采用本系統(tǒng)的模型建筑物在滿足自身供暖需求的基礎(chǔ)上，一年預(yù)計(jì)可獲政策補(bǔ)貼2 520元。

利用建筑能耗模擬軟件，虛擬建立的位于鄭州地區(qū)的建筑面積為202 m2，采暖面積為173 m2的2層別墅，按照6.48元/m2（采暖季的鄭州采暖熱價(jià)）計(jì)算，該建筑物的采暖費(fèi)用約為1 121元/a。生活用電計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按照0.56元/kW·h計(jì)算，假設(shè)每人每天采暖耗電量約為5 kW·h，采暖用電費(fèi)用約為1 022元/a。使用本文提出的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，202 m2的建筑物一年預(yù)計(jì)節(jié)省2 143元，光伏發(fā)電并網(wǎng)可獲益2 520元，合計(jì)4 663元。若本系統(tǒng)得以推廣使用，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

依托鄭州云智小鎮(zhèn)別墅群項(xiàng)目打造出一種“零能耗建筑”，通過(guò)DeST-h建立了鄭州地區(qū)建筑面積為202 m2的別墅模型，模擬出一年的建筑總能耗為2.72×104kW·h（相當(dāng)于9.792×107kJ）；創(chuàng)新性地提出一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，通過(guò)TRNSYS模擬出建筑物在該系統(tǒng)輔助下的總集熱量為11.365×107kJ；通過(guò)日供熱量與日集熱量的對(duì)比，驗(yàn)證了“零能耗建筑”的可行性，打造的“零能耗建筑”系統(tǒng)在僅利用太陽(yáng)能資源的情況下，除了為建筑物持續(xù)提供溫度為35～45 ℃的采暖用熱水和45～65 ℃的生活用熱水外，還能將剩余電能進(jìn)行并網(wǎng)獲益，一年預(yù)計(jì)節(jié)省2 143元，光伏發(fā)電并網(wǎng)獲益2 520元，合計(jì)4 663元。另外，也將建立光伏/光熱復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，在鄭州地區(qū)進(jìn)行一年以上的試驗(yàn)研究及分析，最后對(duì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析試驗(yàn)結(jié)果是否能夠滿足建筑物零能耗的目標(biāo)，以期為我國(guó)建筑節(jié)能領(lǐng)域“零能耗建筑”的發(fā)展提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

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