高海拔地區太陽能與空氣源熱泵供暖系統適用性分析

劉 軒，高 潮，鄧文婷，鄧旭艷，姚 戈

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.中國電力建設集團有限公司西南指揮部，成都 610036)

0 前 言

目前中國北方城鎮約150億m2建筑需要供暖，每年需消耗60億GJ熱量，其中約有40 %由燃煤和燃氣等不可再生能源提供，可造成約10億噸二氧化碳排放量[1]。在“碳達峰”和“碳中和”的雙碳發展目標要求下，如何在保障居住環境熱舒適性和系統高效穩定運行的同時，因地制宜地利用太陽能等清潔能源供暖，是降低建筑間接碳排放、加快實現建筑行業碳中和所面臨的重要問題。

我國西部高原一般海拔在3 000～5 000 m，冬季極端寒冷且漫長，高原腹地年平均溫度在0 ℃以下, 屬于嚴寒寒冷地區[2-3]。當地煤氣油等常規能源匱乏，但太陽能等可再生能源極為豐富，日照時數在3 000 h以上[4]。此外，當地建筑絕大多數為中低層建筑，總體建筑密度較低且布局相對分散，不宜推廣集中供暖系統。因此與北方寒冷地區采用常規能源的傳統供暖方式不同，高原獨特的氣候條件和建筑形式決定了其具備率先利用太陽能等清潔能源滿足供暖需求、降低建筑供暖能耗的先決條件。

對于高海拔地區建筑的太陽能供暖設計，可通過建立太陽能光熱系統或光熱光電聯合供暖系統，并借助一定規模和方式的熱蓄調系統[5-6]，解決高原建筑供暖問題。眾多學者對高原地區各類建筑采用可再生能源供暖系統的節能性與經濟性進行了廣泛而深入的研究。夏洪濤等[7]通過實測數據對高原機場太陽能-水源熱泵聯合供暖系統的太陽能貢獻率等參數進行分析比較，可得每個運行年度內該聯合供暖系統比水源熱泵單獨供暖的碳排放量降低391.20 t。白旭升等[8]分析了空氣式太陽能供暖系統于西藏曲水縣實際應用的經濟性和適用性，結果表明與燃氣鍋爐和電加熱鍋爐相比，該系統單個供暖季可節省257.36 t標準煤。李玥等[9]利用TRNSYS軟件對西藏日喀則市某公共建筑采用太陽能供暖系統進行建模并優化，結果顯示該系統可使建筑日耗電量降低26.7 %。此外，江億等[10]和胡曉東[11]結合當地氣候特點和能源環境現狀，以拉薩市為例探討了西藏地區各種太陽能供暖利用技術的適用性與經濟性。在眾多太陽能輔助供暖利用技術中，空氣源熱泵作為一種高效率的能量轉換設備，與太陽能供暖技術結合可提高系統運行可靠性。劉艷峰等[12]對川西高山峽谷區以空氣源熱泵為主的多元互補供熱方案進行對比分析，為當地空氣源熱泵供熱系統工程的優化設計提供依據。杜彥等[13]通過TRNSYS軟件模擬分析了空氣源熱泵地板輻射供暖系統的運行性能。

目前研究多集中于利用單一形式的可再生能源供暖，缺乏對多種能源形式互補的供暖系統的綜合研究。本文以高原典型城市為例，采用TRNSYS 18模擬仿真，建立“太陽能光熱+空氣源熱泵”聯合供暖模型，對不同集熱場面積和輔助熱源容量條件下系統的運行能耗、太陽能保證率等參數進行了對比分析,為高原高寒地區多能互補供暖系統的設計提供借鑒。

1 太陽能-空氣源熱泵供暖系統

太陽能光熱與空氣源熱泵供暖系統原理如圖1所示。系統由太陽能集熱場、熱交換器、光伏發電場、穩壓逆變器以及空氣源熱泵等組成。集熱工質經太陽能集熱器加熱后進入板式換熱器，加熱熱用戶的回水進而向用熱末端供暖。另設光伏發電場，可將光能轉化為電能儲存在蓄電池中。當熱交換器出水溫度低于設定值時，穩壓逆變器將蓄電池輸出的直流電轉變為空氣源熱泵需要的交流電，以此驅動熱泵為用戶輔助供暖。

圖1 太陽能與空氣源熱泵供暖系統

此系統技術成熟，集熱效率高。對于高原地區強輻射及陰雨天少等特殊氣象條件，該供暖系統更有利于實現完全太陽能供暖，即接近100%的太陽能保證率。

2 系統仿真模型建立

利用TRNSYS 18建立上述太陽能光熱與空氣源熱泵供暖系統模型，隨后通過Open Studio建立高原建筑幾何模型，采用Energy Plus軟件對該典型建筑供暖負荷進行模擬計算。

2.1 太陽能光熱與空氣源熱泵供暖系統模型

使用TRNSYS 18建立“太陽能光熱+空氣源熱泵”系統模型，其中主要部件包括太陽能光熱組件、空氣源熱泵組件，各組件數學模型如下所示。

(1)太陽能光熱組件

太陽能集熱場的有效集熱量如公式(1)所示[14]：

qsol=Afie×(Itot×α0-α1(Tave-Tamb)-α2(Tave-Tamb)2)

(1)

公式(1)中：Afie為太陽能集熱場總面積，m2；Itot為集熱器表面總太陽輻照度，W·m-2；α0為集熱器效率峰值；α1為環境溫度下集熱器熱損失系數，W/(m2·K)-1；Tave為集熱場平均溫度，℃；Tamb為目標溫度，℃；α2為集熱器熱損失系數的溫度依賴性，W/(m2·K)-1。

(2)空氣源熱泵組件

空氣源熱泵的加熱量與其效率相關，可用公式(2)表示[15]：

qhp=phpCOP

(2)

公式(2)中：qhp為空氣源熱泵的加熱量，kW；php為空氣源熱泵的加熱功率，kW；COP為空氣源熱泵能效系數，用公式(3)表示：

COP=2.7625+0.0625Tzf

(3)

公式(3)中：Tzf表示空氣源熱泵蒸發器中制冷劑蒸發溫度，℃。蒸發溫度與環境空氣溫度Ta的關系用公式(4)表示：

Tzf=0.7984Ta-7.2006

(4)

2.2 高原典型建筑模型

西部高海拔地區傳統建筑形式緊湊，平面呈矩形，布局簡單，多為平屋頂。建筑主立面一般坐北朝南，朝南房間的寬度通常等于或大于進深，以便更好地收集太陽熱量。層高一般在2.2～2.6 m[16]，遠低于現有標準的2.8～3.0 m，可縮短空氣循環路徑，維持人員活動區的熱舒適性。建筑圍護結構材料主要為當地易獲得的粘土、花崗巖板、砂巖、干樹枝等。其中外墻一般由粘土或花崗巖組成，墻厚在600～700 mm，厚重的外墻可實現有效蓄熱，減少晝間太陽輻射強和夜間室外溫度低造成的室內溫度波動。為獲得較多太陽輻射，建筑南向窗墻比一般大于50 %，而北向窗墻比低于20 %，且均采用低窗臺[16]。此外，通過天井或庭院等半開放空間的煙囪效應可改善室內通風。

依據上述建筑典型特征，采用OpenStudio建立高原建筑模型，該典型建筑為地上兩層建筑，總建筑面積為534.98 m2，典型建筑Energy Plus模型如圖2所示：

圖2 典型建筑Energy Plus模型

隨后可通過Energy Plus軟件對其供暖熱負荷進行模擬計算，為“太陽能光熱+空氣源熱泵”供暖系統的高原適用性分析提供數據支撐，其中各計算參數參考標準[17-19]中相關規定選取(見表 1)。

表1 建筑供暖負荷計算相關參數

拉薩、林芝和昌都地區室外計算參數如表2所示。

表2 供暖負荷室外計算參數

3 系統運行地域特性分析

3.1 建筑熱負荷特性分析

選取前述建立的高原典型建筑模型為研究對象，利用EnergyPlus軟件分別計算拉薩、林芝和昌都地區供暖季內建筑熱負荷[20]，并對比分析建筑外墻無保溫和增加60 mm保溫層的熱負荷差異。如圖3～5所示，各地區供暖季條件下典型建筑的熱負荷均為先增加后降低趨勢，其中月平均熱負荷和日平均熱負荷最大值均出現在1月，而累計供暖能耗在供暖季期間不斷遞增，但增長率先增加后減小。拉薩地區供暖季期間，增加保溫層前后建筑熱負荷總體變化趨勢基本一致，且熱負荷峰值出現時間段相同(見圖3)。但采用60 mm厚度保溫層后，建筑熱負荷相比無保溫工況出現明顯降低，最大可降低11.61 W/m2。對于整個供暖季而言，建筑無保溫和增加60 mm保溫層的累計供暖能耗分別為145.04 MJ/m2和83.89 MJ/m2，增加保溫層可減少61.15 MJ/m2(即42.16%)的供暖能耗。

圖3 拉薩地區供暖季熱負荷及累計供暖能耗

增加保溫層前后林芝地區建筑供暖季熱負荷的總體變化趨勢基本一致，日平均熱負荷峰值均出現在2月，較拉薩地區有一定延遲(見圖4)。與無保溫工況相比，60 mm厚度保溫層工況的建筑熱負荷存在一定程度降低，日平均熱負荷峰值由27.65 W/m2降低至16.39 W/m2。增加保溫前后該典型建筑的供暖季累計供暖能耗分別為108.70 MJ/m2和61.26 MJ/m2，增加保溫層可減少47.44 MJ/m2(即43.64%)的供暖能耗。

圖4 林芝地區供暖季熱負荷及累計供暖能耗

昌都地區供暖季增加保溫層前后建筑熱負荷的總體變化趨勢相同，且熱負荷峰值均出現在1月，但受氣候影響其熱負荷數值明顯高于拉薩地區和林芝地區(見圖5)，其中無保溫工況下日平均熱負荷可達43.93 W/m2。相比無保溫工況，增加60 mm保溫層后建筑日平均熱負荷最大可降低12.27 W/m2，供暖季累計供暖能耗可減少75.49 MJ/m2(即37.12%)。

圖5 昌都地區供暖季熱負荷及累計供暖能耗

因此，對于西部高海拔地區典型建筑而言，通過增加圍護結構保溫層等手段能有效降低建筑熱負荷，隨后可基于此對“太陽能光熱+空氣源熱泵”等供暖系統方案進行優化設計，進而在滿足建筑供暖需求的同時，實現供暖系統的高效節能運行。

3.2 太陽能與空氣源熱泵系統采暖能力分析

根據前述典型建筑增加保溫層后的熱負荷計算結果，通過所建立的“太陽能光熱+空氣源熱泵”供暖系統仿真模型，分別對該系統運行于拉薩、林芝和昌都地區氣候條件下的太陽能保證率進行模擬計算，進而分析該系統在高原條件下的用能保障性。

當供暖系統所配備集熱場的面積不同時，太陽能光熱系統和空氣源熱泵系統分別供給建筑的熱量會不同，進而導致系統的太陽能保證率發生變化(見圖6～8)。如圖6所示，對于拉薩地區而言，隨著集熱場面積由10 m2增加到55 m2，太陽能光熱系統向用戶的供熱量由123.37 kWh增加到4 942.02 kWh，而空氣源熱泵的供熱量由4 854.40 kWh逐漸降低到35.75 kWh。其中當該典型建筑配有55 m2集熱場時，太陽能保證率可達99.28 %，此時太陽能集熱場供熱量可基本滿足建筑供暖需求。

圖6 拉薩地區系統太陽能保證率隨集熱場面積變化

當林芝地區典型建筑采用該系統時，隨著太陽能集熱場面積的增加，光熱系統與空氣源熱泵系統供熱量的變化趨勢與拉薩地區基本一致(見圖7)。當系統集熱場面積僅為15 m2時，空氣源熱泵系統在整個供暖季的供熱量可達3 382.48 kWh，而太陽能光熱系統供熱量僅為233.70 kWh；當集熱場面積增加為55 m2時，光熱系統向典型建筑的供熱量增加至3 520.48 kWh，此時系統的太陽能保證率可達97.35 %。此外，當該典型建筑配有25 m2面積的集熱場時，太陽能光熱系統的供熱量(1 593.09 kWh)與空氣源熱泵系統(2 023.10 kWh)差值最小。

圖7 林芝地區系統太陽能保證率隨集熱場面積變化

如圖8所示，昌都地區系統的集熱場面積增加時，太陽能光熱系統向建筑的供熱量呈增加趨勢，而空氣源熱泵的供熱量呈遞減趨勢。由于昌都地區供暖季較長且熱負荷峰值較大(無保溫時日平均熱負荷峰值可達43.93 W·m-2)，供暖系統的供熱量高于拉薩、林芝等地，其中當建筑主要依靠空氣源熱泵系統供暖時(集熱場面積為15 m2)，熱泵系統的采暖季供熱量可達7 532.56 kWh。而當主要采用太陽能光熱系統供暖時(集熱面積為75 m2)，整個采暖季內光熱系統供熱量為7 348.40 kWh，此時系統的太陽能保證率可達96.65 %。

圖8 昌都地區系統太陽能保證率隨集熱場面積變化

3.3 太陽能與空氣源熱泵系統經濟性分析

當集熱場面積增加到一定程度后，系統的太陽能保證率可達到接近100%的程度，幾乎不使用外接電源而獨立使用太陽能系統供暖，但是過大的集熱場面積勢必造成初投資的增加，而且集熱場面積增加到一定程度后太陽能保證率幾乎不再增加，因此可計算不同集熱場面積條件下對應的投資回收期，以此確定最佳的集熱場面積。

拉薩地區典型建筑熱負荷總計18.7 kW，年供暖耗熱量77.6 GJ，選擇額定制熱量20 kW，COP為2.75空氣源熱泵機組一臺，價格為32 100元。太陽能集熱場造價按每平方米460元計算，拉薩地區當地電價為每千瓦時0.5元，計算不同集熱場面積條件下的投資回收期如表3所示，可知當集熱場面積為25 m2時投資回收期最短為4 a，經濟性最優。

表3 拉薩地區不同集熱場面積下的投資回收期

靈芝地區典型建筑熱負荷總計14.8 kW，年供暖耗熱量58.2 GJ，選擇額定制熱量18.5 kW，COP為2.56空氣源熱泵機組一臺，價格為29 500元。太陽能集熱場造價按每平方米460元計算，林芝地區當地電價為每千瓦時0.5元，計算不同集熱場面積條件下的投資回收期如表4所示，可知當集熱場面積為35 m2時投資回收期最短為7.5 a，經濟性最優。

表4 林芝地區不同集熱場面積下的投資回收期

昌都地區典型建筑熱負荷總計23.5 kW，年供暖耗熱量108.8 GJ，選擇額定制熱量24.5 kW，COP為2.72空氣源熱泵機組一臺，價格為33 200元。太陽能集熱場造價按460元/m2計算，昌都地區當地電價為0.48元/kWh，計算不同集熱場面積條件下的投資回收期如表5所示，可知當集熱場面積為45 m2時投資回收期最短為4.6 a，經濟性最優。

表5 昌都地區不同集熱場面積下的投資回收期

4 結 論

本文以拉薩、林芝和昌都為例，對所建立高原典型建筑模型的供暖季熱負荷進行計算，從太陽能保證率及投資回收期等角度分析了“光熱+空氣源熱泵”聯合供暖系統的高原適用性，形成結論如下：

(1)通過合理增加圍護結構保溫層厚度，可有效降低高原典型建筑的熱負荷和供暖季累計供暖能耗。相比無保溫工況，增加60 mm保溫層后拉薩、林芝和昌都典型建筑日平均熱負荷分別降低11.61、11.26、12.27 W/m2，供暖季累計供暖能耗分別減少42.16%、43.64%、37.12%。

(2)隨著集熱場面積增加，太陽能光熱系統向用戶的供熱量不斷增加，而空氣源熱泵的供熱量逐漸降低，系統太陽能保證率逐漸增大，但增長速率逐漸變緩。當拉薩、林芝和昌都的集熱場面積分別達到55 m2、55 m2、75 m2時，系統太陽能保證率分別可達99.28%、97.35%、96.65%，基本實現依靠太陽能資源獨立供暖。

(3)過大的集熱場面積雖然能基本實現依靠太陽能資源獨立供暖，但不具備經濟性優勢。當拉薩、林芝和昌都的集熱場面積分別達到25、35、45 m2時均可取得最短的投資回收期，分別為4、7.5、4.6 a，經濟性最優。