適用于近零能耗建筑的新型太陽能-污水源熱泵系統運行特性

程 程 姜益強 王 菲

(1 華東建筑設計研究院有限公司 上海 200002；2 哈爾濱工業大學建筑學院 哈爾濱 150006；3 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室 哈爾濱 150090；4 北控晉安新能源科技發展(北京)有限公司 北京 101100)

為實現2030年前碳達峰行動方案[1]，我國對多個高能耗領域提出了更高標準和更嚴格的目標，在“碳達峰十大行動”中便有“城鄉建設碳達峰行動”，號召全國推進城鄉建設綠色低碳轉型，加快提升建筑能效水平、加快優化建筑用能結構。國家印發的《深入開展公共機構綠色低碳引領行動促進碳達峰實施方案》[2]，明確了要加快能源利用綠色低碳轉型，推廣太陽能光伏光熱項目，推動太陽能供應生活熱水項目建設，開展太陽能供暖試點。在可見的未來，低能耗建筑和利用太陽能資源進行能源轉型均將成為行業發展的主流。

隨著建筑低能耗節能改造和近零能耗建筑的推廣，供暖能耗不斷降低，生活熱水能耗逐漸成為居住建筑的主要能耗，且城市緯度越高，該現象越明顯，不同氣候區城市的供暖與生活熱水年總負荷比例如圖1所示[3]。生活熱水負荷的高能耗占比和其目前“有供無回”的使用形式，導致大量生活熱水使用后的廢水直接排走，造成較大的能源浪費，因此，本文擬引入太陽能并通過熱泵系統對生活廢水進行熱回收，進一步實現降低近零能耗建筑的能耗。

目前國內外在太陽能耦合空氣源熱泵[4-6]、太陽能耦合地源熱泵[7-9]等方面的技術已經較為成熟，而污水源熱泵系統大多依托于醫院[10-11]、洗浴中心[12-13]、游泳池[14-15]此類能夠產生廢水余熱同時有工藝熱能需求或廠房制冷需求的公用建筑中，并不適用單戶家庭。為此，本文提出一種新型太陽能-污水源熱泵供熱系統，從居住建筑戶式住宅角度出發，通過系統仿真模擬與實驗結果相互驗證的方式來研究太陽能-污水源熱泵系統的運行特性，同時分析該系統在不同地區近零能耗建筑中冬季供暖、全年供生活熱水的運行效果與經濟性。

1 系統形式

圖2所示為本文提出的太陽能耦合污水源熱泵系統，該系統通過嵌套水箱將生活熱水與供暖熱水進行分隔，外部水箱熱水用于供暖，內部水箱用于供生活熱水；將熱泵系統冷凝器置于外部水箱下部對供暖熱水進行直接加熱，避免了二次換熱導致的熱損失。太陽能集熱器和廢水取熱裝置作為本系統的兩個外部熱源，其中廢水取熱裝置上部設置過濾裝置，內部包含兩套盤管分別為洗浴用市政自來水預熱和作為熱泵蒸發器取熱的盤管。本系統通過F1、F2閥門的開閉可以完成太陽能集熱器作為熱泵蒸發器的低溫熱源和作為直接生活熱水系統加熱器的切換，實現在太陽能集熱器水溫較低時系統作為熱泵工作，而在水溫高時直接加熱生活熱水，實現能量的充分利用。

1 壓縮機；2 冷凝器；3 毛細管(節流裝置)；4 廢水取熱裝置；5 套管式換熱器；6 循環水泵；7 太陽能集熱器；8 外水箱；9 內水箱；10 供熱管線；11 供熱系統循環水泵；12 速熱裝置；F1～F3電磁閥；F4～F6閘閥；F7混水閥。圖2 太陽能耦合污水源熱泵系統Fig. 2 Solar coupled sewage-source heat pump system

本系統有多種運行模式可以適應不同氣候條件：當系統無供暖需求時，太陽能集熱器制取的熱水直接供給內水箱實現供生活熱水，熱泵系統不運行；而在冬季系統有供暖需求時，太陽能熱泵和污水源熱泵分別在太陽能集熱器水溫和廢水取熱裝置內污水溫度較高時開啟。由此，本系統可以靈活地實現單獨供生活熱水、單獨供暖以及供暖兼供生活熱水等模式，同時充分考慮了能源的階梯性，有效提高了系統能源利用率。

2 仿真模型

2.1 模型建立

據2019年中國統計年鑒數據顯示[16]，我國平均家庭規模為2.6人/戶，人均居住面積為36.65 m2，本模擬設定家庭為3人，居住面積為110 m2，室內設置地板輻射采暖系統，住宅建筑模型如圖3所示。按照我國不同氣候分區，分別選取長春、烏魯木齊、西寧、北京以及上海5個城市的近零能耗住宅研究該系統的運行情況，圍護結構能耗參考GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[17]中對不同地區要求的限值。

圖3 住宅建筑模型Fig. 3 Residential building model

該太陽能耦合污水源熱泵系統特性模擬利用TRNSYS平臺搭建計算模型，系統構件主要包括氣象參數(type109)、太陽能集熱器(type1b)、水泵(type3b)、控制器(type2b)以及TRNSYS外接EES (type62)等，由于TRNSYS本身的蓄熱水箱模型不能滿足本系統的水箱及多源熱泵計算需求，基于分層水箱計算原理，借助EES軟件開發了嵌套水箱的計算模型，并通過type62實現兩軟件的鏈接，系統的模型參數設置如表1所示。

表1 系統模型設計參數Tab. 1 System model design parameters

分層水箱數學模型[18]主要包括外水箱模型、內水箱底層盤管預熱模型、內水箱模型、冷凝器模型4個部分。外水箱的數學模型假定由6個完全混合的水箱段組成如圖4所示，則分層水箱中每層的溫度可以通過能量守恒方程進行計算：

圖4 外水箱分層數學模型Fig. 4 Layered mathematical model of outer water tank

(1)

(2)

內水箱底層盤管預熱過程由管內受迫對流傳熱式計算[19]：

(3)

(4)

內水箱同樣存在溫度分層現象，考慮內水箱容積較小，采用集總參數法，用水箱的平均水溫來反應水箱的溫度，熱平衡計算式為：

(5)

冷凝器采用ε-NTU法，計算式為：

(6)

ε=1-e-NTU

(7)

關鍵部件參數的選型對系統運行結果影響較大，由于不同氣候區建筑能耗、氣象條件有較大差異，系統關鍵部件按照氣候分區分別進行選型。其中太陽能集熱器面積對于系統運行的正向影響較大，若按冬季負荷選型，會導致夏季時系統水溫過高造成浪費，因此太陽能集熱器面積按照冬夏二者均值選取，選型結果如表2所示。

表2 5地熱泵系統關鍵部件選型Tab. 2 Selection of key components of heat pump system in five places

根據計算模型，長春、北京、上海、西寧、烏魯木齊的供暖年耗熱量分別為1 916.6、1 978.0、1 927.6、1 649.3、875.9 kW·h；每平方米年耗熱量分別為17.42、17.98、17.52、14.99、7.96 kW·h/(m2·a)；生活熱水負荷為1 325 kW·h占總耗熱量的比例分別為0.41、0.40、0.39、0.45、0.60。

2.2 模型驗證

為保證模型計算結果正確，對模型進行時間步長無關性驗證和實驗驗證。圖5所示為不同時間步長的誤差分析，將系統的模擬計算時間步長分別設定為0.012 5、0.025、0.05、0.1、0.2 h進行計算，結果表明，時間步長為0.2 h的計算結果偏離，0.012 5 h計算結果超過10%，0.1 h的步長計算結果只偏離約5%，因此模型計算的時間步長選取為0.1 h。

圖5 不同時間步長誤差分析Fig. 5 Error analysis of different time steps

為驗證模型，在長春某超低能耗建筑中搭建了如圖6所示的系統實驗臺，并進行供暖及供生活熱水實驗，測試了系統運行時嵌套水箱溫度分層及實際供暖出水溫度等，通過將計算模型參數設置為實驗臺實際參數得到的模擬結果與實驗結果進行對比，驗證計算模型結果的正確性，實驗臺參數設定如表3所示，仿真結果與實驗數據對比如圖7所示。由圖7可知，本模型的計算結果與實驗結果誤差范圍在±5%以內，利用本模型進行模擬計算可以保證仿真結果的可靠性和準確性。

圖6 實驗臺布置Fig. 6 Layout of test bench

表3 實驗設備及運行參數Tab. 3 Experimental equipments and operating parameters

圖7 實驗數據與仿真結果比對Fig. 7 Comparison between experimental data and simulation results

3 系統運行仿真結果及分析

不同氣候區供暖季時間不同，本文模擬計算熱泵系統冬季運行效果時按照當地的供暖起止時間進行設置，并根據當地供暖季氣候變化設定熱水循環流量分級調節以更大程度實現節能，系統夏季作為常規太陽能熱水系統加熱內水箱供水，長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的供暖起止時間及熱水流量設置如表4所示。供暖季運行效果如圖8所示。

表4 供暖季各時段太陽能循環熱水及供暖循環熱水流量設置Tab. 4 Flow setting of solar circulating and heating circulating hot water in each period of heating season

圖8 5地供暖季供暖兼制熱水內外水箱出口溫度隨供暖時長變化Fig. 8 The outlet temperature of internal and external water tanks for heating and domestic hot water in five places varies with heating season

計算結果表明，系統在長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海的平均供暖水溫分別為42.5、40.7、41.6、40.9、40.7 ℃；供生活熱水出口平均溫度(電補熱前)分別為36.2、34.7、34.5、38.2、33.7 ℃；全年實際供熱量為3 401.8、3 302.5、3 252.1、2 973.8、2 200.4 kW·h；供生活熱水熱量為1 325 kW·h；全年共需電補熱量127.0、697.4、228.3、159.6、141.2 kW·h；冬季系統能效比分別為3.68、3.54、3.71、3.61和4.17。

為分析各系統的經濟性，本文采用費用現值法直觀地對比各個系統，計算方法如式(8)。熱泵系統初投資包括太陽能集熱器(350元/m2)、循環水泵(300元)、套管式換熱器(300元)、廢熱回收裝置(1 000元)、熱泵部件(1 100元)、嵌套水箱(4 000元)；天然氣熱水系統與電熱水系統結合市場價格分別設定設備初投資為8 600元與6 080元。結合各地電價及天然氣價格標準，按設備使用年限為10年計算得本系統應用在各地費用現值如表5所示。

PC=CO+CR(P/F,i0,t)

(8)

(P/F,i0,t)=(1+i0)t

由表5可知，本系統在長春、西寧、北京、上海4地經濟優勢顯著。由于烏魯木齊地區天然氣價格優勢顯著(烏魯木齊1.34元/m3；長春2.8元/m3；西寧2.45元/m3；北京2.28元/m3；上海310 m3以內為3元/m3、310～520 m3為3.3元/m3、520 m3以上為4.2元/m3)，經濟上更適用天然氣熱水系統。

表5 5地本系統供暖兼制生活熱水費用現值Tab. 5 Present value of annual operation cost of heating and domestic hot water system in five places

4 結論

結合當前“雙碳”目標，本文提出了一種適用于近零能耗居住建筑的新型太陽能-污水源熱泵供暖系統，基于TRNSYS軟件建立系統的數學模型，并結合實驗數據對模型進行了驗證，基于驗證的模型研究了系統在長春、烏魯木齊、西寧、北京、上海5地近零能耗建筑中供暖兼制熱水的運行效果并進行經濟性分析。得到結論如下：

1)系統在5地的供暖平均溫度均達到40 ℃以上，供生活熱水平均溫度在電補熱前也可以保證在33 ℃以上，系統能效均達到3.5以上；運行效果良好，節能效果顯著。

2)經濟性方面，系統在長春、西寧、北京、上海4地相比傳統的電熱水系統和天然氣熱水系統均具有明顯的經濟優勢，但烏魯木齊地區天然氣價格優勢顯著，經濟上更適用天然氣熱水系統。

符號說明

γi——控制函數

αi——當第i層有源側的流體流入時，αi=1， 否則為0

βi——當第i層有負荷側的流體流入時，βi=1， 否則為0

Mi——第i層流體質量流量， kg/s

Tenv——水箱周圍的環境溫度， ℃

Ti——水箱第i層的平均溫度，℃

Th——能量來源給水箱的進水溫度，℃

U——單位面積能量耗散系數， J/(m2·℃)

Ai——與周圍環境散熱的面積， m2

Qi——輔助加熱設備的加熱量， J

τ——時間， s

c——水的比熱容， J/(kg·℃)

Re——雷諾數

ρ——水的密度， kg/m3

v——管內流體速度， m/s

d——管直徑， m

μ——流體的動力黏度， Pa·s

l——管長度， m

Nu——努塞爾數

h——對流換熱表面傳熱系數， W/(m2·K)

Pr——普朗特數

A——盤管傳熱面積， m2

(Mc)min——換熱器流體中熱容量較小值， W/K

NTU——傳熱單元數

θ——內水箱與外水箱的溫差， ℃

V——內水箱容積， m3

ε——傳熱有效性

PC——費用現值， 元

CO——初投資， 元

CR——年運行費用， 元

P——終值， 元

F——現值， 元

i0——基準折現率， 取8%

t——設備使用年限， 取10年

下標

f——管內

w——管外

0——內水箱