熱網(wǎng)與太陽能地源熱泵系統(tǒng)運行的初步分析

趙 攀 何志強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150036)

隨著我國“十三五”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，如何盡可能大程度地利用現(xiàn)有能源，使之發(fā)揮最大效用，同時又給環(huán)境帶來盡可能小的影響，目前已成為各個能源領(lǐng)域?qū)＜抑攸c研究的課題。城市的快速建設(shè)，高層建筑的不斷出現(xiàn)，建筑的熱負(fù)荷不斷增大，使得單一熱源系統(tǒng)供熱形式因其往往不能滿足當(dāng)今時代對能源最大利用的需要而有被各種復(fù)合式能源供熱系統(tǒng)替代的跡象。各種多熱源復(fù)合式聯(lián)合供熱系統(tǒng)開始相繼出現(xiàn)，本文基于在大學(xué)期間所做的國家級創(chuàng)新項目，就熱網(wǎng)與太陽能—地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱形式展開初步的分析。

1 電鍋爐蓄熱與太陽能聯(lián)合供熱的不足

之前為適應(yīng)國家“煤改電”政策的實施，考慮改用煤為用電來調(diào)整能源結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)變能源使用方式，采用蓄熱電鍋爐與太陽能聯(lián)合供熱，但是隨著項目研究的不斷進(jìn)行，許多問題也浮現(xiàn)出來。根據(jù)實際模擬和專家經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)相變式蓄熱電鍋爐存在一定的不合理性。2017年10月在山西太原舉行的第七屆建筑環(huán)境與能源應(yīng)用技術(shù)交流大會上，討論分析了關(guān)于電熱經(jīng)濟(jì)性的問題。以華北地區(qū)較好的農(nóng)宅為例，冬季最大熱負(fù)荷為60 W/m2,冬季總的供熱量為80 kWh/m2。如果直接采用電采暖，則整個冬季耗電量為80 kWh/m2。如果采用燃?xì)獗趻鞝t，則整個冬季用氣8 Nm3/m2。如果采用空氣源熱泵加熱風(fēng)，則整個冬季用電30 kWh/m2。如果電價0.5元/kWh,氣價2.5元/Nm3,則直接電采暖的成本為40元/m2,燃?xì)獗趻鞝t的成本為20元/m2，空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的成本為15元/m2。這樣一計算，熱泵的投資在90元/m2,即使直接電采暖無初裝成本，熱泵也可以四年內(nèi)回收其初裝成本。相比來看，采用熱泵比采用電鍋爐還是要相對經(jīng)濟(jì)。然而還有一個問題，空氣源熱泵與地源熱泵相比，理論技術(shù)沒有地源熱泵成熟，綜合考慮，還是采用地源熱泵。

2 從地源熱泵系統(tǒng)到太陽能—地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵是一種高效節(jié)能的新型能源利用設(shè)備，因其具有可再生性，高效節(jié)能并且運行成本又低等多種特點而展示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α５卦礋岜酶拍钜唤?jīng)提出，就得到了人們廣大的認(rèn)可和贊賞。在早期，人們開始初步接觸地源熱泵，利用地源熱泵從淺層土壤提取熱量，實現(xiàn)了從低位能源提取熱量的過程，并且不污染環(huán)境，在當(dāng)時被認(rèn)為是最有發(fā)展空間的空氣調(diào)節(jié)技術(shù)[1]，但是隨著人們對地源熱泵的大量后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，地源熱泵其實也存在著一個很大的缺陷，我們利用地源熱泵長期從土壤里提取熱量，使得土壤溫度得不到及時有效的恢復(fù)，打破了土壤原有的熱平衡，長此以往，不僅會對土壤有很大的危害，而且也會導(dǎo)致熱泵蒸發(fā)器溫度有很大的波動，從而使得熱泵的運行效率大大降低。基于此種缺陷，人們花了很多精力來研究地源熱泵運行時如何向土壤補(bǔ)充熱量。隨著研究不斷的開展進(jìn)行，后來又有人提出了一種新型的供熱系統(tǒng)——太陽能—地源熱泵系統(tǒng)。

3 太陽能—地源熱泵系統(tǒng)的提出

太陽能和地源熱泵都是很好的可再生能源利用形式，但是它們都有各自的優(yōu)缺點。太陽能集熱器可以將太陽能轉(zhuǎn)化為水的熱能將其放置在儲水箱中以實現(xiàn)蓄熱，并且投資較小，使用年限較長，但是其受天氣季節(jié)影響較大，系統(tǒng)并不穩(wěn)定。后來結(jié)合它們各自的優(yōu)缺點，Peneriod在1955年率先提出太陽能—地源熱泵的概念，其主要思想是結(jié)合太陽能集熱器和土壤換熱器于一體應(yīng)用在熱泵系統(tǒng)中，首先太陽能通過集熱器把熱量儲存在土壤中，然后地源熱泵再從土壤中取熱[2]。這樣一來，有效地緩解了熱不平衡的問題。后來，在此基礎(chǔ)上，各種研究也開始不斷進(jìn)行。國內(nèi)的一些著名高校天津大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，東南大學(xué)，河北工業(yè)大學(xué)等也陸續(xù)的進(jìn)行了一些研究[3-5]獲得了相應(yīng)的成果，使得太陽能—地源熱泵系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

4 熱網(wǎng)與太陽能—地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)的構(gòu)建

雖然太陽能—地源熱泵能解決土壤源補(bǔ)熱問題，但是太陽能畢竟還是一種不穩(wěn)定的清潔能源，在陰雨天氣及晚上，太陽能就不能通過集熱器來給土壤源蓄熱。假如連續(xù)遇上多雨，多云的天氣，這種供熱方式勢必滿足不了用戶所需熱量的需求。因此后來又有人提出了一種熱網(wǎng)和太陽能—地源熱泵復(fù)合式多能源供熱系統(tǒng)。在供暖季節(jié)，每一階段建筑的熱負(fù)荷有很大的差異，它隨著室外溫度的變化而不斷變化，但是總體呈現(xiàn)的大致規(guī)律是在供暖的前期和末期熱負(fù)荷較小，中期熱負(fù)荷達(dá)到最大。因此，有人就構(gòu)想出一種以熱網(wǎng)為主要供熱形式，太陽能—地源熱泵系統(tǒng)為輔助供熱形式來進(jìn)行供熱，熱網(wǎng)是目前我國城市集中供熱的最穩(wěn)定，最成熟系統(tǒng)。熱網(wǎng)與太陽能—地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)即以熱網(wǎng)為主要供熱形式，太陽能—地源熱泵系統(tǒng)為輔助，承擔(dān)熱負(fù)荷的一部分，來緩解熱網(wǎng)的運行壓力。在供暖的初末期熱負(fù)荷較小時可以完全只利用相較于熱網(wǎng)更廉價節(jié)能簡單的太陽能—地源熱泵系統(tǒng)來進(jìn)行供熱。這樣一來，一方面我們達(dá)到建筑供熱控制溫度的目的，另一方面，我們又采用清潔的可再生資源，減少了熱網(wǎng)運行所需要的化石能源的消耗，以及使用化石能源過程中所產(chǎn)生的對環(huán)境的污染。

5 熱網(wǎng)與太陽能—地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)的工作過程

該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器,地下土壤蓄熱槽，土壤換熱器，熱泵機(jī)組，熱網(wǎng)組成。其基本運行過程為：在非供暖季節(jié)，太陽能集熱器將收集起來的太陽能給蓄水箱里的水加熱，之后再通過地埋管換熱機(jī)組，將水箱里水的熱能儲存在土壤里，此過程中，如果地埋管的進(jìn)口溫度小于其出口溫度，則該過程為吸熱過程，反之，為放熱過程。其循環(huán)過程為：地埋管出口的循環(huán)介質(zhì)進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，放出熱量后，溫度低的循環(huán)介質(zhì)又回到水箱。在供暖初末期，可以采用此種形式供熱，如果熱泵冷凝器出口滿足不了用戶的供熱需求，則將太陽能—地源熱泵，熱網(wǎng)同時運行，使用熱網(wǎng)進(jìn)行二次加熱使之滿足要求。這種復(fù)合式能源供熱系統(tǒng)的最大好處就在于一方面最大限度的減少了化石燃料的消耗，充分地利用了太陽能，降低了環(huán)境污染。另一方面可以達(dá)到為熱網(wǎng)“削峰”的作用，減少了熱網(wǎng)的負(fù)荷。值得說明的是太陽能集熱器的面積不能隨意增加，應(yīng)根據(jù)各個地區(qū)氣候特點的不同，經(jīng)過進(jìn)一步的研究確定其最佳集熱器面積大小。

6 結(jié)語

本文通過對蓄熱電鍋爐—太陽能復(fù)合供熱到對熱網(wǎng)與太陽能—地源熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程的闡述，初步分析了后者相比前者更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)，可以作為一種新的多熱源復(fù)合式供熱系統(tǒng)來進(jìn)行研究。但是本文還只是停留在理論分析的層面上，并沒有做出進(jìn)一步深的研究。關(guān)于系統(tǒng)中地源熱泵多機(jī)組運行策略的優(yōu)化以及全生命周期的研究和長周期工況穩(wěn)定運行問題還需要通過TRNSYS軟件的仿真模擬來實現(xiàn)。至于該系統(tǒng)最后究竟能否被推廣應(yīng)用，還需要廣大研究學(xué)者做出進(jìn)一步的研究。