復(fù)合式空氣源熱泵在學(xué)校中應(yīng)用的設(shè)計(jì)分析

李永 句德勝 郭朝輝 朱靜 康雪純

1 河北建研科技有限公司

2 河北建研工程技術(shù)有限公司

0 引言

北方冬季霧霾的產(chǎn)生，燃燒化石能源是很重要的一個(gè)原因，并且，冬季采暖期是霧霾發(fā)生的高峰期，因此，采用清潔能源供暖，可以有效解決空氣污染[1]。住建部2015 年將空氣熱能納入可再生能源應(yīng)用范疇，2016 年多地推行煤改電政策，空氣源熱泵行業(yè)迎來了新的發(fā)展契機(jī)[2]。

學(xué)校建筑在供暖時(shí)，可以分為日間和夜間兩個(gè)時(shí)間段。因此，筆者提出一種適用于學(xué)校建筑的帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)，然后用文獻(xiàn)[3]提出的綜合費(fèi)用最優(yōu)法，即以調(diào)峰比例為自變量，系統(tǒng)全壽命周期綜合費(fèi)用為因變量，確定使全壽命周期綜合費(fèi)用取得最小值時(shí)的最佳調(diào)峰比例。最后將常規(guī)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析，以期為其在學(xué)校及類似建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 建筑負(fù)荷分析及帶調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)介紹

筆者以位于石家莊的某學(xué)校為設(shè)計(jì)對(duì)象，各建筑物的面積及負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況見表1。為簡(jiǎn)化分析，不考慮夏季制冷和生活熱水。經(jīng)與校方管理人員溝通，確定每種類型建筑的采暖時(shí)間，將運(yùn)行時(shí)段分為日間（6:00～21:00）和夜間（21:00～6:00）兩個(gè)階段，不同運(yùn)行時(shí)間負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表1 建筑熱負(fù)荷表

表2 不同運(yùn)行時(shí)段負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

按常規(guī)設(shè)計(jì)思路，需按最大熱負(fù)荷4491.9 kW 來選擇空氣源熱泵機(jī)組。如果考慮生活熱水需求，還得增加機(jī)組數(shù)量。在明確運(yùn)行時(shí)間段后，可以按日間熱負(fù)荷3117.3 kW 選擇機(jī)組臺(tái)數(shù)，夜間和日間共用一部分機(jī)組，其余機(jī)組可以在夜間制取生活熱水。根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的帶有調(diào)峰熱源的復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，日間運(yùn)行機(jī)組還可以設(shè)置一定比例的調(diào)峰熱源，進(jìn)一步減少空氣源熱泵機(jī)組的數(shù)量，最佳調(diào)峰比例的計(jì)算過程見本文下節(jié)。日間和夜間負(fù)荷特點(diǎn)不同，為進(jìn)一步節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，設(shè)置兩套循環(huán)水泵和兩套循環(huán)管路。系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖見圖1。

復(fù)合系統(tǒng)日間運(yùn)行時(shí)，開啟日間循環(huán)水泵3，電磁閥7，電磁閥9，其他電磁閥關(guān)閉。夜間運(yùn)行時(shí)，開啟夜間循環(huán)水泵，電磁閥8，電磁閥10，其他電磁閥關(guān)閉。

2 最佳調(diào)峰比例計(jì)算

2.1 日間運(yùn)行建筑逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)表1 提供的熱負(fù)荷值，采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[4]中的逐時(shí)氣象參數(shù)，可根據(jù)式（1）求出逐時(shí)負(fù)荷值，采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取20 ℃，采暖室外計(jì)算溫度為-6.2 ℃。

式中：Qr,s為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；tn為冬季采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；ts為冬季采暖室外計(jì)算溫度，℃；Qr,a為室外溫度為ta時(shí)的逐時(shí)熱負(fù)荷，kW。

寒假時(shí)間為1 月15 日-2 月15 日，采暖期11 月15 日-次年3 月15 日的日間運(yùn)行建筑熱負(fù)荷逐時(shí)值柱狀圖見圖2。

圖2 日間運(yùn)行建筑熱負(fù)荷逐時(shí)值柱狀圖

由圖2 可知，日間運(yùn)行建筑的逐時(shí)熱負(fù)荷最大值為3117.30 kW，并且逐時(shí)熱負(fù)荷值出現(xiàn)在最大熱負(fù)荷附近的持續(xù)時(shí)間較短。

2.2 機(jī)組選型及性能曲線擬合

機(jī)組選用某品牌FS-L-R60D 模塊式風(fēng)冷式冷水（熱泵）機(jī)組（低溫型），該機(jī)組可在-25 ℃正常工作，名義制熱工況（環(huán)境溫度7 ℃（干球溫度）/6 ℃（濕球溫度），供/回水溫度45 ℃/40 ℃）下的制熱量為70 kW，輸入功率為19.9 kW。為了便于分析，將樣本所給出的該機(jī)組運(yùn)行性能數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，制熱量和COP 擬合曲線分別見圖3 和圖4。

圖3 制熱量擬合曲線

圖4 COP 擬合曲線

根據(jù)圖3 和圖4，分別擬合出關(guān)聯(lián)環(huán)境溫度t 的制熱量Q 和COP 的表達(dá)式（2）和（3），擬合度R2分別為0.9996 和0.9945。

式中：Q 為空氣源熱泵機(jī)組制熱量，kW；t 為室外環(huán)境溫度，℃。

式中：COP為空氣源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)，無量綱；t為室外環(huán)境溫度，℃。

項(xiàng)目所在地石家莊的供暖室外計(jì)算溫度為-6.2 ℃[5]，由式（2）可得，當(dāng)t 為-6.2 ℃，機(jī)組制熱量Q應(yīng)修正為55.12 kW，然后根據(jù)空氣源熱泵機(jī)組須承擔(dān)的負(fù)荷即可計(jì)算出機(jī)組總臺(tái)數(shù)。

2.3 不同調(diào)峰比例下系統(tǒng)全壽命周期綜合費(fèi)用分析

調(diào)峰熱源采用電鍋爐，在調(diào)峰比例為0～40%時(shí)，計(jì)算日間運(yùn)行復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)全壽命周期綜合費(fèi)用（初投資+10 年運(yùn)行費(fèi)用），以綜合費(fèi)用最小時(shí)的調(diào)峰比例為最佳值。分析時(shí)，不考慮維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、管網(wǎng)和循環(huán)水泵等在具有相同初投資與運(yùn)行費(fèi)用的部分，假設(shè)系統(tǒng)壽命為10 年，熱泵機(jī)組初投資為7.2萬元/臺(tái)，電鍋爐初投資為580 元/kW，電價(jià)為0.55 元/kWh。

將按式（1）計(jì)算的日間逐時(shí)負(fù)荷作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合式（3）可求出機(jī)組逐時(shí)COP，系統(tǒng)總耗電量為熱泵機(jī)組耗電量與電鍋爐耗電量之和，考慮到輸送管網(wǎng)的熱損失及熱力失調(diào)，將按以上步驟計(jì)算出的結(jié)果乘以1.1 的放大系數(shù)。在上述條件下，日間運(yùn)行復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)在不同調(diào)峰比例下的系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用分析見表3，不同調(diào)峰比例下各項(xiàng)費(fèi)用變化曲線見圖5。

圖5 日間運(yùn)行復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用變化曲線

由表3 及圖5 可以看出，當(dāng)調(diào)峰比例在0～40%范圍變化時(shí)，初投資逐漸減小，變化曲線呈現(xiàn)出固定的斜率。但運(yùn)行費(fèi)用逐漸增大，尤其是調(diào)峰比例大于15%以后，增加的趨勢(shì)較為明顯。全壽命周期綜合費(fèi)用呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在本次分析中，日間運(yùn)行復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)的最佳調(diào)峰比例為15%，此時(shí)的綜合費(fèi)用為943.10 萬元，相比不調(diào)峰系統(tǒng)的綜合費(fèi)用（957.60 萬元）降低了14.50 萬元。

對(duì)于日間采暖的建筑，采用電鍋爐+空氣源熱泵的復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)于夜間采暖的建筑，完全由空氣源熱泵機(jī)組承擔(dān)即可。在明確設(shè)計(jì)思路后，將常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)與帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行初投資與運(yùn)行費(fèi)用比較，計(jì)算常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，由于沒有明確各建筑的具體運(yùn)行時(shí)間，如果按連續(xù)運(yùn)行計(jì)算，會(huì)造成費(fèi)用過高，使結(jié)果不具有可比性，因此采用與復(fù)合系統(tǒng)相同的逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。常規(guī)系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用分析結(jié)果見表4。

表4 常規(guī)系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用分析

由表4 可以看出，對(duì)于本項(xiàng)目，帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)初投資為393.37萬元，比常規(guī)系統(tǒng)初投資（598.00 萬元）降低204.63 萬元，降低幅度約為34.3%。復(fù)合系統(tǒng)年運(yùn)行總運(yùn)行費(fèi)用為95.91 萬元，比常規(guī)系統(tǒng)（99.07 萬元）降低3.16 萬元，降低幅度約為3.2%。并且，由于復(fù)合系統(tǒng)采用了雙泵雙通道系統(tǒng)，日間和夜間各設(shè)置一套循環(huán)水泵，其年運(yùn)行費(fèi)用為9.48 萬元，比常規(guī)系統(tǒng)（14.95 萬元）降低5.47 萬元，降低幅度約為36.6%。對(duì)于具體項(xiàng)目，需要根據(jù)項(xiàng)目具體情況確定輸入?yún)?shù)，比如當(dāng)?shù)貧庀髼l件、建筑群的采暖時(shí)間、電價(jià)、擬采用的機(jī)組性能參數(shù)和機(jī)組價(jià)格等確定最佳方案。

3 結(jié)論

1）根據(jù)學(xué)校建筑的負(fù)荷特點(diǎn)及使用情況，為降低空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用，可采用帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)，并舉例說明了系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法。

2）對(duì)于本項(xiàng)目，在限定條件下的計(jì)算結(jié)果表明，帶有調(diào)峰熱源的雙泵雙通道復(fù)合式空氣源熱泵系統(tǒng)初投資比常規(guī)系統(tǒng)初投資降低幅度約為34.3%。總運(yùn)行費(fèi)用降低幅度約為3.2%，循環(huán)水泵運(yùn)行費(fèi)用降低幅度約為36.6%。

3）對(duì)于具體項(xiàng)目，可根據(jù)項(xiàng)目具體情況確定各項(xiàng)輸入?yún)?shù)后，采用筆者提出的方法確定最佳設(shè)計(jì)方案。