復合式空氣源熱泵在學校中應用的設計分析

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 河北建研工程技術有限公司

0 引言

北方冬季霧霾的產生，燃燒化石能源是很重要的一個原因，并且，冬季采暖期是霧霾發生的高峰期，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用范疇，2016 年多地推行煤改電政策，空氣源熱泵行業迎來了新的發展契機[2]。

學校建筑在供暖時，可以分為日間和夜間兩個時間段。因此，筆者提出一種適用于學校建筑的帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統，然后用文獻[3]提出的綜合費用最優法，即以調峰比例為自變量，系統全壽命周期綜合費用為因變量，確定使全壽命周期綜合費用取得最小值時的最佳調峰比例。最后將常規系統和復合系統各項費用進行對比分析，以期為其在學校及類似建筑中的優化設計提供參考。

1 建筑負荷分析及帶調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統介紹

筆者以位于石家莊的某學校為設計對象，各建筑物的面積及負荷統計情況見表1。為簡化分析，不考慮夏季制冷和生活熱水。經與校方管理人員溝通，確定每種類型建筑的采暖時間，將運行時段分為日間（6:00～21:00）和夜間（21:00～6:00）兩個階段，不同運行時間負荷統計結果見表2。

表1 建筑熱負荷表

表2 不同運行時段負荷統計結果

圖1 帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合空氣源熱泵系統運行原理圖

按常規設計思路，需按最大熱負荷4491.9 kW 來選擇空氣源熱泵機組。如果考慮生活熱水需求，還得增加機組數量。在明確運行時間段后，可以按日間熱負荷3117.3 kW 選擇機組臺數，夜間和日間共用一部分機組，其余機組可以在夜間制取生活熱水。根據文獻[3]提出的帶有調峰熱源的復合式空氣源熱泵系統設計方法，日間運行機組還可以設置一定比例的調峰熱源，進一步減少空氣源熱泵機組的數量，最佳調峰比例的計算過程見本文下節。日間和夜間負荷特點不同，為進一步節約運行費用，設置兩套循環水泵和兩套循環管路。系統的運行原理圖見圖1。

復合系統日間運行時，開啟日間循環水泵3，電磁閥7，電磁閥9，其他電磁閥關閉。夜間運行時，開啟夜間循環水泵，電磁閥8，電磁閥10，其他電磁閥關閉。

2 最佳調峰比例計算

2.1 日間運行建筑逐時熱負荷計算

根據表1 提供的熱負荷值，采用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[4]中的逐時氣象參數，可根據式（1）求出逐時負荷值，采暖室內設計溫度取20 ℃，采暖室外計算溫度為-6.2 ℃。

式中：Qr,s為設計熱負荷，kW；tn為冬季采暖室內設計溫度，℃；ts為冬季采暖室外計算溫度，℃；Qr,a為室外溫度為ta時的逐時熱負荷，kW。

寒假時間為1 月15 日-2 月15 日，采暖期11 月15 日-次年3 月15 日的日間運行建筑熱負荷逐時值柱狀圖見圖2。

圖2 日間運行建筑熱負荷逐時值柱狀圖

由圖2 可知，日間運行建筑的逐時熱負荷最大值為3117.30 kW，并且逐時熱負荷值出現在最大熱負荷附近的持續時間較短。

2.2 機組選型及性能曲線擬合

機組選用某品牌FS-L-R60D 模塊式風冷式冷水（熱泵）機組（低溫型），該機組可在-25 ℃正常工作，名義制熱工況（環境溫度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組運行性能數據進行擬合，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

根據圖3 和圖4，分別擬合出關聯環境溫度t 的制熱量Q 和COP 的表達式（2）和（3），擬合度R2分別為0.9996 和0.9945。

式中：Q 為空氣源熱泵機組制熱量，kW；t 為室外環境溫度，℃。

式中：COP為空氣源熱泵機組制熱性能系數，無量綱；t為室外環境溫度，℃。

項目所在地石家莊的供暖室外計算溫度為-6.2 ℃[5]，由式（2）可得，當t 為-6.2 ℃，機組制熱量Q應修正為55.12 kW，然后根據空氣源熱泵機組須承擔的負荷即可計算出機組總臺數。

2.3 不同調峰比例下系統全壽命周期綜合費用分析

調峰熱源采用電鍋爐，在調峰比例為0～40%時，計算日間運行復合式空氣源熱泵系統全壽命周期綜合費用（初投資+10 年運行費用），以綜合費用最小時的調峰比例為最佳值。分析時，不考慮維護保養費用、管網和循環水泵等在具有相同初投資與運行費用的部分，假設系統壽命為10 年，熱泵機組初投資為7.2萬元/臺，電鍋爐初投資為580 元/kW，電價為0.55 元/kWh。

將按式（1）計算的日間逐時負荷作為基礎數據，結合式（3）可求出機組逐時COP，系統總耗電量為熱泵機組耗電量與電鍋爐耗電量之和，考慮到輸送管網的熱損失及熱力失調，將按以上步驟計算出的結果乘以1.1 的放大系數。在上述條件下，日間運行復合式空氣源熱泵系統在不同調峰比例下的系統各項費用分析見表3，不同調峰比例下各項費用變化曲線見圖5。

圖5 日間運行復合式空氣源熱泵系統各項費用變化曲線

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

對于日間采暖的建筑，采用電鍋爐+空氣源熱泵的復合系統，對于夜間采暖的建筑，完全由空氣源熱泵機組承擔即可。在明確設計思路后，將常規空氣源熱泵系統與帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統進行初投資與運行費用比較，計算常規系統運行費用時，由于沒有明確各建筑的具體運行時間，如果按連續運行計算，會造成費用過高，使結果不具有可比性，因此采用與復合系統相同的逐時負荷進行計算。常規系統與復合系統各項費用分析結果見表4。

表4 常規系統與復合系統各項費用分析

由表4 可以看出，對于本項目，帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統初投資為393.37萬元，比常規系統初投資（598.00 萬元）降低204.63 萬元，降低幅度約為34.3%。復合系統年運行總運行費用為95.91 萬元，比常規系統（99.07 萬元）降低3.16 萬元，降低幅度約為3.2%。并且，由于復合系統采用了雙泵雙通道系統，日間和夜間各設置一套循環水泵，其年運行費用為9.48 萬元，比常規系統（14.95 萬元）降低5.47 萬元，降低幅度約為36.6%。對于具體項目，需要根據項目具體情況確定輸入參數，比如當地氣象條件、建筑群的采暖時間、電價、擬采用的機組性能參數和機組價格等確定最佳方案。

3 結論

1）根據學校建筑的負荷特點及使用情況，為降低空氣源熱泵系統的初投資及運行費用，可采用帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統，并舉例說明了系統的具體設計方法。

2）對于本項目，在限定條件下的計算結果表明，帶有調峰熱源的雙泵雙通道復合式空氣源熱泵系統初投資比常規系統初投資降低幅度約為34.3%。總運行費用降低幅度約為3.2%，循環水泵運行費用降低幅度約為36.6%。

3）對于具體項目，可根據項目具體情況確定各項輸入參數后，采用筆者提出的方法確定最佳設計方案。