高海拔地區(qū)太陽能與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)適用性分析

劉 軒，高 潮，鄧文婷，鄧旭艷，姚 戈

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司西南指揮部，成都 610036)

0 前 言

目前中國(guó)北方城鎮(zhèn)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?xì)獾炔豢稍偕茉刺峁稍斐杉s10億噸二氧化碳排放量[1]。在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的雙碳發(fā)展目標(biāo)要求下，如何在保障居住環(huán)境熱舒適性和系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)碳中和所面臨的重要問題。

我國(guó)西部高原一般海拔在3 000～5 000 m，冬季極端寒冷且漫長(zhǎng)，高原腹地年平均溫度在0 ℃以下, 屬于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)[2-3]。當(dāng)?shù)孛簹庥偷瘸Ｒ?guī)能源匱乏，但太陽能等可再生能源極為豐富，日照時(shí)數(shù)在3 000 h以上[4]。此外，當(dāng)?shù)亟ㄖ^大多數(shù)為中低層建筑，總體建筑密度較低且布局相對(duì)分散，不宜推廣集中供暖系統(tǒng)。因此與北方寒冷地區(qū)采用常規(guī)能源的傳統(tǒng)供暖方式不同，高原獨(dú)特的氣候條件和建筑形式?jīng)Q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(duì)于高海拔地區(qū)建筑的太陽能供暖設(shè)計(jì)，可通過建立太陽能光熱系統(tǒng)或光熱光電聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并借助一定規(guī)模和方式的熱蓄調(diào)系統(tǒng)[5-6]，解決高原建筑供暖問題。眾多學(xué)者對(duì)高原地區(qū)各類建筑采用可再生能源供暖系統(tǒng)的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了廣泛而深入的研究。夏洪濤等[7]通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高原機(jī)場(chǎng)太陽能-水源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的太陽能貢獻(xiàn)率等參數(shù)進(jìn)行分析比較，可得每個(gè)運(yùn)行年度內(nèi)該聯(lián)合供暖系統(tǒng)比水源熱泵單獨(dú)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(tǒng)于西藏曲水縣實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和適用性，結(jié)果表明與燃?xì)忮仩t和電加熱鍋爐相比，該系統(tǒng)單個(gè)供暖季可節(jié)省257.36 t標(biāo)準(zhǔn)煤。李玥等[9]利用TRNSYS軟件對(duì)西藏日喀則市某公共建筑采用太陽能供暖系統(tǒng)進(jìn)行建模并優(yōu)化，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可使建筑日耗電量降低26.7 %。此外，江億等[10]和胡曉東[11]結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和能源環(huán)境現(xiàn)狀，以拉薩市為例探討了西藏地區(qū)各種太陽能供暖利用技術(shù)的適用性與經(jīng)濟(jì)性。在眾多太陽能輔助供暖利用技術(shù)中，空氣源熱泵作為一種高效率的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，與太陽能供暖技術(shù)結(jié)合可提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。劉艷峰等[12]對(duì)川西高山峽谷區(qū)以空氣源熱泵為主的多元互補(bǔ)供熱方案進(jìn)行對(duì)比分析，為當(dāng)?shù)乜諝庠礋岜霉嵯到y(tǒng)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。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(tǒng)的運(yùn)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(duì)多種能源形式互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)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(lián)合供暖模型，對(duì)不同集熱場(chǎng)面積和輔助熱源容量條件下系統(tǒng)的運(yùn)行能耗、太陽能保證率等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析,為高原高寒地區(qū)多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 太陽能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

太陽能光熱與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能集熱場(chǎng)、熱交換器、光伏發(fā)電場(chǎng)、穩(wěn)壓逆變器以及空氣源熱泵等組成。集熱工質(zhì)經(jīng)太陽能集熱器加熱后進(jìn)入板式換熱器，加熱熱用戶的回水進(jìn)而向用熱末端供暖。另設(shè)光伏發(fā)電場(chǎng)，可將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)熱交換器出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，穩(wěn)壓逆變器將蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜眯枰慕涣麟姡源蓑?qū)動(dòng)熱泵為用戶輔助供暖。

圖1 太陽能與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

此系統(tǒng)技術(shù)成熟，集熱效率高。對(duì)于高原地區(qū)強(qiáng)輻射及陰雨天少等特殊氣象條件，該供暖系統(tǒng)更有利于實(shí)現(xiàn)完全太陽能供暖，即接近100%的太陽能保證率。

2 系統(tǒng)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(tǒng)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(duì)該典型建筑供暖負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 太陽能光熱與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型

使用TRNSYS 18建立“太陽能光熱+空氣源熱泵”系統(tǒng)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(shù)學(xué)模型如下所示。

(1)太陽能光熱組件

太陽能集熱場(chǎng)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(chǎng)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(huán)境溫度下集熱器熱損失系數(shù)，W/(m2·K)-1；Tave為集熱場(chǎng)平均溫度，℃；Tamb為目標(biāo)溫度，℃；α2為集熱器熱損失系數(shù)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(guān)，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(shù)，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(fā)器中制冷劑蒸發(fā)溫度，℃。蒸發(fā)溫度與環(huán)境空氣溫度Ta的關(guān)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(qū)傳統(tǒng)建筑形式緊湊，平面呈矩形，布局簡(jiǎn)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(jìn)深，以便更好地收集太陽熱量。層高一般在2.2～2.6 m[16]，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的2.8～3.0 m，可縮短空氣循環(huán)路徑，維持人員活動(dòng)區(qū)的熱舒適性。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料主要為當(dāng)?shù)匾撰@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(shí)現(xiàn)有效蓄熱，減少晝間太陽輻射強(qiáng)和夜間室外溫度低造成的室內(nèi)溫度波動(dòng)。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(tái)[16]。此外，通過天井或庭院等半開放空間的煙囪效應(yīng)可改善室內(nèi)通風(fēng)。

依據(jù)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(duì)其供暖熱負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，為“太陽能光熱+空氣源熱泵”供暖系統(tǒng)的高原適用性分析提供數(shù)據(jù)支撐，其中各計(jì)算參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)[17-19]中相關(guān)規(guī)定選取(見表 1)。

表1 建筑供暖負(fù)荷計(jì)算相關(guān)參數(shù)

拉薩、林芝和昌都地區(qū)室外計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 供暖負(fù)荷室外計(jì)算參數(shù)

3 系統(tǒng)運(yùn)行地域特性分析

3.1 建筑熱負(fù)荷特性分析

選取前述建立的高原典型建筑模型為研究對(duì)象，利用EnergyPlus軟件分別計(jì)算拉薩、林芝和昌都地區(qū)供暖季內(nèi)建筑熱負(fù)荷[20]，并對(duì)比分析建筑外墻無保溫和增加60 mm保溫層的熱負(fù)荷差異。如圖3～5所示，各地區(qū)供暖季條件下典型建筑的熱負(fù)荷均為先增加后降低趨勢(shì)，其中月平均熱負(fù)荷和日平均熱負(fù)荷最大值均出現(xiàn)在1月，而累計(jì)供暖能耗在供暖季期間不斷遞增，但增長(zhǎng)率先增加后減小。拉薩地區(qū)供暖季期間，增加保溫層前后建筑熱負(fù)荷總體變化趨勢(shì)基本一致，且熱負(fù)荷峰值出現(xiàn)時(shí)間段相同(見圖3)。但采用60 mm厚度保溫層后，建筑熱負(fù)荷相比無保溫工況出現(xiàn)明顯降低，最大可降低11.61 W/m2。對(duì)于整個(gè)供暖季而言，建筑無保溫和增加60 mm保溫層的累計(jì)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(qū)供暖季熱負(fù)荷及累計(jì)供暖能耗

增加保溫層前后林芝地區(qū)建筑供暖季熱負(fù)荷的總體變化趨勢(shì)基本一致，日平均熱負(fù)荷峰值均出現(xiàn)在2月，較拉薩地區(qū)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(fù)荷存在一定程度降低，日平均熱負(fù)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(jì)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(qū)供暖季熱負(fù)荷及累計(jì)供暖能耗

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

圖5 昌都地區(qū)供暖季熱負(fù)荷及累計(jì)供暖能耗

因此，對(duì)于西部高海拔地區(qū)典型建筑而言，通過增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層等手段能有效降低建筑熱負(fù)荷，隨后可基于此對(duì)“太陽能光熱+空氣源熱泵”等供暖系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而在滿足建筑供暖需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行。

3.2 太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)采暖能力分析

根據(jù)前述典型建筑增加保溫層后的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，通過所建立的“太陽能光熱+空氣源熱泵”供暖系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行于拉薩、林芝和昌都地區(qū)氣候條件下的太陽能保證率進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而分析該系統(tǒng)在高原條件下的用能保障性。

當(dāng)供暖系統(tǒng)所配備集熱場(chǎng)的面積不同時(shí)，太陽能光熱系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)分別供給建筑的熱量會(huì)不同，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的太陽能保證率發(fā)生變化(見圖6～8)。如圖6所示，對(duì)于拉薩地區(qū)而言，隨著集熱場(chǎng)面積由10 m2增加到55 m2，太陽能光熱系統(tǒng)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(dāng)該典型建筑配有55 m2集熱場(chǎng)時(shí)，太陽能保證率可達(dá)99.28 %，此時(shí)太陽能集熱場(chǎng)供熱量可基本滿足建筑供暖需求。

圖6 拉薩地區(qū)系統(tǒng)太陽能保證率隨集熱場(chǎng)面積變化

當(dāng)林芝地區(qū)典型建筑采用該系統(tǒng)時(shí)，隨著太陽能集熱場(chǎng)面積的增加，光熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量的變化趨勢(shì)與拉薩地區(qū)基本一致(見圖7)。當(dāng)系統(tǒng)集熱場(chǎng)面積僅為15 m2時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的供熱量可達(dá)3 382.48 kWh，而太陽能光熱系統(tǒng)供熱量?jī)H為233.70 kWh；當(dāng)集熱場(chǎng)面積增加為55 m2時(shí)，光熱系統(tǒng)向典型建筑的供熱量增加至3 520.48 kWh，此時(shí)系統(tǒng)的太陽能保證率可達(dá)97.35 %。此外，當(dāng)該典型建筑配有25 m2面積的集熱場(chǎng)時(shí)，太陽能光熱系統(tǒng)的供熱量(1 593.09 kWh)與空氣源熱泵系統(tǒng)(2 023.10 kWh)差值最小。

圖7 林芝地區(qū)系統(tǒng)太陽能保證率隨集熱場(chǎng)面積變化

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

圖8 昌都地區(qū)系統(tǒng)太陽能保證率隨集熱場(chǎng)面積變化

3.3 太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)集熱場(chǎng)面積增加到一定程度后，系統(tǒng)的太陽能保證率可達(dá)到接近100%的程度，幾乎不使用外接電源而獨(dú)立使用太陽能系統(tǒng)供暖，但是過大的集熱場(chǎng)面積勢(shì)必造成初投資的增加，而且集熱場(chǎng)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(jì)算不同集熱場(chǎng)面積條件下對(duì)應(yīng)的投資回收期，以此確定最佳的集熱場(chǎng)面積。

拉薩地區(qū)典型建筑熱負(fù)荷總計(jì)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(jī)組一臺(tái)，價(jià)格為32 100元。太陽能集熱場(chǎng)造價(jià)按每平方米460元計(jì)算，拉薩地區(qū)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為每千瓦時(shí)0.5元，計(jì)算不同集熱場(chǎng)面積條件下的投資回收期如表3所示，可知當(dāng)集熱場(chǎng)面積為25 m2時(shí)投資回收期最短為4 a，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

表3 拉薩地區(qū)不同集熱場(chǎng)面積下的投資回收期

靈芝地區(qū)典型建筑熱負(fù)荷總計(jì)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(jī)組一臺(tái)，價(jià)格為29 500元。太陽能集熱場(chǎng)造價(jià)按每平方米460元計(jì)算，林芝地區(qū)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為每千瓦時(shí)0.5元，計(jì)算不同集熱場(chǎng)面積條件下的投資回收期如表4所示，可知當(dāng)集熱場(chǎng)面積為35 m2時(shí)投資回收期最短為7.5 a，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

表4 林芝地區(qū)不同集熱場(chǎng)面積下的投資回收期

昌都地區(qū)典型建筑熱負(fù)荷總計(jì)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(jī)組一臺(tái)，價(jià)格為33 200元。太陽能集熱場(chǎng)造價(jià)按460元/m2計(jì)算，昌都地區(qū)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.48元/kWh，計(jì)算不同集熱場(chǎng)面積條件下的投資回收期如表5所示，可知當(dāng)集熱場(chǎng)面積為45 m2時(shí)投資回收期最短為4.6 a，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

表5 昌都地區(qū)不同集熱場(chǎng)面積下的投資回收期

4 結(jié) 論

本文以拉薩、林芝和昌都為例，對(duì)所建立高原典型建筑模型的供暖季熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)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(lián)合供暖系統(tǒng)的高原適用性，形成結(jié)論如下：

(1)通過合理增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度，可有效降低高原典型建筑的熱負(fù)荷和供暖季累計(jì)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(fù)荷分別降低11.61、11.26、12.27 W/m2，供暖季累計(jì)供暖能耗分別減少42.16%、43.64%、37.12%。

(2)隨著集熱場(chǎng)面積增加，太陽能光熱系統(tǒng)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(tǒng)太陽能保證率逐漸增大，但增長(zhǎng)速率逐漸變緩。當(dāng)拉薩、林芝和昌都的集熱場(chǎng)面積分別達(dá)到55 m2、55 m2、75 m2時(shí)，系統(tǒng)太陽能保證率分別可達(dá)99.28%、97.35%、96.65%，基本實(shí)現(xiàn)依靠太陽能資源獨(dú)立供暖。

(3)過大的集熱場(chǎng)面積雖然能基本實(shí)現(xiàn)依靠太陽能資源獨(dú)立供暖，但不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。當(dāng)拉薩、林芝和昌都的集熱場(chǎng)面積分別達(dá)到25、35、45 m2時(shí)均可取得最短的投資回收期，分別為4、7.5、4.6 a，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。