可再生能源耦合供熱系統在嚴寒地區的適宜性分析

馮國會，張 磊，常莎莎，黃凱良，崔 航，張雪萍

（1.沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110168）

0 引言

根據國際能源署（IEA）的新政策設想，到2040年，全球能源需求預計將增長25%以上[1]。國際能源機構強調要以強有力的政策來解決可持續性問題和能源安全問題，這些政策將對未來能源利用的方向產生重大影響[1]。為了滿足日益增長的能源需求，鼓勵各國政府通過政策和財政支持開發替代能源技術[2]。

目前，地源熱泵供熱系統在生產過程中不僅受經濟條件的限制，還受冷熱負荷比的限制[3]。我國嚴寒地區全年冷熱負荷不平衡，在使用過程中易發生冷堆積情況[4]。單一熱泵在嚴寒地區冬季運行不穩定且能效偏低，使得土壤的溫度場得不到及時有效的恢復，土壤的供熱能力將逐年下降，最終導致機組COP下降。太陽能光電/光熱一體化系統可以實現光電利用和光熱利用，從而提高太陽能的綜合利用效率，與太陽能光電/光熱一體化系統構成復合供熱系統，能夠減少燃煤量，提高整體的能源利用率[5]。通過太陽能集熱器輔助熱源補熱，可以緩解土壤溫度的熱失衡現象[6]。空氣源熱泵在嚴寒地區存在蒸發端低溫啟動困難問題，與太陽能集熱系統構成復合供熱系統，能夠解決低溫環境下空氣源熱泵系統制熱效率較低的問題[7]，相對傳統供熱方式，多能耦合互補供暖系統的優越性十分明顯[8]。

我國嚴寒地區空氣源熱泵運行易結霜，土壤源熱泵運行效率逐年降低。本文以沈陽市某凈零能耗示范建筑為例，利用DeST進行負荷計算和設備選型，并通過TRNSYS軟件建立了單獨空氣源熱泵、單獨地源熱泵、“太陽能+空氣源熱泵”、“太陽能+地源熱泵”、“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”共5種可再生能源耦合系統，進而分析各類系統在嚴寒地區的適宜性。

1 建筑概況與負荷分析

1.1 建筑概況

圖1為沈陽市某凈零能耗建筑，建筑尺寸長×寬×高為18 m×9.0 m×6.9 m，總面積為334.8 m2。該建筑共有兩層，無地下室；一層層高3.3 m，房間功能為臥室、廚房、設備間、控制室、展廳以及衛生間；二層層高3.6 m，房間功能為開場辦公區、封閉辦公室以及衛生間。NZEB圍護結構熱工參數如表1所示。

圖1 沈陽市某凈零能耗建筑示意圖Fig.1 Schematic diagram of a net zero energy building in Shenyang

表1 NZEB圍護結構熱工參數Table 1 Thermal parameters summary of NZEB building envelope

1.2 熱負荷計算

采用DeST軟件對凈零能耗建筑（圖2）進行負荷計算，其全年最大熱負荷9.51 kW，全年累計熱負荷11 806 kW·h，熱指標11.66 W/m2。全年逐時負荷如圖3所示。

圖2 DeST模型Fig.2 DeST model

圖3 凈零能耗建筑全年逐時負荷Fig.3 Annual hourly load of buildings with net zero energy building

2 系統方案及模型建立

2.1 系統方案

多能源耦合供熱系統參照沈陽某凈零能耗建筑的實驗供熱系統建立，集熱設備主要包括太陽能集熱器、空氣源熱泵、地源熱泵以及光伏幕墻各部分，集熱器作為系統的熱源與蓄熱水箱、循環水泵、循環風機等構成一個閉合的集熱回路，在供暖季為沈陽某凈零能耗建筑供熱。多能源耦合供熱系統的末端采用地暖毛細管網供熱，用戶末端供水溫度為40～55℃。

設備選型中各參數的不同會使系統性能存在差異。太陽能采用真空管集熱器作為集熱部件，太陽能集熱器集熱面積的計算式為[9]

式中：Ac為供暖系統太陽能集熱器總面積，m2；QH為建筑物的耗熱量，W；f為太陽能保證率，對于Ⅲ類太陽能資源一般區，對于短期蓄熱系統而言，一般取10%～30%，考慮到成本的因素，保證太陽能供暖在15%；JT為當地集熱器采光面上的采暖期平均日太陽輻射量，J/（m2·d），沈陽為14.98 MJ/（m2·d）；ηcd為基于總平面的集熱器集熱效率，70%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，%，一般取10%～30%，本文取10%。

該系統采用直接循環系統，太陽能集熱器面積為14 m2。集熱器的朝向為西南方向，傾斜角為45°。水泵的質量流量Vm的表達式為

式中：1.15為富裕系數；Φ為機組熱負荷，kW；cp為水的比定壓熱容，取4.186 kJ/（kg·K）；Δt為供回水溫差，℃。熱泵機組側與用戶側的供回水溫差為4℃，熱泵開啟時的熱負荷為9.8 kW，水泵的質量流量為2.43 m3/h。

地源側水泵選型規格如下：型號ISW-25-125A；流量2.5 m3/h；揚程17 m；額定流量2 150 kg/h；額定功率0.15 kW；水泵效率70%。

在可再生能源供熱過程中，由于天氣原因，導致太陽能及環境溫度波動很大，為了保證系統能夠連續穩定供熱，應加入蓄能水箱將熱量儲存起來以備應對異常天氣。同時，系統采用不分層水箱，水箱容積按略大于0.5倍的熱水質量流量確定，故本文選用容積為1.0 m3的水箱。空氣源熱泵機組型號BKH05C，額定制熱量13.8 kW，機組功率4.6 kW；地源熱泵機組型號YCWF012，額定制熱量14.1 kW，機組功率3.53 kW。

2.2 TRNSYS仿真模型的建立

使用TRNSYS[10]仿真模擬軟件建立了單獨空氣源熱泵、單獨地源熱泵、“太陽能+空氣源熱泵”、“太陽能+地源熱泵”和“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”共5種可再生能源耦合供熱系統，見圖4。

圖4 各供熱工況TRNSYS模型Fig.4 TRNSYS model for different heating conditions

采暖季，多能耦合供熱系統在控制中心的調控下運行，控制策略對蓄熱水箱采用溫差控制，詳細控制策略如下所示。

單獨地源、單獨空氣源熱泵系統：此系統主要是控制水箱的溫度，當水箱中水溫達到50℃，關閉機組，當水箱中水溫低于40℃，開啟機組。

“太陽能+空氣源”、“太陽能+地源熱泵”系統：兩個系統分別運行，優先采用太陽能集熱，當集熱器出水溫度大于用戶側供水溫度6℃，運行太陽能側環路；當集熱器出水溫度小于用戶側供水溫度2℃，關閉太陽能側環路；當太陽能難以滿足供熱需求時，利用對水箱溫度的控制來控制熱泵機組的啟停；當水箱中水溫達到50℃，關閉機組；當水箱中水溫低于40℃，開啟機組。

“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統：模式的切換通過控制風機的啟停來為空氣源側提供空氣，當水箱中水溫達到50℃，關閉機組；當水箱中水溫低于40℃，開啟機組。

TRNSYS仿真模擬系統中主要運用到的模塊見表2。

表2 TRNSYS各模塊參數明細表Table 2 Detail table of each module parameter of TRNSYS

3 模型驗證

以“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的實驗數據進行TRNSYS模型的驗證[11]。通過比較模擬數據與實驗數據發現，“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的光伏幕墻集熱系統空腔內進、出口溫度變化情況基本一致，其趨勢表現為先增大再減少。7：00-13：00，集熱系統中的空氣溫度逐漸上升，13：00之后，集熱系統內的空氣溫度逐漸下降，上升趨勢和下降趨勢的速率基本相同，由于集熱系統內空氣的熱惰性，19：00以后室外溫度與PVT集熱系統的進出口溫度基本保持一致。

“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的供熱性能在0：00-7：00供給較差；在7：00-12：00，隨著PVT集熱系統的進、出口溫度升高，空氣源熱泵機組COP值也增大，處于滿負荷運行狀態；在12：00-14：00，PVT集熱系統進、出口空氣溫度達到最高；14：00之后，由于太陽輻射降低，PVT集熱系統進出口空氣溫度逐漸下降，空氣源熱泵機組COP值也隨著空氣溫度的下降而降低。“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的機組COP模擬值為2.79，機組COP實測值為3.08，二者誤差為9.4%，說明模型準確度較高。

4 結果分析

4.1 典型日模擬結果分析

沈陽的采暖期為每年11月1日-次年3月31日，共152 d。根據沈陽市典型年氣象數據得到，1月13日為最冷日，室外日平均溫度為-15.36℃，日最高溫度為-6.5℃，日最低溫度為-23.4℃。本次模擬采用該天作為典型日，對各供熱系統的運行情況進行模擬分析。

圖5為典型日不同供熱系統下逐時COP變化趨勢。從圖5可以看出，建筑在夜間所需負荷較大，機組在22：00至次日9：00連續運行，這段時間內單獨空氣源與“空氣源+太陽能供熱”系統的COP基本由1.70逐漸上升至2.19左右，“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的COP由1.80上升至2.36。單獨地源供熱系統與“地源+太陽能供熱”系統的COP基本一致，為3.15左右。其他時間段內日間建筑所需負荷較小，保持間歇運行，空氣源熱泵受外界環境溫度影響，COP波動較大，尤其體現在“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統。

圖5 典型日不同供熱系統COP變化趨勢Fig.5 Variation trend of COP of different heating systems on typical days

單獨空氣源熱泵系統略差于“太陽能+空氣源熱泵”系統，受幕墻內空氣溫度的影響，“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的COP波動較大，8：00-15：00，COP明顯高于單獨空氣源熱泵系統，在10：00及14：00左右，COP高達4.29，其余時間與單獨空氣源熱泵系統無明顯差異。單獨地源熱泵系統則運行較穩定，COP無明顯差異，由于太陽能在日間可起到15%左右的供熱能力，“太陽能+地源熱泵”系統的機組啟停次數要少于單獨地源熱泵系統。

圖6為典型日不同供熱系統下水箱平均溫度變化趨勢。由圖6可知，水箱溫度始終保持在40～50℃，由于受外界環境溫度的影響，所有空氣源熱泵系統的水箱水溫皆為先下降再逐漸升溫。主要是因為外界環境溫度在逐漸下降，尤其在夜間，由于幕墻內的空氣溫度小于外界環境溫度，從而導致“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的供熱效率降低，其水箱溫度波動更大，直至8：00達到最低溫37.6℃。日間由于幕墻內空氣溫度大于外界環境溫度，在14：00水溫上升至52℃，隨后趨于正常。所有地源熱泵系統都能夠較好的維持水箱水溫。

圖6 典型日不同供熱系統下水箱平均溫度變化趨勢Fig.6 Variation trend of average temperature of water tank under different heating systems on typical days

4.2 多能源系統性能對比分析

圖7為各個供熱系統在采暖季COP變化趨勢。

圖7 各個供熱系統在供熱季每月平均COP變化趨勢Fig.7 Monthly average COP variation trend of each heating system in heating season

由圖7可以看出，3種不同類型的空氣源熱泵系統在整個供暖季內，11月COP值都較高，隨著外界溫度的降低，其COP出現了明顯的下降，并在1月時達到最低谷，隨后回升。單獨地源熱泵全供暖季無明顯差異，波動較小，當引入太陽能輔助地源熱泵供熱后，由于太陽輻射強度的變化導致“太陽能+地源熱泵”系統的全供暖季COP有一定幅度波動，呈現出先降低再增大的趨勢，相較于單獨地源熱泵系統，性能提升14.80%。

表3為各供熱系統在供熱季的性能分析，在5種多能耦合供熱系統中，單獨空氣源熱泵系統機組的COP最低，為2.57；“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統機組的COP為2.79，相對于單獨空氣源熱泵系統提高了8.56%；“太陽能+空氣源熱泵”系統機組的COP為2.90，相對于“光伏幕墻余熱+空氣源”系統提高了3.94%；單獨地源熱泵系統機組的COP為3.04，相對于“太陽能+空氣源熱泵”系統提高了4.83%；“太陽能+地源熱泵”系統機組的COP為3.49，相對于單獨地源熱泵系統提高了14.80%。

表3 各供熱系統在供熱季的性能分析Table 3 Performance analysis of each heating system in heating season

圖8為各個供熱系統的全年COP逐時變化。由圖8可以看出，地源熱泵系統在全年運行中具有很高的穩定性，輔以太陽能系統后，可減少地源熱泵機組運行時間且間接提高耦合系統的整體性能；空氣源熱泵系統的COP波動較大，在太陽輻射強度大時，能夠有很較高的供熱能力，輔以太陽能系統可減少空氣源熱泵運行時間且提高耦合系統的整體性能，同時空氣源熱泵系統在輔以太陽能光伏/光熱系統能夠提高空氣源熱泵的機組性能。

圖8 各個供熱系統下的全年COP逐時變化Fig.8 The annual COP of each heating system changes hour by hour

圖9為各個供熱系統下的全年供回水溫度逐時變化。由圖9可以看出，地源熱泵系統在供熱能力上具有很高的穩定性，當輔以太陽能系統后在供暖季初期和末期能夠顯著提高蓄熱水箱的水溫；空氣源熱泵的供熱波動性較大，在初期和末期產生明顯的差異，加入輔助能源系統后穩定性有很大的提升。用戶側供水溫度在供暖期間保持在40～55℃，用戶側回水溫度在供暖期間保持在35～50℃，冬季供回水溫差在1～5℃。

圖9 各個供熱系統下的全年供水溫度逐時變化Fig.9 The annual supply and return water temperature of each heating system changes hourly

圖10為5種供熱系統在采暖季的能耗分析。其中，“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的總能耗最高，為5 460.2 kW·h；“太陽能+地源熱泵”系統的總能耗最低，為3 882.62 kW·h；單獨空氣源、“太陽能+空氣源”、單獨地源熱泵系統的總能耗依次減少；單獨空氣源熱泵系統的機組總能耗最高，為4 592.08 kW·h；“太陽能+地源熱泵”系統的機組總能耗最低，為3 196.12 kW·h；“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”、“太陽能+空氣源熱泵”、單獨地源熱泵系統的機組總能耗依次減少。

圖10 不同供熱系統采暖季能耗分析Fig.10 Energy consumption analysis of different heating systems in heating season

5 結論

本文以沈陽市某凈零能耗建筑為例，建立了多能源耦合供熱系統仿真模型，比較了5種不同的耦合供熱系統，得到以下結論。

①空氣源熱泵供熱能力明顯低于地源熱泵供熱能力，水箱溫度基本保持在40～55℃，由于受外界環境溫度影響，空氣源熱泵機組COP與水箱溫度波動較大，尤其體現在“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統，COP高達4.29，而太陽能輔以空氣源熱泵供熱系統卻無明顯差異；地源熱泵機組COP為3.04左右，輔以太陽能系統后COP提高了14.8%，達到3.49，同時水箱溫度穩定性也更好。

②在整個采暖季，由于外界環境溫度的波動較大，各供熱系統的供熱能力都在一定范圍內漲幅，單獨空氣源、“光伏幕墻余熱+空氣源”、“太陽能+空氣源”、單獨地源、“太陽能+地源熱泵”系統機 組COP依 次 為2.57，2.79，2.90，3.04，3.49；“太陽能+地源”、單獨地源、“太陽能+空氣源”、單獨空氣源、“光伏幕墻余熱+空氣源熱泵”系統的全年總能耗依次為3 882.6，4 573.5，4 690.5，5 162.6，5 460.2 kW·h。

③在太陽能供暖采暖工程技術標準的要求范圍內，太陽能供熱比例占耦合供暖系統的15%為宜，嚴寒地區凈零能耗建筑供暖形式建議優先采用“太陽能+地源熱泵”系統，其次采用單獨地源熱泵系統。本文的研究成果可為多能耦合供能系統在嚴寒地區的推廣應用提供技術支撐，具有重要的實踐意義。