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發布時間：2017-07-31 08:49:50
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摘要：提出太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統形式，選取嚴寒地區典型建筑為基準建筑，運用Dest 軟件進行動態負荷模擬，根據整個供暖季供暖相對負荷比，確定不同供暖期系統運行模式；以TRNSYS瞬時模擬軟件為平臺，建立太陽能補熱系統的仿真模型，從能耗、經濟性兩方面確定互補供熱系統中各部分能源的最佳配比。研究表明：整個供暖季不同供暖期的運行模式有5種；對于嚴寒地區的基準建筑，20%~70%設計負荷出現的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現的時間僅有1 小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%；互補供熱系統設計時，太陽能作為輔助熱源，地源熱泵承擔設計負荷的65%，其供熱量可以達到整個供暖季的89.61%，同時獲得最大的費用現值62.82 萬元和最短的動態回收期8.77 年；太陽能作為補熱系統，單位空調面積對應集熱器面積0.045m2時，出水溫度能夠達到50℃，同時獲得最大費用現值，經濟效果最佳。
關鍵詞：太陽能，地源熱泵，熱網
0引言
現階段，我國供暖地區主要采用以燃煤為主的常規能源，由于供暖面積增大，有熱網無法滿足小區供暖需求現象普遍存在，而這些地區太陽能資源非常豐富，利用太陽能滿足供暖需求前景巨大。基于北方寒冷地區的氣候特點及供熱現狀，本文提出太陽能-地源熱泵系統與熱網相結合的互補供熱方式。太陽能-地源熱泵系統的初投資較高，很多情況下，僅地源熱泵系統靜態增量投資回收期高達10年甚至更高[1，2]，這說明地源熱泵較低運行費用不一定能夠補償其較高的初投資。而太陽能-地源熱泵與熱網聯合供暖系統由于熱網承擔了一部分負荷，很大程度節省初投資，從而提高了系統的經濟性。針對上述情況提出了太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統，并簡要介紹了其運行方式；從能耗和經濟性兩個方面分析地源熱泵與熱網互補供熱的比例，給出了兩者的最佳能源配比；以TRNSYS仿真模擬軟件為工具，對太陽能補熱系統在整個供暖期進行了仿真模擬，研究互補供熱系統在我國東北嚴寒地區條件下的適應性與經濟性，以期為實際工程的設計提供一定參考。
1互補供熱系統組成及運行方式
本文所建立的互補供熱系統主要由太陽能集熱系統、地下埋管換熱器系統、熱泵機組系統和熱網系統四套管路循環系統組成。系統原理如圖1所示。該系統可以根據不同室外天氣條件以及室內熱負荷的波動情況，切換相對應的運行模式，在整個供暖期間，城市熱網都承擔一定的負荷，其他負荷由太陽能-地源熱泵系統提供。盡可能的利用太陽能與地熱能，熱網作為輔助能源，具體調節方式如下：
1. 在供暖初始階段，由太陽能系統和熱網互補供熱，白天室外天氣晴好，而熱負荷較小時，經集熱器加熱后的供水溫度Tg高于50℃時，太陽能可以直接用于供暖。此時閥門S1到S7，V5、V6開啟，其他閥門關閉，供熱和集熱循環水泵開啟，換熱循環水泵關閉，地源熱泵機組關閉。
5. 當太陽能系統出水溫度低于15℃時，太陽能集熱系統停止運行，僅用熱泵系統和熱網互補供暖。此時，閥門V5、V6、V7、V8關閉，其他閥門開啟，換熱和供熱循環水泵開啟，集熱循環水泵關閉，地源熱泵機組開啟。互補供熱系統如圖1所示。 2熱網調節模式能耗分布 為了準確模擬供暖期間的總燃煤量，必須明確供暖期各時刻的負荷動態變化。本文運用Dest軟件模擬典型民用建筑的動態熱負荷，為供暖期間總燃煤量的計算提供準確的數據。 針對嚴寒地區某住宅小區的一棟樓進行動態負荷模擬。基準建筑位于遼寧省沈陽市，建筑為十一層住宅建筑。建筑面積為7730.91m2。高度為33.2m。根據熱網調節方式，圖2給出了建筑能耗在不同室外溫度下能耗比例和相對時間。 從上圖可以看出，設計熱負荷所占時間很短，絕大多數時間是部分負荷。對于住宅建筑來說，20%~70%設計負荷出現的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現的時間僅有1小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%。所以，逐時負荷才是方案燃料耗量的真實值根本依據，而不是設計負荷。 3地源熱泵- 熱網系統互補供熱燃料耗量計算 太陽能不穩定，所以為了滿足末端的供熱、供冷需求，在設計工況下，地源熱泵和熱網系統的容量配置不能減小，必須以沒有太陽能系統來配置地源熱泵系統的主機、水泵、地埋管數量等。所本文先給定地源熱泵-熱網系統的最佳能源匹配，再給定太陽能集熱器的最佳集熱面積。 互補供熱方式中，地源熱泵系統承擔絕大部分負荷，熱網承擔部分負荷，充分發揮熱泵的節能特性和熱網較低的初投資，做到節能和經濟的最佳組合。針對基準建筑，對地源熱泵系統承擔設計負荷比為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%這13種條件進行計算，結果如圖3所示。 對于基準建筑來說，地源熱泵系統承擔的設計負荷比從40%增加到70%時，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，而熱網的供熱量僅占10.40%。熱網的運行時間從82.5%減小到37.5%。而當熱泵承擔的設計負荷繼續增加時，其供熱量增加和熱網運行時間減小的速度變緩。 設計負荷比的增加，互補供暖方式的標煤耗量逐漸減小。對于住宅建筑來說，就地源熱泵系統而言，當地源熱泵系統承擔設計負荷比從70%增加到100%時，其標煤耗量僅降低5.22%。所以對于住宅建筑，地源熱泵系統承擔的設計負荷為70%，熱網承擔設計負荷的30%是比較節能合理的方案。表1為不同方案燃料的標煤耗量。 4不同方案經濟計算 地源熱泵系統造價的因素主要包括三個方面：使用地區、建筑結構與功能以及地方政策。根據現有實際工程測算，地下水源熱泵系統初投資約為250（元/m2）~420（元/m2），其中冷熱源部分投資約150（元/m2）~220（元/m2）；土壤源熱泵系統初投資約為300（元/m2）~480（元/m2），其中冷熱源部分投資約為200（元/m2）~270（元/m2）；燃煤鍋爐房供暖系統投資約150（元/m2）~200（元/m2）；燃氣分散鍋爐房供暖系統投資約100（元/m2）~150（元/m2）；熱電聯產集中供熱系統投資約200（元/m2）（包括增容費）[3]，采暖末端設備的初投資約40（元/m2）~50（元/m2）。按照每天運行24h，負荷率為0.8。對于基準建筑，在不同輔助熱源配置情況下初投資、運行費用如圖4所示。 為了將系統的初投資和運行費用綜合起來考慮系統經濟性，本文通過計算系統在其壽命周期內的總費用來獲得經濟性評價。根據工程經濟學基本原理，假設銀行貸款年利率i=8%，壽命期30年，計算項目的動態回收期及凈現值。圖5給出了不同方案系統的動態回收期及凈現值。 由于增加系統初投資和運行費用成反比，導致凈現值先逐漸升高，而后又緩慢降低。當地源熱泵承擔65%的設計負荷時，可以獲得最大的費用現值（62.82 萬元），內部收益率（16.12%遠遠大于設定的銀行貸款利率8%），動態回收期為8.77年。可以獲得最佳的經濟效果。 5太陽能集熱系統仿真模擬分析 太陽能集熱器面積及末端所需的供回水溫度是影響太陽能系統與地源熱泵系統互補運行方式的兩大主要因素。沈陽的供暖期天數為151天，共3624小時，在典型的氣象年中，有太陽輻照的時間為1472小時，約占總供暖時間40.63%。為了便于分析，本文對于末端的供回水溫度要求為50℃/40℃。圖6給出了在TRNSYS軟件中建立的太陽能系統仿真模型。 設定集熱器的面積分別為180m2、300m2、500m2及1000m2四種條件，對其在供暖季的供水溫度進行仿真模擬。圖7、圖8、圖9、及圖10分別給出在供暖季四種條件下太陽能系統的出水溫度。 集熱器面積由180m2增加到1000m2時，對太陽能系統出水溫度超過40益影響不太大，由210h（占總供暖時間的5.79%）增加到340h（占總供暖時間的9.38%），但對于超過50益時間的影響較大，由0h（占總供暖時間的0%）增加到275h（占總供暖時間的9.02%）。 對于太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統與地源熱泵-熱網供熱系統來說，地源熱泵-熱網系統的造價是完全一樣的，所以只需要考慮因為太陽能系統導致初投資增加。因為太陽能是清潔免費能源，它的使用會降低系統的運行費用。 圖11 給出了太陽能系統不同集熱面積的初投資和節約運行費用。假設銀行的貸款年利率i=8%，壽命期30 年，計算項目的動態回收期及凈現值。圖12給出了不同太陽能系統集熱面積下的凈現值和投資回收期。 由于增加系統初投資和運行費用成反比，導致凈現值先逐漸升高，而后降低。當太陽能系統集熱面積超過300m2時，太陽能系統投資方案的凈現值小于0，這就說明該工程項目已經出現虧損，當太陽能系統集熱面積小于300m2時，方案的凈現值大于0，工程項目可以得益。當太陽能系統集熱面積為300m2（即建筑每平方米空調面積需要0.045m2集熱面積）左右時，獲得最大的費用現值（2.70萬元），最短投資回收期15.5年，以獲得最佳經濟效果。 6結論 1.對于住宅建筑，20%~70%設計負荷出現的時間最長，占到總采暖時間的63%，而最大負荷出現的時間僅為1小時，平均負荷僅為設計負荷的25.14%。 2. 地源熱泵系統承擔的設計負荷比從40%增加到70%時，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，熱網的供熱量僅占10.40%，熱網的運行時間從82.5%減小到37.5%，而其標煤耗量僅降低了5.22%。對于住宅建筑，地源熱泵系統承擔的設計負荷為70%，熱網承擔設計負荷的30%比較節能、合理。 3. 當地源熱泵承擔65%的設計負荷時，可以獲得最大的費用現值（62.82 萬元），內部收益率為16.12%（遠遠大于設定的銀行貸款利率8%），動態回收期為8.77 年。可以獲得最佳經濟效果。 4. 隨著太陽能系統集熱面積的增大，系統的出水溫度超過50益的時間逐漸增加，但對太陽能系統出水溫度超過40℃影響不大。 5. 當太陽能集熱面積大于300m2時，太陽能系統投資方案的凈現值小于0，此時工程項目已經出現虧損。當太陽能系統集熱面積為300m2左右時（即建筑每m2空調面積需要0.045m2集熱面積），獲得最大的費用現值，可以獲得最佳經濟效果。 參考文獻 1. 李新國，趙軍，朱強.地源熱泵供暖空調的經濟性[J].太陽能學報，2001，22（4）：418-421 2.姜寶成，王永鏢，李炳熙.地源熱泵的技術經濟性評價[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35 3. 徐偉. 地源熱泵的經濟性分析[J]. 中國建設信息供熱制冷，2006，（6）：10
2.當太陽能系統出水溫度在40℃<Tg<50℃時，熱水不能直接用于供暖，此時熱水進入機組的冷凝器與地源熱泵串聯，三者互補供暖。此時閥門V7、V8關閉，其他閥門開啟，循環水泵均開啟，地源熱泵機組開啟。
3.當太陽能系統出水溫度在30℃<Tg<40℃時，熱水不能被直接利用，與地埋管換熱器串聯使其升溫，利用地源熱泵和熱網互補供暖。此時閥門V5、V6關閉，其他閥門開啟，水循環泵均開啟，地源熱泵機組開啟。
4.當太陽能系統出水溫度在15℃<Tg<30℃時，熱水不能被直接利用，直接進入熱泵機組的蒸發器，利用地源熱泵和熱網互補供暖。此時閥門V5、V6關閉，其他閥門開啟，循環泵水泵均開啟，地源熱泵機組開啟。
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