冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)冬季工況下的節(jié)能減排分析

賈少剛 王麗萍 魏翠琴 問(wèn)朋朋 高志宏

?

冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)冬季工況下的節(jié)能減排分析

賈少剛 王麗萍 魏翠琴 問(wèn)朋朋 高志宏

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖州 313000）

開(kāi)發(fā)利用新能源和高效節(jié)能技術(shù)是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑，設(shè)計(jì)了雙熱源冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，分析了其運(yùn)行模式，并以一個(gè)100m2的房屋為研究對(duì)象，計(jì)算其在冬季工況下應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵供暖供水的節(jié)能減排性能，結(jié)果表明其節(jié)能與環(huán)保效果很好，可以為太陽(yáng)能熱泵的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

太陽(yáng)能；熱泵；運(yùn)行模式；節(jié)能減排

0 引言

能源與環(huán)境是當(dāng)今突出的兩大問(wèn)題，目前我國(guó)建筑能耗（采暖、制冷及熱水等）約占全社會(huì)總能耗的30%[1]，隨著社會(huì)發(fā)展這一比例會(huì)繼續(xù)上升。建筑能耗直接或間接地消耗了大量一次能源并污染了環(huán)境，因此通過(guò)新能源和節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用來(lái)降低建筑能耗越來(lái)越受到重視，作為清潔能源的太陽(yáng)能和高效節(jié)能的熱泵技術(shù)得到了極大的關(guān)注和應(yīng)用[2,3]。太陽(yáng)能光熱利用和熱泵型空調(diào)已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，但兩者之間的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用還比較少，兩者的結(jié)合應(yīng)用可以克服太陽(yáng)能受天氣條件影響的缺點(diǎn)，同時(shí)提高了系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性，大大拓寬了應(yīng)用范圍，可應(yīng)用于建筑物制冷供暖與生活熱水供應(yīng)、農(nóng)業(yè)溫室供熱、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能熱泵技術(shù)展開(kāi)了積極研 究[4-9]，因此將太陽(yáng)能熱泵技術(shù)應(yīng)用于建筑物的制冷、供暖和熱水的同時(shí)供給（冷熱暖三聯(lián)供），在有效降低建筑能耗的同時(shí)還可積極促進(jìn)能源消費(fèi)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用推廣，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足建筑物的冬季供暖、夏季制冷和全年生活熱水所需，設(shè)計(jì)了如圖1所示的冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、熱泵機(jī)組、蓄熱水箱（以下簡(jiǎn)稱水箱）、太陽(yáng)能循環(huán)泵等部件組成。太陽(yáng)能加熱蓄熱水箱中的水可獲得熱水，其采用閉式循環(huán)方式運(yùn)行——集熱介質(zhì)在集熱器內(nèi)部管路、水箱中的盤管換熱器及連接管路中循環(huán)流動(dòng)，在集熱器中吸收陽(yáng)光輻射能并通過(guò)盤管換熱器加熱水箱中的水，其不與水箱中的水直接接觸，因此集熱介質(zhì)可以采用特殊流體（如乙二醇、丙二醇、丙三醇等水溶液）起到防凍、防腐蝕和防結(jié)垢的目的，既延長(zhǎng)了設(shè)備壽命也減少了維護(hù)工作量。

圖1 三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

熱泵裝置中設(shè)置了三個(gè)換熱器，一個(gè)室內(nèi)換熱器，一個(gè)放置在水箱中的水源換熱器以及一個(gè)室外空氣源換熱器。熱泵在工作過(guò)程中通過(guò)四通換向閥的切換，室內(nèi)換熱器既可以實(shí)現(xiàn)制冷效果也實(shí)現(xiàn)制熱效果；通過(guò)電磁閥1和電磁閥2的開(kāi)啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)水源換熱器投入運(yùn)行或者退出運(yùn)行，當(dāng)水源換熱器投入運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)水箱中的水與熱泵的熱交換，熱泵既可以加熱水箱中的水，也可以從水箱中的水吸取熱量，從而實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用目的。

2 三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

結(jié)合不同季節(jié)建筑物的能耗需求和三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行模式分析如下：

（1）太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行模式。無(wú)論任何季節(jié)，只要在陽(yáng)光輻照度較好的情況下太陽(yáng)能均可運(yùn)行來(lái)加熱水箱中的水，獲得的熱水既可用于日常生活所需，也可以在冬季作為熱泵水源換熱器的低溫?zé)嵩?。太?yáng)能為清潔可再生能源，對(duì)其有效利用可以有效節(jié)約其他能源。

（2）夏季熱泵制冷模式。此時(shí)室內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器起到制冷作用，室外換熱器和水源換熱器為冷凝器起到散熱作用。當(dāng)日間陽(yáng)光輻照度較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能加熱水箱中的水，熱泵水源換熱器不投入運(yùn)行，熱泵僅起到制冷作用；當(dāng)陰雨天、夜間或者日間陽(yáng)光輻照度較弱時(shí)可以投入水源換熱器運(yùn)行加熱水箱中的水用以生活所需，此時(shí)熱泵的運(yùn)行過(guò)程既實(shí)現(xiàn)了房間內(nèi)制冷效果，也制取了熱水，即熱泵工作過(guò)程中的冷量和熱量同時(shí)得到利用，熱泵COP大大提高，當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定值后水源換熱器退出運(yùn)行，僅保留室外換熱器運(yùn)行，相較熱泵單獨(dú)制冷或者使用電熱水器或燃?xì)鉄崴鳙@得熱水其節(jié)能效果十分顯著。

（3）冬季熱泵制熱模式。此時(shí)室內(nèi)換熱器為冷凝器起到制熱作用，室外換熱器和水源換熱器為蒸發(fā)器起到吸熱作用。因冬季環(huán)境溫度較低，可以投入水源換熱器運(yùn)行，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)以串聯(lián)方式運(yùn)行時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能制取的低溫?zé)崴疄樗凑舭l(fā)器的熱源，一方面可以提高太陽(yáng)能集熱器的效率[10]，另一方面因蒸發(fā)溫度的提高，熱泵的COP也有效提高[11-13]，系統(tǒng)的COP也提高了，這意味著系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗減少了；當(dāng)日間無(wú)陽(yáng)光或者陽(yáng)光輻照度較弱時(shí)啟動(dòng)電輔助加熱來(lái)加熱水箱中的水，以改善熱泵的運(yùn)行工況。

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在不同季節(jié)條件下可選擇不同的運(yùn)行方式，既可以盡量多的利用太陽(yáng)能，也提高了系統(tǒng)的能效比，獲得比較好的節(jié)能收益，使系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)的運(yùn)行模式與效益分析見(jiàn)表1。

表1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式與效益分析

續(xù)表1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式與效益分析

3 建筑物冬季耗熱量計(jì)算

本文以僅由一個(gè)房間構(gòu)成的平房為研究對(duì)象，其四周墻體由標(biāo)準(zhǔn)紅磚壘砌的24墻，因此墻體厚度為240mm。假定此房屋建筑面積為100m2，房間內(nèi)部的尺寸為：長(zhǎng)20m，寬5m，高3m，房頂為鋼筋混凝土澆筑，厚度為200mm，經(jīng)計(jì)算房屋四周墻體的外表面積約為156m2，屋頂面積為112.3m2。

冬季供暖時(shí)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃，環(huán)境溫度低于8℃即進(jìn)行供暖，生活熱水供應(yīng)為每日240L[14]。房屋的耗熱量主要包括兩個(gè)部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量與新水加熱耗熱量。表2為湖州地區(qū)月均氣溫，是設(shè)計(jì)過(guò)程重要的參考數(shù)據(jù)，由表2可知在12月至來(lái)年2月份需要進(jìn)行供暖。

表2 湖州地區(qū)月均氣溫

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量計(jì)算

房屋四面墻體與屋頂為不同材料，故不同材料部分的耗熱量應(yīng)該分開(kāi)來(lái)計(jì)算。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷Q采用平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式（1）[15]計(jì)算即可，傳熱系數(shù)參考相關(guān)規(guī)范由式（2）進(jìn)行計(jì)算即可，在此計(jì)算過(guò)程中假定門窗的散熱和墻體的散熱相同。表3為1月份的房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，表4為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量計(jì)算結(jié)果，可知1月份的熱負(fù)荷最高，達(dá)到了8793W，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的供暖季總耗熱量Q為62310MJ。

式（1）中，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)，此處取值為1；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；T為室內(nèi)溫度，取20℃；T為室外溫度，取月均溫度，℃；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

式（2）中，1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，23W/(m2·℃)[16,17]；為維護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，m；2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，8.15W/(m2·℃)[16,17]；為維護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，紅磚的值為0.49W/(m·℃)，混凝土的值為1.28W/(m·℃)。

表3 1月份圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量

3.2 生活用水耗熱量計(jì)算

每天生活用水需求量為240L，則在一定初始水溫情況下將新水加熱至50℃所需要的熱量Q由式（3）計(jì)算，新水初溫取供暖季3個(gè)月期間的環(huán)境溫度的平均值即可[18]。由表5可知供暖季生活用水耗熱量為：3654MJ，則供暖季期間房屋所需的總熱量Q為Q與Q之和，其值為65964MJ，標(biāo)煤的熱值q=29.27MJ/kg，供暖季總耗熱量約合2254kg標(biāo)煤完全燃燒釋放的熱量。

表5 生活用水耗熱量

式（3）中，0為水的密度，998.2kg/m3；C0為水的定壓比熱容，4.18×103J/(kg·℃)；0為新水的體積，m3；T為新水終溫，50℃；T為新水初溫，℃。

4 應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排分析

4.1 節(jié)能性能分析

采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)對(duì)房屋進(jìn)行供暖的一些已知和假設(shè)條件：

（1）熱泵的制熱系數(shù)ε取值為2.5（已將太陽(yáng)能循環(huán)泵消耗電能考慮進(jìn)去）[19]。

（2）超臨界機(jī)組的火力發(fā)電廠發(fā)電效率η=45%[20]。

（3）標(biāo)煤的熱值q=29.27MJ/kg。

（4）家用小鍋爐的燃燒效率η=60%[21]。

（5）太陽(yáng)能的保證率η為40%，其余60%熱能由熱泵提供。

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)僅熱泵壓縮機(jī)消耗電能，其余能量來(lái)自太陽(yáng)能和空氣能，因此采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖供水的一次能源年節(jié)能量由式（4）計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤量由式（5）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，可知對(duì)于此房屋來(lái)說(shuō)，采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖供水與采用小燃煤鍋爐相比，供暖季的節(jié)能率η可達(dá)80%，可節(jié)約標(biāo)煤約2556kg，節(jié)能效果十分顯著。

表6 供暖季節(jié)能率與節(jié)煤量

4.2 減排性能分析

減排評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是考慮 CO2、SOX、NOX、粉塵等污染物的排放削減量，相關(guān)污染物排放定額指標(biāo)見(jiàn)表7[22,23]，以此房屋供暖季節(jié)能按52771MJ計(jì)算，則供暖季應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的污染物減排量見(jiàn)表8，可知供暖季內(nèi)可減少CO2排放量約為60噸，SOX年可減排426kg，NOX年可減排22.5kg，粉塵年可減排32.9kg，減排效果很好。

表7 我國(guó)污染物排放指標(biāo)

表8 供暖季污染物減排量

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)促使建筑物供能盡量利用清潔可再生能源和高效節(jié)能技術(shù)，雙熱源冷熱暖三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方式靈活，一年四季不同條件下運(yùn)行均有較好的節(jié)能效果。在冬季工況下針對(duì)一個(gè)100m2的普通房屋進(jìn)行供暖供水，應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相比傳統(tǒng)燃煤的節(jié)能減排效果相當(dāng)顯著，這對(duì)于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染具有重要意義，可以創(chuàng)造更大的環(huán)保效益。目前因受制于初投資較大，太陽(yáng)能熱泵裝置實(shí)際應(yīng)用較少，但隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，在大型賓館、酒店等行業(yè)有可能率先實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的三聯(lián)供太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，其未來(lái)的市場(chǎng)應(yīng)用前景良好。

[1] 彭金梅,羅會(huì)龍,崔國(guó)民,等.熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,37(5): 54-59.

[2] 王偉,南曉紅.熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水裝置應(yīng)用低碳性分析[J].制冷與空調(diào),2012,26(4):349-352.

[3] 劉鵬,關(guān)欣,穆志君,等.太陽(yáng)能熱泵技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究與發(fā)展[J].化工進(jìn)展,2009,28(增刊):328-333.

[4] 王偉,王建穎.銀川地區(qū)熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].制冷與空調(diào),2015,29(2):169-173.

[5] 周光輝,劉寅,張岑,等.太陽(yáng)能輔助空氣源復(fù)合熱泵冬季供熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2011,32(11): 1662-1664.

[6] 申振宇,宣永梅.太陽(yáng)能-空氣源熱泵采暖熱水系統(tǒng)能耗分析[J].制冷與空調(diào),2016,30(5):544-548.

[7] 陳冰,羅小林,畢方琳,等.溫室太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)的試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2011,13(1): 55-59.

[8] 康靖,王勁柏.并聯(lián)冷卻的太陽(yáng)能復(fù)合式空調(diào)節(jié)能特性[J].制冷與空調(diào),2015,29(4):440-445.

[9] 魏翠琴,王麗萍,賈少剛,等.太陽(yáng)能熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析[J].制冷與空調(diào),2017,37(2):159-163.

[10] 高志宏,賈少剛,魏翠琴,等.平板型太陽(yáng)能熱水裝置性能實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能,2015,(11):59-62.

[11] 魏翠琴,高志宏,賈少剛,等.太陽(yáng)能熱泵熱水裝置性能實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016,(7):265-268.

[12] 孫冰冰,張晨陽(yáng),毛力,等.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與分析[J].水電能源科學(xué),2012,30(4):198-201.

[13] 陳陽(yáng),張晨陽(yáng),張哲,等.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2011,39(11):77-80.

[14] 于國(guó)清,張曉莉,孟凡兵.單戶住宅太陽(yáng)能熱泵供熱的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析水[J].建筑節(jié)能,2007,35(1):55-57.

[15] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[16] GB50019-2003,采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2004.

[17] JB/T 10297-20014,溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[18] 張淑英,劉建華,楊政忠.天津市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值建議[J].中國(guó)給水排水,2012,28(24):60-63.

[19] 王鳳印,周一凡,王翠萍,等.青島熱泵輔助太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的性能分析[J].煤氣與熱力,2010,30(10):17-20.

[20] 楊義波,張燕俠,楊作梁,等.熱力發(fā)電廠(第二版)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[21] 鄺平健,劉喜斌.燃煤熱風(fēng)爐解決北方溫室供暖問(wèn)題的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,(3):221-222.

[22] 尹軍,陳雷,白莉.城市污水再生及熱能利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[23] 周志平,李念平.污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能減排分析[J].建筑節(jié)能,2012,40(6):46-49.

Energy Saving and Emissions Reduction Analysis on Solar-assisted Heat Pump for Supplying Combined Cooling Heating and Hot water in Winter Conditions

Jia Shaogang Wang Liping Wei Cuiqin Wen Pengpeng Gao Zhihong

( Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

The utilization of new energy resources and excellent energy saving technology is the significant way to solve the problem of energy and the environment, a solar-assisted heat pump (SAHP) with dual heat source is designed for supplying combined cooling heating and hot water throughout the year, meanwhile its running modes are analyzed. A housing with 100m2is the research object, its heating and hot water are supplied by SAHP in winter conditions, which energy saving and emissions reduction are analyzed, finally results show that the energy saving and environmental protection effect is very good, this paper can provide theoretical basis for SAHP′s practical application.

Solar energy; heat pump; running mode; energy saving and emissions reduction

TK512

A

1671-6612（2018）02-196-05

浙江省教育廳科研項(xiàng)目資助（Y201636425）

賈少剛（1984-），男，碩士，講師，E-mail：jsg.lq@163.com

2017-09-25