多源互補(bǔ)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 山東 青島 266033)

引言

我國(guó)北方地區(qū)的建筑熱負(fù)荷較大，長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)能源供暖使得大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，清潔供暖是解決該問(wèn)題的有效途徑。太陽(yáng)能資源取之不盡，但不穩(wěn)定性使其只能考慮作為供暖輔助熱源；空氣源熱泵安裝靈活、投資較少，但受室外氣溫和結(jié)霜問(wèn)題影響難以保證極端環(huán)境運(yùn)行效果；土壤源熱泵COP高、運(yùn)行費(fèi)用低，但對(duì)土壤溫度變化敏感，長(zhǎng)期運(yùn)行需采取熱平衡措施。以上三種供暖技術(shù)，兩兩結(jié)合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究較多，而對(duì)此類系統(tǒng)，研究者多借用數(shù)值方法和軟件進(jìn)行仿真模擬研究[1]。

本文以既有建筑為基礎(chǔ)，對(duì)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出系統(tǒng)主要設(shè)備選型，然后從經(jīng)濟(jì)角度和環(huán)境角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了效益分析，期望對(duì)此類系統(tǒng)的研究應(yīng)用提供參考。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)建筑概況

互補(bǔ)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)以既有建筑為基礎(chǔ)。該建筑為洛陽(yáng)某小區(qū)，該小區(qū)共有住宅樓是十一幢，共612戶，總建筑面積為44859.6m2，為磚混結(jié)構(gòu)體系。對(duì)該生活區(qū)進(jìn)行清潔能源供暖規(guī)劃，需對(duì)清潔能源資源潛力進(jìn)行分析。經(jīng)分析，洛陽(yáng)市供暖季多處于空氣源熱泵的一般結(jié)霜區(qū)域，結(jié)霜現(xiàn)象并不嚴(yán)重，適合采用空氣源熱泵供暖；生活區(qū)位于澗河Ⅱ級(jí)階地，地層以河流沖積層為主，土壤覆蓋層較厚，土層主要為砂土，換熱能力較好，適合采用土壤源熱泵供暖；洛陽(yáng)地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源三類地區(qū)，可以考慮作為輔助熱源加以利用。根據(jù)前文對(duì)以上三種供暖方式的分析，提出將可再生能源多源互補(bǔ)供暖系統(tǒng)應(yīng)用于該生活區(qū)冬季供暖。

(二)主要設(shè)備選型設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，先對(duì)建筑負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)建筑基礎(chǔ)資料，利用TRNSYS軟件，經(jīng)模擬計(jì)算該生活區(qū)建筑熱負(fù)荷為1312kW?；パa(bǔ)供暖系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)計(jì)選型中，參考相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)[2-4]，根據(jù)生活區(qū)可使用地埋管換熱器區(qū)域面積、土壤源熱泵供暖季取熱量、空氣源熱泵負(fù)擔(dān)負(fù)荷、水箱蓄熱量、設(shè)計(jì)換熱量以及流量及溫差等確定地埋管換熱器、土壤源熱泵機(jī)組、太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、板式換熱器以及水泵等主要設(shè)備的選型及規(guī)格?；パa(bǔ)供暖系統(tǒng)的模式為，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)，土壤源熱泵源側(cè)回水先與地埋管換熱再經(jīng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提升溫度，以空氣源熱泵和土壤源熱泵互補(bǔ)進(jìn)行供暖；過(guò)渡季太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)向地下土壤補(bǔ)熱。主要設(shè)備選型見表1。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

二、互補(bǔ)供暖系統(tǒng)效益分析

(一)經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)傳統(tǒng)燃煤鍋爐、單一土壤源熱泵、單一空氣源熱泵以及互補(bǔ)供暖系統(tǒng)這四種不同的供暖方式，分別從經(jīng)濟(jì)角度和環(huán)境角度進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)濟(jì)效益分析中，以費(fèi)用年值為衡量經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。費(fèi)用年值用如下公式表示。

式中，AC—費(fèi)用年值，萬(wàn)元；i—折現(xiàn)利率，取8%；m—設(shè)備壽命，年，取20年；C0—初投資，萬(wàn)元；C—年運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元。

按照設(shè)備選型以及資源消耗量計(jì)算四中供暖方式的費(fèi)用年值分別為41.38萬(wàn)元、97.47萬(wàn)元、96.97萬(wàn)元和86.56萬(wàn)元。分析表明，四種供暖方式中，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)除傳統(tǒng)燃煤鍋爐外，費(fèi)用年值最低，經(jīng)濟(jì)性最好。但燃煤鍋爐會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)排放大量污染物。

(二)環(huán)境效益分析

環(huán)境效益分析中，以污染物排放量為衡量環(huán)保性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。上文四種供暖方式中，消耗了燃煤以及電能。傳統(tǒng)燃煤鍋爐年耗煤量541.84t，折合成標(biāo)煤為511.17tce?；パa(bǔ)供暖系統(tǒng)年耗電量1001302kW·h，折合成標(biāo)煤為320.4tce。單一土壤源熱泵系統(tǒng)年耗電量1249881kW·h，折合成標(biāo)煤為399.96tce。單一空氣源熱泵系統(tǒng)年耗電量1503691kW·h，折合成標(biāo)煤為481.18tce。根據(jù)文獻(xiàn)[5]污染物排放系數(shù)，計(jì)算得到四種供暖方式的主要污染物排放量。結(jié)果表明，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)與單一土壤源熱泵相比，污染物排放減少19.9%；與單一空氣源熱泵相比，污染物排放減少33.4%；與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，污染物排放減少37.3%。說(shuō)明，互補(bǔ)供暖系統(tǒng)相較于其他常規(guī)供暖方式，減少了化石能源和二次能源的使用，減少了污染物的排放，具有顯著的環(huán)境效益。

四、結(jié)論

本文以洛陽(yáng)地區(qū)既有建筑為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了可再生能源多源互補(bǔ)供暖系統(tǒng)，以此為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了效益分析，結(jié)果總結(jié)如下：

1.本文以洛陽(yáng)某生活區(qū)建筑為對(duì)象，對(duì)建筑用能需求和可利用資源進(jìn)行了分析，確定了互補(bǔ)供暖系統(tǒng)在地的初步適用性。然后對(duì)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，介紹了設(shè)計(jì)流程和設(shè)備選型，對(duì)此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定參考意義。

2.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益分析，結(jié)果表明互補(bǔ)供暖系統(tǒng)與其他常規(guī)供暖方式相比相比，費(fèi)用年值較低、污染排放少。具有一定的顯著的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。