多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能系統(tǒng)熱力學(xué)分析與運(yùn)行優(yōu)化

王宇波，全貞花，靖赫然，王林成，趙耀華

（北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

引 言

近年來，我國北方清潔取暖的各項(xiàng)工作在相關(guān)政策的推動(dòng)下有序推進(jìn)，但單一技術(shù)產(chǎn)品的局限性[1-3]也阻礙著“煤改電”工程的深入開展，伴隨我國對(duì)加快能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、促進(jìn)清潔可再生能源消費(fèi)等方面的相關(guān)要求及支持，各種能源應(yīng)用形式不斷被發(fā)掘，已呈現(xiàn)“從單一能源到多能源互補(bǔ)”的發(fā)展勢(shì)頭[4]。同時(shí)“煤改電”推廣面臨的主要問題是能源供應(yīng)存在短板，部分地區(qū)的配電電網(wǎng)薄弱，改造成本極高，無法承擔(dān)高峰用電的負(fù)荷沖擊[5]。并且隨著電網(wǎng)壓力越來越大，政府出臺(tái)了分時(shí)電價(jià)政策，以鼓勵(lì)用電用戶減少高峰用電負(fù)荷。因此蓄能空調(diào)憑借削峰填谷、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)用[6]。所以，以太陽能、空氣能、水源能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉淳C合利用為主、結(jié)合蓄能的智慧供能技術(shù)，是未來供能系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。國內(nèi)外學(xué)者近年來對(duì)多能源互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究[7-10]。Emmi等[11]調(diào)查和比較了不同的多能源組合系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)包括PV/T組件、空氣散熱器和地源熱泵等，結(jié)果表明與普通空氣-水熱泵系統(tǒng)相比，多能源系統(tǒng)的能效提高了16%～25%。蔡俊杰等[12]提出一種相變蓄能-熱泵多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)。熱泵低溫?zé)嵩磥碜运Y(jié)成冰所釋放出的潛熱，再通過空氣能進(jìn)行融冰儲(chǔ)能，可以使系統(tǒng)高效運(yùn)行，解決了空氣源熱泵的結(jié)霜問題。李先庭等[13]提出了利用地下水池進(jìn)行季節(jié)性蓄熱的太陽能與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，并以烏魯木齊地區(qū)某宿舍為對(duì)象對(duì)該復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析,為該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。由此可見多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，并且涉及多種可再生能源的應(yīng)用，故進(jìn)行合理的性能分析并以此來優(yōu)化運(yùn)行有助于發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能潛力，并降低運(yùn)行費(fèi)用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而一直以來對(duì)供能系統(tǒng)的性能分析一般是建立在能量平衡的基礎(chǔ)上，這種方法應(yīng)用簡單、計(jì)算方便，在一定程度上反映了供能系統(tǒng)的節(jié)能效果。但是，這種方法忽略了能量中“質(zhì)”的利用和能量質(zhì)量的下降[14]。所以說以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能量分析法分析的結(jié)果往往會(huì)造成高效節(jié)能的假象，以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的分析逐漸受到越來越多的學(xué)者關(guān)注[15-17]。

本研究提出了一種可再生能源多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能的建筑供能系統(tǒng)，在可再生能源高效利用的同時(shí)，通過夜間蓄能，實(shí)現(xiàn)電力“移峰填谷”。對(duì)于本系統(tǒng)而言不僅涉及多種不同品位能源的互補(bǔ)梯級(jí)利用，同時(shí)蓄熱品位的高低也決定著蓄熱系統(tǒng)的蓄熱能力，單純利用能量分析不足以全面地評(píng)價(jià)出本系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，所以本文利用系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合能量、分析和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)對(duì)多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能建筑供能系統(tǒng)進(jìn)行冬季性能和運(yùn)行優(yōu)化的研究，并分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，為多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能建筑供能系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于山東某研究院，為辦公樓、地下室和實(shí)驗(yàn)室等4500 m2的建筑面積供能，系統(tǒng)主要由空氣源熱泵、水源熱泵、蓄能水箱、緩沖水箱、用戶末端和太陽能光伏光熱組件組成，如圖1所示。空氣源熱泵共兩臺(tái)，額定電功率為45 kW，有制冷和制熱兩個(gè)模式，兼顧蓄能和直供末端使用。水源熱泵為高溫水源熱泵，額定電功率為60 kW，僅用作冬季夜間提升蓄能水箱的蓄熱溫度。蓄能水箱作為冬夏季主要的蓄能裝置通過水來蓄能，容量為120 t。緩沖水箱容量為36 t，在夏季可蓄冷水，冬季不僅可用來收集光伏光熱組件的產(chǎn)熱，作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，同時(shí)也作為水源熱泵耦合空氣源熱泵運(yùn)行的緩沖，避免了機(jī)組的頻繁啟停，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。太陽能光伏光熱組件采用單晶硅光伏電池板，共280塊，每塊尺寸1650 mm×992 mm，峰值發(fā)電功率285 W。

系統(tǒng)共設(shè)置16個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過控制閥門啟閉，實(shí)現(xiàn)冬夏季不同蓄能供能的運(yùn)行模式。夏季夜間利用空氣源熱泵同時(shí)為蓄能水箱和緩沖水箱蓄冷水，白天水箱供冷，不足部分由空氣源熱泵直供補(bǔ)充。冬季夜間若環(huán)境溫度較高則單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵為蓄能水箱蓄熱；若環(huán)境溫度較低則水源熱泵耦合空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行為蓄能水箱蓄熱，空氣源熱泵加熱緩沖水箱，水源熱泵將緩沖水箱中的熱量提升到蓄能水箱中。白天利用蓄能水箱的熱量供暖。本文主要研究系統(tǒng)冬季的性能，其運(yùn)行模式見表1。

為了更好地對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制與管理，建立了智慧能源監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)包括日期和時(shí)間（即年、月、日、時(shí)、分）；熱泵機(jī)組電功率、進(jìn)出水溫度和流量；水箱內(nèi)部不同高度的溫度和進(jìn)出水口溫度，水箱的內(nèi)部設(shè)置高、中、低3個(gè)傳感器，溫度探點(diǎn)分別位于水箱的1/4、1/2和3/4處；PV/T組件供、回水溫度和流量；末端風(fēng)盤供、回水溫度和流量。本研究收集了2019—2020年系統(tǒng)冬季的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)備如圖2所示。

表1 系統(tǒng)冬季工作原理與運(yùn)行模式Table 1 Working principle and operation mode of the system in winter

圖2 多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能供能系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 The system photos

本系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，即熱源、輸送設(shè)備和蓄能水箱。能量從熱源開始，經(jīng)過不同的轉(zhuǎn)化過程，能質(zhì)不斷降低，最終被儲(chǔ)存在蓄能水箱中供白天用戶使用。由于不同部件的結(jié)構(gòu)和熱力過程不盡相同，為了得到普遍適用的結(jié)果，采用黑箱模型對(duì)系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行分析[18]。

2.1 熱泵

本系統(tǒng)含有水源熱泵和空氣源熱泵，它可以用相對(duì)較少的電能為代價(jià)，將能量從低溫設(shè)備傳遞至高溫設(shè)備中，分析模型如下[19]：

式中，EH是熱泵的輸出，kWh；EL是從低溫?zé)嵩刺崛〉臒崃?，kWh；П是損失，kWh；W是熱泵的耗功，kWh；T0是環(huán)境溫度，K；QH和QL分別是熱泵的制熱量和取熱量，kWh；TH和TL分別是高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟龋茷檫M(jìn)出水平均溫度，K；COP是熱泵的性能系數(shù)。

2.2 輸送設(shè)備

水泵是連接熱源與蓄能水箱的中間環(huán)節(jié)，在工質(zhì)輸送過程中，水泵所提供的能量逐步被管道中的沿程阻力與局部阻力所消耗，而工質(zhì)本身所攜帶的量并未改變。因此，本文將輸送設(shè)備的能耗看作只起到輔助能量系統(tǒng)完成循環(huán)作用的輔助能耗。由于水泵所消耗的電能全部是，因此將其能耗全部計(jì)入用能系統(tǒng)所消耗的中。

2.3 水箱

本系統(tǒng)含有緩沖水箱和蓄能水箱，廣義蓄能過程在保持能量平衡的基礎(chǔ)上，量也應(yīng)保持平衡，其平衡應(yīng)為進(jìn)入水箱的量等于水箱增量與散失之和，其分析模型如圖3所示[19]。同時(shí)值得注意的是對(duì)于蓄能水箱而言，由于其體積較大，高度較高，容易出現(xiàn)水體分層的現(xiàn)象，為了對(duì)水箱的分層特性和所具有的有用能效率進(jìn)行一個(gè)比較合理的評(píng)價(jià)，采用Rosen等[20]提出的分層水箱值計(jì)算方法。對(duì)于緩沖水箱而言體積較小，可認(rèn)為水箱內(nèi)部較為均勻。

圖3 水箱分析模型Fig.3 Exergy analysis model of water tank

式中，ΔEw是水箱的增量，kWh；Ew,in和Ew,out分別是水箱的輸入和輸出的熱量，kWh；Qw,in和Qw,out分別是水箱的輸入和輸出的熱量，kWh；T1～T4分別是水箱的四個(gè)進(jìn)出口水溫，K；mi是水箱每個(gè)分層的質(zhì)量，kg；Ti和Ti0分別是當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻水箱每個(gè)分層的溫度，K。

2.4 PV/T組件

PV/T組件熱電聯(lián)產(chǎn)，將白天產(chǎn)生的熱量收集在緩沖水箱中，在夜間供水源熱泵使用。由于實(shí)際系統(tǒng)太陽能環(huán)路尚未運(yùn)行，缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)，所以太陽能集熱性能采用模擬分析。PV/T組件采用平板微熱管陣列光伏光熱組件[21]，微熱管陣列貼合在光伏電池背板上，其冷凝端與水管換熱器通過導(dǎo)熱硅膠干式連接。前期課題組對(duì)PV/T組件的發(fā)電集熱效率進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，因此使用實(shí)驗(yàn)得到的PV/T組件性能建立模型，性能公式如下[22]：

式中，ηth是PV/T組件熱效率；ηo是PV/T組件綜合性能效率；TPVT,in是PV/T組件的進(jìn)口水溫，K；G是PV/T組件得到的太陽輻照度，kWh。

2.5 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于本系統(tǒng)而言，太陽能集熱和熱泵蓄熱并不會(huì)發(fā)生在同一時(shí)段，所以本文對(duì)于這兩個(gè)運(yùn)行工況是分開評(píng)價(jià)的。對(duì)于夜間系統(tǒng)消耗的是壓縮機(jī)和水泵的電能,產(chǎn)出的是蓄能水箱得熱；對(duì)于白天太陽能集熱系統(tǒng)消耗的是水泵的電能，產(chǎn)出的是緩沖水箱得熱和太陽能電池發(fā)電量。系統(tǒng)COP可用式(15)計(jì)算：

式中，ΔTw是水箱溫升，K；WAS和WWS分別是空氣源熱泵和水源熱泵的電功率，kWh；Wp是水泵的電功率，kWh。

3 系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化

3.1 典型工況的分析

為探究本系統(tǒng)的運(yùn)行性能，選取2019年12月31日為冬季典型工況日進(jìn)行性能分析，夜間平均氣溫-9℃左右，根據(jù)天氣條件，系統(tǒng)自動(dòng)選擇空氣源熱泵耦合水源熱泵聯(lián)合制熱工況運(yùn)行，空氣源熱泵為低溫過渡水箱制備25℃左右的低溫?zé)崴?，保證低溫環(huán)境下空氣源熱泵機(jī)組較高的COP；同時(shí)水源熱泵利用過渡水箱低溫?zé)崴鳛檎舭l(fā)器側(cè)低溫?zé)嵩?，為高溫蓄熱水箱制熱，其分析模型如圖4所示?？諝庠礋岜铆h(huán)路23:00開始啟動(dòng)，10 min后耦合水源熱泵環(huán)路串聯(lián)運(yùn)行達(dá)到完全穩(wěn)定的工作狀態(tài)。蓄熱工況持續(xù)8 h，谷電結(jié)束時(shí)蓄能水箱達(dá)到最高儲(chǔ)熱溫度57.5℃，聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)平均COP為2。圖中，W1、W2分別為空氣源熱泵和水源熱泵的耗功量，kWh；Q0為空氣源熱泵從環(huán)境的取熱量，kWh；Q1、E1分別為空氣源熱泵的制熱量和輸出量，kWh；Q2、E2分別為水源熱泵從緩沖水箱的取熱量和得到的量，kWh；Q3、E3分別為水源熱泵的制熱量和輸出量，kWh。

圖4 空氣源熱泵耦合水源熱泵梯級(jí)制熱工況分析模型Fig.4 Exergy analysis model of air source heat pump coupled with water source heat pump in heating condition

圖5 各部件效率Fig.5 Exergy efficiency of each component

圖6 各部件損率Fig.6 Exergy loss rate of each component

2019年12月31日白天中午最高氣溫為0.5℃，平均氣溫-1.86℃，PV/T組件的發(fā)電集熱量和效率如圖7所示。上午9：30PV/T組件表面太陽輻照度達(dá)到300 W/m2，集熱水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，緩沖水箱初始溫度為20℃。運(yùn)行初末期由于太陽方位角較大，影響了PV/T組件的發(fā)電集熱量，導(dǎo)致組件效率僅為5%。中午13:00左右PV/T組件表面太陽輻照度達(dá)到最高值680 W/m2，此時(shí)組件瞬時(shí)發(fā)電量和集熱量分別為90 kW和39.5 kW，組件效率達(dá)到13.08%。下午15：40系統(tǒng)停止工作，PV/T組件累計(jì)集熱量為351 kWh，緩沖水箱最終被加熱至33.14℃，所收集的熱量大約可維持水源熱泵運(yùn)行1.5 h，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。PV/T組件工作時(shí)系統(tǒng)的平均COP為10.35，平均效率為10.92%，其中平均集熱效率為1.57%，平均發(fā)電效率為9.35%，雖然較其他形式的PV/T系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢(shì)[23]，但是仍有可提升空間：①由于受屋頂坡度限制，PV/T組件的傾角僅為15℃，組件表面接受的太陽輻照度較小，增大傾角將更有利于提升組件的效率；②加大保溫層厚度，減少熱量的散失，提高組件的集熱效率。

圖7 PV/T組件發(fā)電集熱量和效率Fig.7 Power generation,heat collection and exergy efficiency of PV/Tmodules

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

由于實(shí)際系統(tǒng)絕大多數(shù)情況并非處在典型工況下運(yùn)行，故本節(jié)對(duì)多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能建筑供能系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。當(dāng)室外溫度升高，空氣源熱泵的制熱能力會(huì)有所上升，使其可以直接為蓄能水箱蓄熱。單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵蓄熱工況減少了設(shè)備的使用，在一定情況下會(huì)使得系統(tǒng)的損失低于水源熱泵耦合空氣源熱泵聯(lián)合蓄熱工況，提升了系統(tǒng)的整體性能，所以選擇合適的蓄能工況成為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵。下面分別對(duì)這兩種工況進(jìn)行性能和分析。

空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱工況下系統(tǒng)性能易受室外環(huán)境和蓄能水箱溫度變化的影響，如圖8所示。隨著蓄能水箱的溫度升高，系統(tǒng)COP呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)蓄能水箱溫度達(dá)到52℃后空氣源熱泵基本喪失制熱能力；隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)COP呈上升趨勢(shì)。環(huán)境溫度和水箱溫度不僅會(huì)對(duì)系統(tǒng)COP產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響系統(tǒng)收益熱量的大小，由圖8可見，環(huán)境溫度的降低和蓄能水箱溫度的升高所帶來的COP的降低基本可以抵消收益熱量的升高，所以可以認(rèn)為空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱的系統(tǒng)效率不受環(huán)境溫度變化的影響，基本穩(wěn)定在0.29±0.02的范圍內(nèi)；隨著蓄能水箱溫度的升高，系統(tǒng)效率略微下降，水箱溫度達(dá)到52℃后受機(jī)組性能下降的影響，系統(tǒng)效率急速下降。

圖8 空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱工況性能Fig.8 Performance of air source heat pump under separate heat storage condition

而水源熱泵耦合空氣源熱泵聯(lián)合蓄熱工況下系統(tǒng)性能更為穩(wěn)定，如圖9所示。系統(tǒng)COP基本不受室外環(huán)境溫度變化的影響，隨蓄能水箱溫度的升高系統(tǒng)COP呈線性下降的趨勢(shì)，當(dāng)蓄能水箱溫度達(dá)到56℃后系統(tǒng)COP急劇下降，但依舊可以保持在1.5左右,直至蓄能水箱溫度達(dá)到58℃蓄能結(jié)束。但是由于環(huán)境溫度的降低和蓄能水箱溫度的升高都會(huì)使系統(tǒng)收益的熱量升高，導(dǎo)致環(huán)境溫度和蓄能水箱溫度對(duì)聯(lián)合蓄熱系統(tǒng)效率的影響較大。隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)效率呈上升趨勢(shì)，最高可達(dá)到0.34；隨著蓄能水箱溫度的升高系統(tǒng)效率同樣呈上升趨勢(shì)，上升幅度在0.05左右，效率的波動(dòng)范圍在±0.01左右。

由以上分析可以看出，蓄能水箱溫度對(duì)于空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱系統(tǒng)COP的影響要比對(duì)水源熱泵耦合空氣源熱泵聯(lián)合蓄熱系統(tǒng)COP的影響大，這就導(dǎo)致這兩種工況的系統(tǒng)效率曲線變化趨勢(shì)不同，說明存在最優(yōu)工況的選擇，以保證系統(tǒng)處在較高的效率下運(yùn)行。因此擬合了不同室外環(huán)境溫度下兩種工況效率隨蓄能水箱溫度的變化曲線，如圖10所示?？梢钥吹疆?dāng)室外環(huán)境溫度低于-2℃時(shí)聯(lián)合運(yùn)行蓄熱的效率要優(yōu)于空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱;當(dāng)室外環(huán)境溫度介于-2～3℃時(shí)存在一個(gè)分界點(diǎn)溫度,若蓄能水箱溫度低于分界點(diǎn)溫度則空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱的效率較高,反之聯(lián)合運(yùn)行蓄能的效率較高;當(dāng)室外環(huán)境溫度高于3℃時(shí)空氣源熱泵單獨(dú)蓄熱的效率要高于聯(lián)合運(yùn)行蓄熱。

圖9 水源熱泵耦合空氣源熱泵聯(lián)合蓄熱工況性能Fig.9 Performance of water source heat pump coupled with air source heat pump under heat storage condition

圖10 兩種蓄熱工況效率變化Fig.10 Changeof exergy efficiency under two heat storage conditions

基于以上分析，可以確定本系統(tǒng)冬季通過當(dāng)天氣象數(shù)據(jù)選擇夜間的蓄熱工況。若夜間室外平均溫度T0＞3℃，則只運(yùn)行空氣源熱泵單獨(dú)儲(chǔ)熱工況，當(dāng)蓄能水箱溫度達(dá)到52℃仍不能滿足第二天的供能需求則切換至聯(lián)合蓄熱工況；若室外平均溫度-2＜T0＜3℃，則先運(yùn)行空氣源熱泵單獨(dú)儲(chǔ)熱工況，至蓄能水箱溫度達(dá)到45℃再運(yùn)行水源熱泵耦合空氣源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行工況；若室外平均溫度T0＜-2℃，則只運(yùn)行水源熱泵耦合空氣源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行工況。

4 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)依據(jù)熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合的原理，可以有效地解決供能系統(tǒng)“節(jié)能”和“省錢”的矛盾，更為全面地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。分別對(duì)多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能建筑供能系統(tǒng)、常規(guī)空氣源熱泵直供系統(tǒng)和燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)計(jì)算[26]，比較其經(jīng)濟(jì)效益。

2019年11月至2020年4月共計(jì)供熱5個(gè)月，累計(jì)供熱量約為25.3×104kWh。當(dāng)?shù)孛咳针妰r(jià)可分為4個(gè)用電時(shí)段：23:00至次日7:00為電價(jià)低谷時(shí)段，電價(jià)為0.32 CNY/kWh；8:30～11:30及16:00～21:00為電價(jià)高峰時(shí)段，電價(jià)為0.92 CNY/kWh；其中10:30～11:30和19:00～21:00為電價(jià)尖峰時(shí)段，電價(jià)為1.02 CNY/kWh；其余時(shí)間為平電時(shí)段，電價(jià)為0.61 CNY/kWh。當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格為3.36 CNY/m3。經(jīng)計(jì)算，多能互補(bǔ)系統(tǒng)供熱費(fèi)用5.6萬元，單位面積供熱費(fèi)用12.5 CNY/m2；常規(guī)空氣源熱泵直供系統(tǒng)基準(zhǔn)COP按3.0計(jì)算，供熱費(fèi)用為22 CNY/m2，供熱總費(fèi)用約為8.8萬元；燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)供熱費(fèi)用9.44萬元，單位面積供熱費(fèi)用23.6 CNY/m2。本系統(tǒng)冬季的運(yùn)行費(fèi)用分別為常規(guī)空氣源熱泵直供系統(tǒng)和燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)的61.8%和53.5%，運(yùn)行節(jié)錢優(yōu)勢(shì)明顯。

但是，由于多能互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)備投資明顯大于常規(guī)系統(tǒng)，其用于供熱的設(shè)備投資約為23.5萬元。而常規(guī)空氣源熱泵供能系統(tǒng)和燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)的供熱設(shè)備投資分別約為6.5萬元和6萬元。假設(shè)系統(tǒng)壽命為20年，年利率為4.5%，系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用按初投資費(fèi)用的3%確定，將初投資和運(yùn)行投資合并計(jì)算為年度化費(fèi)用。得到多能互補(bǔ)系統(tǒng)供熱年度化費(fèi)用為8.48萬元，年單位成本2.16 CNY/kWh；常規(guī)空氣源熱泵直供系統(tǒng)年度化費(fèi)用為9.7萬元，年單位成本2.95 CNY/kWh；燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)年度化費(fèi)用為10.05萬元，年單位成本2.83 CNY/kWh。經(jīng)計(jì)算多能互補(bǔ)系統(tǒng)相較于空氣源熱泵直供系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)回收期為3.66年，相較于燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)回收期為2.47年，可見雖然多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能建筑供能系統(tǒng)相較于常規(guī)系統(tǒng)的初投資較大，但從長遠(yuǎn)來看具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

5結(jié) 論

本文基于熱力學(xué)分析方法，對(duì)多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能供能系統(tǒng)冬季蓄能工況進(jìn)行了性能分析與運(yùn)行優(yōu)化。主要結(jié)論如下。

(2)系統(tǒng)PV/T充分利用了光伏電池的廢熱作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，提高了系統(tǒng)的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性。PV/T組件工作時(shí)系統(tǒng)的平均COP為10.35，平均效率為10.92%，較其他常規(guī)形式的PV/T系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢(shì)。

(4)多能互補(bǔ)協(xié)同蓄能供能系統(tǒng)單位面積供熱費(fèi)用僅為12.5元/m2，其年度供熱費(fèi)用和年單位成本分別為8.48萬元和2.16 CNY/kWh，均低于常規(guī)空氣源熱泵直供系統(tǒng)和燃?xì)鉄崴仩t供暖系統(tǒng)，相較于這兩種常規(guī)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)回收期分別為3.66年和2.47年。該系統(tǒng)將有助于解決中國北方地區(qū)清潔供暖相關(guān)問題，是值得推廣的供能系統(tǒng)形式。

符號(hào)說明

COP——性能系數(shù)

c——比熱容，J/(kg·K)

di——設(shè)備的損率

E——量，kWh

G——太陽輻照度，kWh

m——質(zhì)量，kg

Q——熱量，kWh

T——熱力學(xué)溫度，K

T1,T2,T3,T4——分別為水箱的四個(gè)進(jìn)出口水溫，K

W——設(shè)備耗功量，kWh

П——損失，kWh

η——效率

下角標(biāo)

AS——空氣源熱泵

H——高溫?zé)嵩?/p>

in——入口

L——低溫?zé)嵩?/p>

o——綜合性能

out——出口

PVT——PV/T組件

p——水泵

pv——光伏發(fā)電

s——太陽

th——PV/T集熱

WS——水源熱泵

w——水箱

0——室外環(huán)境