一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)研究

黃晨茜 胡秋月 朱新博

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

目前，我國的光伏光熱建筑一體化技術(shù)還處于起步階段，國內(nèi)市場也很廣闊，為新技術(shù)的生長提供了充足的空間[1]。太陽能熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電來為熱泵系統(tǒng)提供電能，以達(dá)到節(jié)能的目的。我國有大量學(xué)者對此做了相關(guān)研究分析[2-3]，歐美及日本等國家也對“零能耗建筑”做了研究，如何利用清潔能源解決供熱、制冷能耗問題是全世界普遍存在的難題[4]。本文將提出一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電、光熱板集熱結(jié)合熱泵系統(tǒng)為建筑物不間斷提供生活熱水和采暖的需求，同時達(dá)到零能耗的目標(biāo)[5]。

1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)的模擬

1.1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)的建立

本文提出一種新型復(fù)合熱泵近零能耗供熱系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)僅利用太陽能這種清潔能源就可實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)，滿足家庭采暖及生活熱水的需求。復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)由六大模塊組成，分別是光伏發(fā)電模塊、光熱集熱模塊、循環(huán)熱泵系統(tǒng)模塊、集熱水箱模塊、一次換熱水箱模塊、二次換熱水箱模塊。

圖1 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)研究

本文所述復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)可分為以下3種實(shí)施情形：

1）光伏發(fā)電板負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)中用電設(shè)備的用電需求，如水泵、壓縮機(jī)等，蓄電池用來存儲多余電量，以備夜晚/陰雨天氣太陽能保證率低時的情形使用。

2）光熱集熱板將集熱模板中的水循環(huán)加熱，再通過水泵及水-水換熱器將熱能傳遞到一次換熱水箱內(nèi)存儲。當(dāng)一次換熱水箱上的測溫器檢測到水溫達(dá)到生活用熱水（50～60 ℃）的要求時，與供生活熱水管道連接的溫控閥開啟，提供生活用熱水；當(dāng)同時有采暖需求時，與集熱水箱連接的測溫閥開啟，利用換熱盤管加熱供暖用水，溫度達(dá)到供暖溫度（35～45 ℃）要求時，供暖循環(huán)開啟。

3）當(dāng)一次換熱水箱溫度達(dá)不到生活用熱水的要求時，循環(huán)熱泵系統(tǒng)模塊開啟，對來自一次換熱水箱的熱水進(jìn)行二次加熱，直至達(dá)到生活用熱水的要求，為用戶提供滿足水溫要求的生活熱水；當(dāng)溫度達(dá)不到供暖需求時，關(guān)閉一次換熱水箱與集熱水箱的熱交換，開啟二次換熱水箱與集熱水箱的熱交換，為用戶提供滿足水溫要求的供暖用水。

1.2 建立系統(tǒng)模擬基礎(chǔ)建筑模型

依托位于鄭州地區(qū)的云智小鎮(zhèn)項(xiàng)目，利用DeST-h建筑能耗模擬軟件，模擬建立1棟建筑面積為202 m2，采暖面積為173 m2的2層別墅，在具體氣象參數(shù)下模擬出該建筑物一年所需的生活用熱水及采暖能耗情況。圖2為利用DeST-h建立的日照立體圖。

圖2 日照立體圖

1.3 光熱集熱器上總太陽輻照量計算

光熱集熱器具有一個最佳傾角，來保證光熱集熱器能夠最高效地運(yùn)行，光熱集熱器上總太陽輻照量由太陽集熱面板上的直接輻射輻照量和散射輻射輻照量，以及地平面上的散射輻射輻照量組成[6]。

1.4 建立復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型

利用TRNSYS系統(tǒng)模擬軟件，建立如圖3所示的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型，將前文利用DeST-h模擬出的建筑能耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入TRNSYS模型中，在得出系統(tǒng)模擬運(yùn)行參數(shù)后，進(jìn)行復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)可行性分析。

圖3 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)TRNSYS模型

設(shè)定模擬條件：系統(tǒng)每天消耗水溫為15 ℃的冷水量為1 kg，作為生活用熱水消耗量。能耗設(shè)定時可忽略系統(tǒng)中4個循環(huán)水泵，因其能耗與熱泵相比可忽略不計。每月預(yù)設(shè)系統(tǒng)熱損失率為10%～20%。本模型采用氣象數(shù)據(jù)生成軟件Meteonorm生成TMY2典型氣象年參數(shù)數(shù)據(jù)[7]。

2 復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)模塊分析

根據(jù)鄭州地區(qū)的氣象特點(diǎn)以及全年氣象變化參數(shù)來制定模型全年運(yùn)行控制策略，熱泵系統(tǒng)每月夜間最佳運(yùn)行時長如表1所示。

表1 熱泵系統(tǒng)每月夜間最佳運(yùn)行時長

參考青島理工大學(xué)提出的并聯(lián)式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行最佳的控制策略[8]，針對鄭州地區(qū)的地域特點(diǎn)以及本文提出的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，總結(jié)出適合本模型的最佳模型控制策略：集熱水箱的設(shè)計溫度為45 ℃；補(bǔ)充水箱水量時間為23：00～24：00；光熱集熱系統(tǒng)利用溫差控制原理進(jìn)行蓄熱，時間控制在6：00～18：00。

TRNSYS模型經(jīng)過多次試運(yùn)行調(diào)整，最終設(shè)定：由80 m2的光熱集熱板組成的光熱集熱系統(tǒng)，以及由17.3 kW的單晶硅太陽能電池組成的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。調(diào)試完成后，運(yùn)行TRNSYS模型可以得到每日集熱器的總集熱量、熱泵系統(tǒng)的供熱量、熱泵系統(tǒng)的能耗等參數(shù)。

由圖4可以得到復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)在鄭州地區(qū)逐月的供熱量[9]，包括光熱板集熱裝置的集熱量與光伏發(fā)電板發(fā)電為熱泵系統(tǒng)供能所得到的供熱量。據(jù)統(tǒng)計：建立的別墅模型一年總耗能為2.72×104kW·h（相當(dāng)于9.792×107kJ），復(fù)合熱泵系統(tǒng)模型一年總集熱量為11.365×107kJ。總體來看，6、7、8月的光熱集熱量在當(dāng)月總集熱量的占比偏高，1、2、12月的光熱集熱量在當(dāng)月總集熱量的占比偏低，究其原因是夏季太陽能保證率高，導(dǎo)致光熱集熱量占比高。

圖4 各月總集熱量情況

由圖5可知，每月系統(tǒng)集熱量可以滿足建筑物的能耗需求。供熱曲線和能耗曲線在4月至9月始終維持在較低的水平，分析原因可知：復(fù)合熱泵系統(tǒng)TRNSYS模型根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行供能調(diào)整，會對夏季多余的發(fā)電量進(jìn)行儲存、再利用。

圖5 建筑物能耗與系統(tǒng)供熱量對比

圖6顯示了復(fù)合熱泵系統(tǒng)模型逐月COP值（制熱性能系數(shù)）的變化情況。冬季的熱泵循環(huán)性能系數(shù)值保持在相對較低的水平，最低月平均COP值為4.65，夏季熱泵的能效比可以保持在較高的水平，最高月平均COP值為7.46，月平均COP值變化曲線呈現(xiàn)出先由低到高，后由高到低的變化趨勢，并在7月份達(dá)到最大值，供熱系統(tǒng)的供熱性能保持在較高的水平。建立的系統(tǒng)模型除了可以滿足日常供暖需求外，每日還有剩余電能可以回收再利用，特別是5—9月，每日可以回收利用大量電能。根據(jù)匯總的每月系統(tǒng)發(fā)電量，與每月系統(tǒng)模型總能耗進(jìn)行比對，繪制出系統(tǒng)發(fā)電量與建筑物總能耗對比圖（圖7）。

圖6 系統(tǒng)模型逐月COP變化曲線

圖7 系統(tǒng)發(fā)電量與建筑物總能耗

由圖7可知，系統(tǒng)模型每日發(fā)電量在1、12月基本可以滿足系統(tǒng)能耗，剩余電量不多。從1月起，光伏系統(tǒng)發(fā)電量總體呈現(xiàn)出由低到高的變化趨勢，在7月達(dá)到最大值，然后呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢。而建筑物采暖能耗呈現(xiàn)出由高到低，再由低到高的變化趨勢，總體趨勢較為平緩。據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)模型一年總發(fā)電量富余5.04×107kJ。2019年，我國在《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》的基礎(chǔ)上[10]，將分布式光伏項(xiàng)目替換為戶用光伏項(xiàng)目，按照0.18元/kW·h的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)來計算，采用本系統(tǒng)的模型建筑物在滿足自身供暖需求的基礎(chǔ)上，一年預(yù)計可獲政策補(bǔ)貼2 520元。

利用建筑能耗模擬軟件，虛擬建立的位于鄭州地區(qū)的建筑面積為202 m2，采暖面積為173 m2的2層別墅，按照6.48元/m2（采暖季的鄭州采暖熱價）計算，該建筑物的采暖費(fèi)用約為1 121元/a。生活用電計費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按照0.56元/kW·h計算，假設(shè)每人每天采暖耗電量約為5 kW·h，采暖用電費(fèi)用約為1 022元/a。使用本文提出的復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，202 m2的建筑物一年預(yù)計節(jié)省2 143元，光伏發(fā)電并網(wǎng)可獲益2 520元，合計4 663元。若本系統(tǒng)得以推廣使用，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)語

依托鄭州云智小鎮(zhèn)別墅群項(xiàng)目打造出一種“零能耗建筑”，通過DeST-h建立了鄭州地區(qū)建筑面積為202 m2的別墅模型，模擬出一年的建筑總能耗為2.72×104kW·h（相當(dāng)于9.792×107kJ）；創(chuàng)新性地提出一種新型復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)，通過TRNSYS模擬出建筑物在該系統(tǒng)輔助下的總集熱量為11.365×107kJ；通過日供熱量與日集熱量的對比，驗(yàn)證了“零能耗建筑”的可行性，打造的“零能耗建筑”系統(tǒng)在僅利用太陽能資源的情況下，除了為建筑物持續(xù)提供溫度為35～45 ℃的采暖用熱水和45～65 ℃的生活用熱水外，還能將剩余電能進(jìn)行并網(wǎng)獲益，一年預(yù)計節(jié)省2 143元，光伏發(fā)電并網(wǎng)獲益2 520元，合計4 663元。另外，也將建立光伏/光熱復(fù)合熱泵供熱系統(tǒng)測試平臺，在鄭州地區(qū)進(jìn)行一年以上的試驗(yàn)研究及分析，最后對理論數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析試驗(yàn)結(jié)果是否能夠滿足建筑物零能耗的目標(biāo)，以期為我國建筑節(jié)能領(lǐng)域“零能耗建筑”的發(fā)展提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

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