0引言

現(xiàn)階段，我國(guó)供暖地區(qū)主要采用以燃煤為主的常規(guī)能源，由于供暖面積增大，有熱網(wǎng)無(wú)法滿足小區(qū)供暖需求現(xiàn)象普遍存在，而這些地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富，利用太陽(yáng)能滿足供暖需求前景巨大?；诒狈胶涞貐^(qū)的氣候特點(diǎn)及供熱現(xiàn)狀，本文提出太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)與熱網(wǎng)相結(jié)合的互補(bǔ)供熱方式。太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)的初投資較高，很多情況下，僅地源熱泵系統(tǒng)靜態(tài)增量投資回收期高達(dá)10年甚至更高^[1，2]，這說(shuō)明地源熱泵較低運(yùn)行費(fèi)用不一定能夠補(bǔ)償其較高的初投資。而太陽(yáng)能-地源熱泵與熱網(wǎng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)由于熱網(wǎng)承擔(dān)了一部分負(fù)荷，很大程度節(jié)省初投資，從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)上述情況提出了太陽(yáng)能-地源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，并簡(jiǎn)要介紹了其運(yùn)行方式；從能耗和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面分析地源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)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(duì)太陽(yáng)能補(bǔ)熱系統(tǒng)在整個(gè)供暖期進(jìn)行了仿真模擬，研究互補(bǔ)供熱系統(tǒng)在我國(guó)東北嚴(yán)寒地區(qū)條件下的適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性，以期為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1互補(bǔ)供熱系統(tǒng)組成及運(yùn)行方式

本文所建立的互補(bǔ)供熱系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、地下埋管換熱器系統(tǒng)、熱泵機(jī)組系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)四套管路循環(huán)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同室外天氣條件以及室內(nèi)熱負(fù)荷的波動(dòng)情況，切換相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式，在整個(gè)供暖期間，城市熱網(wǎng)都承擔(dān)一定的負(fù)荷，其他負(fù)荷由太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)提供。盡可能的利用太陽(yáng)能與地?zé)崮?，熱網(wǎng)作為輔助能源，具體調(diào)節(jié)方式如下：

1. 在供暖初始階段，由太陽(yáng)能系統(tǒng)和熱網(wǎng)互補(bǔ)供熱，白天室外天氣晴好，而熱負(fù)荷較小時(shí)，經(jīng)集熱器加熱后的供水溫度Tg高于50℃時(shí)，太陽(yáng)能可以直接用于供暖。此時(shí)閥門(mén)S1到S7，V5、V6開(kāi)啟，其他閥門(mén)關(guān)閉，供熱和集熱循環(huán)水泵開(kāi)啟，換熱循環(huán)水泵關(guān)閉，地源熱泵機(jī)組關(guān)閉。

2.當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度在40℃<Tg<50℃時(shí)，熱水不能直接用于供暖，此時(shí)熱水進(jìn)入機(jī)組的冷凝器與地源熱泵串聯(lián)，三者互補(bǔ)供暖。此時(shí)閥門(mén)V7、V8關(guān)閉，其他閥門(mén)開(kāi)啟，循環(huán)水泵均開(kāi)啟，地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟。

3.當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度在30℃<Tg<40℃時(shí)，熱水不能被直接利用，與地埋管換熱器串聯(lián)使其升溫，利用地源熱泵和熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖。此時(shí)閥門(mén)V5、V6關(guān)閉，其他閥門(mén)開(kāi)啟，水循環(huán)泵均開(kāi)啟，地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟。

4.當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度在15℃<Tg<30℃時(shí)，熱水不能被直接利用，直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，利用地源熱泵和熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖。此時(shí)閥門(mén)V5、V6關(guān)閉，其他閥門(mén)開(kāi)啟，循環(huán)泵水泵均開(kāi)啟，地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟。

5. 當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度低于15℃時(shí)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)停止運(yùn)行，僅用熱泵系統(tǒng)和熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖。此時(shí)，閥門(mén)V5、V6、V7、V8關(guān)閉，其他閥門(mén)開(kāi)啟，換熱和供熱循環(huán)水泵開(kāi)啟，集熱循環(huán)水泵關(guān)閉，地源熱泵機(jī)組開(kāi)啟?；パa(bǔ)供熱系統(tǒng)如圖1所示。

2熱網(wǎng)調(diào)節(jié)模式能耗分布

為了準(zhǔn)確模擬供暖期間的總?cè)济毫?，必須明確供暖期各時(shí)刻的負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化。本文運(yùn)用Dest軟件模擬典型民用建筑的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷，為供暖期間總?cè)济毫康挠?jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某住宅小區(qū)的一棟樓進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬?；鶞?zhǔn)建筑位于遼寧省沈陽(yáng)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(jù)熱網(wǎng)調(diào)節(jié)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(duì)時(shí)間。

從上圖可以看出，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷所占時(shí)間很短，絕大多數(shù)時(shí)間是部分負(fù)荷。對(duì)于住宅建筑來(lái)說(shuō)，20%~70%設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間最長(zhǎng)，占到總采暖時(shí)間的63%，而最大負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間僅有1小時(shí)，平均負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的25.14%。所以，逐時(shí)負(fù)荷才是方案燃料耗量的真實(shí)值根本依據(jù)，而不是設(shè)計(jì)負(fù)荷。

3地源熱泵- 熱網(wǎng)系統(tǒng)互補(bǔ)供熱燃料耗量計(jì)算

太陽(yáng)能不穩(wěn)定，所以為了滿足末端的供熱、供冷需求，在設(shè)計(jì)工況下，地源熱泵和熱網(wǎng)系統(tǒng)的容量配置不能減小，必須以沒(méi)有太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)配置地源熱泵系統(tǒng)的主機(jī)、水泵、地埋管數(shù)量等。所本文先給定地源熱泵-熱網(wǎng)系統(tǒng)的最佳能源匹配，再給定太陽(yáng)能集熱器的最佳集熱面積。

互補(bǔ)供熱方式中，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)絕大部分負(fù)荷，熱網(wǎng)承擔(dān)部分負(fù)荷，充分發(fā)揮熱泵的節(jié)能特性和熱網(wǎng)較低的初投資，做到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的最佳組合。針對(duì)基準(zhǔn)建筑，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%這13種條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

 

 

對(duì)于基準(zhǔn)建筑來(lái)說(shuō)，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷比從40%增加到70%時(shí)，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，而熱網(wǎng)的供熱量?jī)H占10.40%。熱網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間從82.5%減小到37.5%。而當(dāng)熱泵承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷繼續(xù)增加時(shí)，其供熱量增加和熱網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間減小的速度變緩。

設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加，互補(bǔ)供暖方式的標(biāo)煤耗量逐漸減小。對(duì)于住宅建筑來(lái)說(shuō)，就地源熱泵系統(tǒng)而言，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比從70%增加到100%時(shí)，其標(biāo)煤耗量?jī)H降低5.22%。所以對(duì)于住宅建筑，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷為70%，熱網(wǎng)承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的30%是比較節(jié)能合理的方案。表1為不同方案燃料的標(biāo)煤耗量。

 

4不同方案經(jīng)濟(jì)計(jì)算

地源熱泵系統(tǒng)造價(jià)的因素主要包括三個(gè)方面：使用地區(qū)、建筑結(jié)構(gòu)與功能以及地方政策。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際工程測(cè)算，地下水源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)投資約150（元/m²）~200（元/m²）；燃?xì)夥稚㈠仩t房供暖系統(tǒng)投資約100（元/m²）~150（元/m²）；熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)投資約200（元/m²）（包括增容費(fèi)）^[3]，采暖末端設(shè)備的初投資約40（元/m²）~50（元/m²）。按照每天運(yùn)行24h，負(fù)荷率為0.8。對(duì)于基準(zhǔn)建筑，在不同輔助熱源配置情況下初投資、運(yùn)行費(fèi)用如圖4所示。

為了將系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用綜合起來(lái)考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，本文通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用來(lái)獲得經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。根據(jù)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)基本原理，假設(shè)銀行貸款年利率i=8%，壽命期30年，計(jì)算項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。圖5給出了不同方案系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。

由于增加系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用成反比，導(dǎo)致凈現(xiàn)值先逐漸升高，而后又緩慢降低。當(dāng)?shù)卦礋岜贸袚?dān)65%的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，可以獲得最大的費(fèi)用現(xiàn)值（62.82 萬(wàn)元），內(nèi)部收益率（16.12%遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的銀行貸款利率8%），動(dòng)態(tài)回收期為8.77年?？梢垣@得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。

5太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)仿真模擬分析

太陽(yáng)能集熱器面積及末端所需的供回水溫度是影響太陽(yáng)能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)互補(bǔ)運(yùn)行方式的兩大主要因素。沈陽(yáng)的供暖期天數(shù)為151天，共3624小時(shí)，在典型的氣象年中，有太陽(yáng)輻照的時(shí)間為1472小時(shí)，約占總供暖時(shí)間40.63%。為了便于分析，本文對(duì)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(yáng)能系統(tǒng)仿真模型。

設(shè)定集熱器的面積分別為180m²、300m²、500m²及1000m²四種條件，對(duì)其在供暖季的供水溫度進(jìn)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(yáng)能系統(tǒng)的出水溫度。

集熱器面積由180m²增加到1000m²時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度超過(guò)40益影響不太大，由210h（占總供暖時(shí)間的5.79%）增加到340h（占總供暖時(shí)間的9.38%），但對(duì)于超過(guò)50益時(shí)間的影響較大，由0h（占總供暖時(shí)間的0%）增加到275h（占總供暖時(shí)間的9.02%）。

對(duì)于太陽(yáng)能-地源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供熱系統(tǒng)與地源熱泵-熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，地源熱泵-熱網(wǎng)系統(tǒng)的造價(jià)是完全一樣的，所以只需要考慮因?yàn)樘?yáng)能系統(tǒng)導(dǎo)致初投資增加。因?yàn)樘?yáng)能是清潔免費(fèi)能源，它的使用會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

圖11 給出了太陽(yáng)能系統(tǒng)不同集熱面積的初投資和節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。假設(shè)銀行的貸款年利率i=8%，壽命期30 年，計(jì)算項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)回收期及凈現(xiàn)值。圖12給出了不同太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積下的凈現(xiàn)值和投資回收期。

由于增加系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用成反比，導(dǎo)致凈現(xiàn)值先逐漸升高，而后降低。當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積超過(guò)300m²時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)投資方案的凈現(xiàn)值小于0，這就說(shuō)明該工程項(xiàng)目已經(jīng)出現(xiàn)虧損，當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積小于300m²時(shí)，方案的凈現(xiàn)值大于0，工程項(xiàng)目可以得益。當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積為300m²（即建筑每平方米空調(diào)面積需要0.045m2集熱面積）左右時(shí)，獲得最大的費(fèi)用現(xiàn)值（2.70萬(wàn)元），最短投資回收期15.5年，以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果。

 

6結(jié)論

1.對(duì)于住宅建筑，20%~70%設(shè)計(jì)負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間最長(zhǎng)，占到總采暖時(shí)間的63%，而最大負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間僅為1小時(shí)，平均負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的25.14%。

2. 地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷比從40%增加到70%時(shí)，熱泵供熱量從47.80%增加到89.61%，熱網(wǎng)的供熱量?jī)H占10.40%，熱網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間從82.5%減小到37.5%，而其標(biāo)煤耗量?jī)H降低了5.22%。對(duì)于住宅建筑，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的設(shè)計(jì)負(fù)荷為70%，熱網(wǎng)承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的30%比較節(jié)能、合理。

3. 當(dāng)?shù)卦礋岜贸袚?dān)65%的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，可以獲得最大的費(fèi)用現(xiàn)值（62.82 萬(wàn)元），內(nèi)部收益率為16.12%（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的銀行貸款利率8%），動(dòng)態(tài)回收期為8.77 年?？梢垣@得最佳經(jīng)濟(jì)效果。

4. 隨著太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積的增大，系統(tǒng)的出水溫度超過(guò)50益的時(shí)間逐漸增加，但對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)出水溫度超過(guò)40℃影響不大。

5. 當(dāng)太陽(yáng)能集熱面積大于300m2時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)投資方案的凈現(xiàn)值小于0，此時(shí)工程項(xiàng)目已經(jīng)出現(xiàn)虧損。當(dāng)太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱面積為300m2左右時(shí)（即建筑每m2空調(diào)面積需要0.045m²集熱面積），獲得最大的費(fèi)用現(xiàn)值，可以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果。