严寒地区太阳能-地源热泵与热网互补供热系统配比研究

0 前言

现阶段，我国供暖地区主要采用以燃煤为主的常规能源，由于供暖面积增大，已有热网无法满足小区供暖需求现象普遍存在，而这些地区太阳能资源非常丰富，利用太阳能满足供暖需求前景巨大。基于北方寒冷地区的气候特点及供热现状，本文提出太阳能-地源热泵系统与热网相结合的互补供热方式。太阳能-地源热泵系统的初投资一般较高，很多情况下仅地源热泵系统静态增量投资回收期高达10年甚至更高，这说明地源热泵较低运行费用不一定能够补偿其较高的初投资。而太阳能-地源热泵与热网联合供暖系统由于热网承担了一部分负荷，很大程度上节省了初投资，从而提高了系统的经济性。本文提出太阳能-地源热泵与热网互补供热系统，并简要介绍其运行方式；从能耗和经济性两个方面分析地源热泵与热网互补供热的比例，给出两者最佳能源配比；以TRNSYS仿真模拟软件为工具，对太阳能补热系统在整个供暖期进行仿真模拟，研究互补供热系统在我国东北严寒地区条件下的适应性与经济性，以期为实际工程的设计提供一定参考。

1、互补供热系统的组成及运行方式

本文所建立的互补供热系统主要由太阳能集热系统、地下埋管换热器系统、热泵机组系统和热网系统四套管路循环系统组成。其系统原理见图1。该系统可根据不同室外天气条件以及室内热负荷的波动情况，切换相对应的运行模式，在整个供暖期间，城市热网都承担一定负荷，其他负荷由太阳能-地源热泵系统提供。尽可能地利用太阳能与地热能，热网作为辅助能源，具体调节方式如下：

（1）在供暖初始阶段，由太阳能系统和热网互补供热，白天室外天气晴好而热负荷较小时，经集热器加热后的供水温度Tg高于50℃时，太阳能可以直接用于供暖。此时阀门S1到S7，V5、V6开启，其他阀门关闭，供热和集热循环水泵开启，换热循环水泵和地源热泵机组关闭。

（2）当太阳能系统出水温度在40℃<Tg<50℃时，热水不能直接用于供暖，此时热水进入机组的冷凝器与地源热泵串联，三者互补供暖。此时阀门V7、V8关闭，其他阀门开启，循环水泵均开启，地源热泵机组开启。

（3）当太阳能系统出水温度在30℃<Tg<40℃时，热水不能被直接利用，与地埋管换热器串联使其升温，利用地源热泵和热网互补供暖。此时阀门V5、V6关闭，其他阀门开启，水循环泵均开启，地源热泵机组开启。

（4）当太阳能系统出水温度在15℃<Tg <30℃时，热水不能被直接利用，直接进入热泵机组的蒸发器，也利用地源热泵和热网互补供暖。此时阀门V5、V6关闭，其他阀门开启，循环泵水泵均开启，地源热泵机组开启。

（5）当太阳能系统出水温度低于15℃时，太阳能集热系统停止运行，仅用热泵系统和热网互补供暖。此时，阀门V5、V6、V7、V8关闭，其他阀门开启，换热和供热循环水泵开启，集热循环水泵关闭，地源热泵机组开启。

2、热网调节模式下能耗的分布

为准确模拟供暖期间的总燃煤量，必须明确供暖期各时刻的负荷动态变化。本文运用Dest软件模拟典型民用建筑的动态热负荷，为供暖期间总燃煤量的计算提供准确数据。针对严寒地区某住宅小区的一栋楼进行动态负荷模拟。基准建筑位于辽宁省沈阳市，建筑为11层住宅建筑。建筑面积为7730.91㎡。高度为33.2m。根据热网调节方式，建筑能耗在不同室外温度下能耗比例和相对时间见图2。

从图2可以看出，设计热负荷所占的时间很短，绝大多数时间是部分负荷。对于住宅建筑来说，20%～70%设计负荷出现的时间最长，占到总采暖时间的63%，而最大负荷出现的时间仅有1小时，平均负荷仅为设计负荷的25.14%。所以，逐时负荷才是方案燃料耗量根本依据，而不是设计负荷。

3、地源热泵-热网系统互补供热燃料耗量计算

太阳能是不稳定热源，所以为满足末端的供热、供冷需求，在设计工况下，地源热泵和热网系统的容量配置不能减小，必须以没有太阳能系统来配置地源热泵系统的主机、水泵、地埋管数量等。所以本文先给定地源热泵-热网系统的最佳能源匹配，再给定太阳能集热器的最佳集热面积。

互补供热方式中，地源热泵系统承担绝大部分负荷，热网承担部分负荷，充分发挥热泵的节能特性和热网较低的初投资，做到节能和经济的最佳组合。针对基准建筑，对地源热泵系统承担设计负荷比为40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%这13种条件进行计算，结果见图3。

对于基准建筑来说，地源热泵系统承担的设计负荷比从40%增加到70%时，热泵供热量从47.80%增加到89.61%，而热网的供热量仅占10.40%。热网运行时间从82.5%减小到37.5%。而当热泵承担的设计负荷继续增加时，其供热量增加和热网运行时间减小的速度变缓。

各种不同方案燃料耗量的计算结果见表1。从表1可看出，随着地源热泵系统承担设计负荷比的增加，互补供暖方式的标煤耗量逐渐减小。当地源热泵系统承担设计负荷比从70%增加到100%时，其标煤耗量仅降低了5.22%。所以对于住宅建筑，地源热泵系统承担的设计负荷为70%，热网承担设计负荷的30%是比较节能合理的方案。

4、不同方案的经济计算

地源热泵系统造价的因素主要包括三个方面：使用地区、建筑结构与功能以及地方政策。根据现有实际工程测算，地下水源热泵系统初投资约250～420元/㎡，其中冷热源部分投资约150～220元/㎡；土壤源热泵系统初投资约300～480元/㎡，其中冷热源部分投资约200～270元/㎡；燃煤锅炉房供暖系统投资约150～200元/㎡；燃气分散锅炉房供暖系统投资约100～150元/㎡；热电联产集中供热系统投资约200元/㎡(包括增容费)，采暖末端设备的初投资约40～50元/㎡。按照每天运行24h，负荷率为0.8。对于基准建筑，在不同辅助热源配置情况下初投资、运行费用见图4。

图4 不同方案下系统的初投资、运行费用

为将系统的初投资和运行费用综合起来考虑系统的经济性，本文通过计算系统在其寿命周期内的总费用来获得经济性评价。根据工程经济学基本原理，假设银行贷款年利率i=8%，寿命期30年，计算项目的动态回收期及净现值。不同方案系统的动态回收期及净现值见图5。

由于系统初投资的增加和运行费用成反比，导致净现值逐渐升高，而后又缓慢降低。当地源热泵承担65%的设计负荷时，可以获得最大的费用现值(62.82万元)，内部收益率 (16.12%万元远大于设定的银行贷款利率8%），动态回收期为8.77年。可以获得最佳的经济效果。

5、太阳能集热系统仿真模拟分析

太阳能集热器的面积及末端所需的供回水温度是影响太阳能系统与地源热泵系统互补运行方式的两大主要因素。沈阳的供暖期天数为151天，共3624小时，在典型的气象年中，有太阳辐照的时间为1472h，约占总供暖时间的40.63%。为便于分析，本文对末端供回水温度要求为50℃/40℃。在TRNSYS软件中建立的太阳能系统见图6。

设定集热器的面积分别为180㎡、300㎡、500㎡及1000㎡四种条件，对其在供暖季的供水温度进行仿真模拟。在供暖季四种条件下太阳能系统的出水温度，见图7、图8、图9及图10。

集热器面积由180㎡增加到1000㎡时，对太阳能系统出水温度超过40℃影响不太大，由210h（占总供暖时间的5.79%）增加到340h（占总供暖时间的9.38%），但对超过50℃的时间影响较大，由0h（占总供暖时间的0%）增加到275h（占总供暖时间的9.02%）。

对于太阳能-地源热泵与热网互补供热系统与地源热泵-热网供热系统而言，地源热泵-热网系统的造价完全一样，所以只需考虑因太阳能系统导致的初投资增加。因为太阳能是清洁免费的能源，它的使用会降低系统运行费用。太阳能系统不同集热面积的初投资和节约运行费用见图11。假设银行贷款年利率i=8%，寿命期30年，计算项目的动态回收期及净现值。不同太阳能系统集热面积下的净现值和投资回收期见图12。

由于系统初投资的增加和运行费用成反比，导致净现值先逐渐升高，而后又降低。当太阳能系统集热面积超过300㎡时，太阳能系统投资方案的净现值小于0，这说明该工程项目已经出现亏损，当太阳能系统集热面积小于300㎡时，方案净现值大于0，工程项目可以得益。当太阳能系统集热面积为300㎡（即建筑每平方米空调面积需要0.045㎡集热面积）左右时，获得最大费用现值(2.70万元)，最短投资回收期15.5年，可以获得最佳经济效果。

6、结论

（1）对于住宅建筑，20%～70%设计负荷出现的时间最长，占到总采暖时间的63%，而最大负荷出现的时间仅为1小时，平均负荷仅为设计负荷的25.14%。

（2）地源热泵系统承担的设计负荷比从40%增加到70%时，热泵供热量从47.80%增加到89.61%，热网的供热量仅占10.40%，热网的运行时间从82.5%减小到37.5%，而其标煤耗量仅降低5.22%。对于住宅建筑，地源热泵系统承担的设计负荷为70%，热网承担设计负荷的30%是比较节能合理的方案。

（3）当地源热泵承担65%的设计负荷时，可获得最大的费用现值(62.82万元)，内部收益率为16.12%万元（远大于设定的银行贷款利率8%），动态回收期为8.77年。可以获得最佳经济效果。

（4）随着太阳能系统集热面积的增大，系统出水温度超过50℃的时间逐渐增加，但对太阳能系统出水温度超过40℃的影响不太大。

（5）当太阳能集热面积大于300㎡时，太阳能系统投资方案的净现值小于0，此时工程项目已经出现亏损。当太阳能系统集热面积为300㎡左右时（即建筑每平方米空调面积需要0.045 ㎡集热面积），获得最大的费用现值，可以获得最佳经济效果。

来源： 《中国太阳能工程》