太阳能—热泵冷热联供系统在建筑中的应用
2015-12-26苗毅冯浩然中国机械工业企业管理协会张现迪北京甘为科技发展有限公司
文 // 苗毅 冯浩然 中国机械工业企业管理协会 张现迪 北京甘为科技发展有限公司
太阳能—热泵冷热联供系统在建筑中的应用
文 // 苗毅 冯浩然 中国机械工业企业管理协会 张现迪 北京甘为科技发展有限公司
建筑节能是提高能源利用率的有效途径和发展方向，而热泵技术能够使低品位能源得以有效利用，具有能耗低、无污染等优点。充分、合理地应用太阳能和热泵技术的集成系统，不仅能最大程度利用太阳能，有效地减少高品位能源的消耗，而且对节约能源成本、保护环境有着重大意义。
1 冷热联供系统原理
冷热联供系统是指共用了冷热源和其他相关设备，使得冷、热两部分互相联系成为一体的系统（图1）。本文中的冷热联供系统，是利用太阳能系统与热泵技术（空气源热泵、水源热泵）形成一套集成管控系统，依据室外环境变化，各热源之间相互补充，从而实现冬季向用户提供热水用于采暖，夏季提供冷水用于制冷。
与采用电动制冷、热能供热的冷热分供系统相比较，冷热联供装置的冬、夏共用不但提高了能源利用率，而且节省了热源建设上的投资，从而降低了成本，减少环境了污染。
表1 冷热集成系统设备表
图1 冷热联供系统原理图
2 冷热联供系统组成
本冷热联供系统主要由水源热泵、空气源热泵、太阳能集热器、循环水泵、板式换热器等设备组成，设备参数见表1。
图2 冷热集成系统图
表2 系统在3种模式下各设备运行
表3 系统在3种运行模式下各设备温度要求
3 系统运行模式
该冷热集成系统（图2）共有3种运行模式：太阳能+空气源热泵供暖模式（模式Ⅰ）、太阳能/空气源热泵+水源热泵供暖模式（模式Ⅱ）和工业余热+水源热泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）。
3.1 太阳能+空气源热泵供暖模式（模式Ⅰ）
供暖季初期和末期，室外气温相对较高，当室外太阳光照充足时，太阳能系统通过换热器将储热水箱温度升高至40～45℃。当白天太阳光照不足或者夜间时，开启空气源热泵进行供暖，同样将储热水箱水温升高至40～45℃，设定供水温度为45℃。经空调系统换热器，供给室内进行采暖。
3.2 太阳能/空气源热泵+水源热泵供暖模式（模式Ⅱ）
供暖中期，室外气温较低时，因空气源热泵系统制热能力不足，白天是空气源热泵系统结合太阳能系统共同供暖，夜间则由空气源热泵和水源热泵共同供暖，储热水箱内温度为15～25℃，水源热泵设定供水温度为45℃。
3.3 工业余热+水源热泵供暖/制冷模式（模式Ⅲ）
启动条件：当工业余热水池的温度高于15℃时，系统转为工业余热与水源热泵共同供暖。
本系统在3种不同模式下运行时，对应系统中各设备及附件开启、关闭情况如表2。
系统在3种模式下对应设备的温度要求如表3。
4 系统运行情况
本系统在北京北郊某综合办公楼用于冬季采暖，该办公楼共3层，采暖面积为4500㎡。北京市采暖设计温度为-9℃，设计热指标取50W/㎡，则综合楼设计热负荷为225kW。
系统在2014年12月～2015年3月期间共运行75d，室温维持在18～20℃，达到北京市供暖要求。
系统投入运行时为供暖中期，室外气温较低，依靠空气源热泵制热已不能满足供热需求，白天结合太阳能共同供暖，夜间结合水源热泵共同供暖，储热水箱内温度为15～25℃，水源热泵设定供水温度为45℃。当工业余热水池的温度高于15℃时，转为工业余热与水源热泵共同供暖。
供暖末期时，室外气温相对较高，当室外太阳光照充足时，系统运行模式Ⅰ，上午10时至下午17时由太阳能供暖，水箱温度为40～45℃。当白天太阳光照不足或者夜间时，系统运行模式Ⅱ，开启空气源热泵进行供暖，总制热能力为44.13kW/h（开启3×20匹机组或2×20匹+2×10匹机组，共60匹），设定供水温度为45℃。
5 节能、环保经济性分析
本系统在冬季采暖期的75d运行中，总耗电量为75608.43kWh，平均每天耗电量为1008.11kWh。每天用电高峰期为8h，电价为1.1元/kWh；用电低谷期为16h，电价为0.37元/kWh。
表4 三种模式下工作天数
表5 原系统与冷热联供系统能耗比较
5.1 综合楼采暖费用计算
（1）日采暖费用
北京地区采暖期以123d计，根据北京的气象统计，3种模式下工作天数，如表4。
综合考虑综合楼维护结构、朝向、楼高等因素，建筑物平均热指标取38.8W/㎡。
（2）年采暖耗热量计算
年采暖耗热量=建筑面积×平均热指标×采暖时间
标煤发热量为29326kJ/kg，则折合成标煤为63.24t。综合办公楼按本设计系统运行，年采暖耗电量计算：年采暖耗电量=年采暖天数×日平均耗电量
=123×1008.11=12.40万kWh
折合成标煤为15.24t，则每年采暖可节约标煤48t。
5.2 环保指标
按照CO2排放量：QCO2=2.47Q标煤；SO2排放量：QSO2=0.02Q标煤；粉尘排放量：Q粉尘=0.01Q标煤，可计算出原系统、冷热联供系统及节能量各能耗指标，如表5。
由表5可以看出，采用冷热联供新系统后，加之完善地配套自控设备，使得采暖煤耗量大幅降低，CO2、SO2、粉尘等排放量也随之得到相应减少。
6 结论
本文通过太阳能—热泵技术冷热联供系统的实际应用，得到以下结论：
（1）太阳能和热泵技术相结合的供暖系统，多热源之间相互协调、共同作用，充分利用可再生能源（太阳能、空气源、水源），节约能源成本。且系统设备可共用，节省投资。
（2）太阳能和空气源热泵保证了储热水箱的温度，使得水源热泵在低环境温度下仍具有较强的制热能力，可以降低能耗和运行成本，提高能效COP值。
（3）工业水池的余热再利用，为水源热泵提供低品位能，进一步利用了能源。
（4）供热时可省去燃煤、燃气等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟污染。
