天津地区太阳能与空气能互补供暖系统优化

王丽文 李 营 龙 垚

（天津大学建筑设计研究院 天津 300073）

引言

随着化石能源的不断开采与大规模使用，能源短缺和环境污染问题越来越严重，太阳能凭借其供给量丰富和清洁度高的优点，在我国建筑空调及供暖中应用越来越广泛。以往的研究内容主要集中在对槽式太阳能集热器集热性能及对传统太阳能热泵系统的研究，对槽式太阳能热泵供热系统研究较少，本文将槽式太阳能集热器、氨吸收式热泵和板式换热器进行组合供热，提出了一种新型槽式太阳热泵供热系统及运行模式，综合分析了系统的经济和环境效益。

1 太阳能与空气能互补供暖系统工程实例

1.1 工程概况

天津某教学楼为改造工程，建筑面积5380m2，地上四层，主要功能为实验室、办公室、设备房间等。其中空调面积4160m2，冬季空调热负荷237kW。

1.2 优化前系统简介

优化前系统包括主要以下设备：集热器、电加热锅炉、氨吸收式热泵、风冷模块等。

优化前系统的运行策略：当油温低于130℃时，电加热锅炉、油泵启动，氨吸收式热泵不启动；当油温高于130℃时，电加热锅炉停止，油泵及氨吸收热泵启动，当供热量不足时由风冷热泵进行补充。

优化前的系统电加热锅炉工作时间比较长，耗电量较大，导致系统的综合能效低。

1.3 优化后系统原理及运行策略

增加了板式换热器，室内回水经过板式换热器与导热油直接换热升温后进行供暖，不足的由风冷热泵进行辅助。设置电动三通电磁阀，取消了电加热锅炉。

主要的控制策略为：当导热油温度较低不足以驱动氨吸收式热泵时，三通电磁阀打开板式换热器回路，导热油与室内回水直接进行换热供热；当导热油达到可以驱动氨吸收式热泵的温度时，三通电磁阀打开氨吸收式热泵循环回路，氨吸收式热泵进行换热供暖。

图1 优化后系统图

2 工程实际运行效果分析

2.1 油温和水温分析

图2显示了优化前系统的水温和油温。可以看出，早上7点到10点半左右，导热油温度明显上升，集热器启动，电加热启动，导热油温度达到了130℃，由氨吸收式热泵进行供热。

图2 辐射照度良好时优化前系统水温油温变化曲线

图3 显示了优化后系统的水温和油温。可以看出，导热油的温度从8点半开始明显上升，直到12点半达到最高温度，之后油温开始下降，到16点半油温出现下降拐点。从8点半至下午15点半板式换热器直接换热。

图3 辐射照度良好时系统优化后油温水温变化曲线

2.2 电量分析

如图4所示，优化前系统一天耗电量为1006kW·h；优化后系统一天耗电量为625kW·h，减少了381kW·h。

图4 辐射照度良好时系统优化前和优化后的耗电量对比

3 系统经济效益分析

3.1 节能量分析

太阳能供热系统的年节能量按式（1）计算：

其中：△Qsav为太阳能供热采暖系统的年节能量MJ；

AC为集热器面积；

Jt为集热器采光表面上的年总太阳辐照量MJ/m2；

ηc为系统散热损失取1%；

η为系统集热效率%；

θ为氨吸收热泵在供暖季室外平均温度时的COP。

经计算，系统在整个供暖季年节能量约为848722MJ。

4 系统环保效益分析

优化后的系统由于采用太阳能代替常规能源，很大程度地减少了污染物的排放，本文将太阳能系统所节省的能量折算成具有相同热量的标准煤，再计算二氧化碳等污染物的排放量，按式（2）计算：

其中：QCO2为系寿命期内二氧化碳减排量减排量kg；

W为标准煤热值MJ/kg；

FCO2为二氧化碳排放因子，按表1选取。

表1 常规能源二氧化碳排放因子

通过上述计算公式计算得出在寿命周期内此太阳能热泵系统相对于煤、石油、天然气和电减少的二氧化碳排放量如图5所示。

图5 环保效益分析图

结语

本文依据天津地区典型气象年的太阳辐射情况和实际工程中槽式太阳能热泵的运行特点，在原有系统基础上增加了板式换热器和三通电磁阀，提出了一种新的太阳能组合供热形式和运行策略，分析实际运行数据，优化后的系统节能和环保效益显著。随着能源紧缺及对环境保护的要求，经济、环保、节能的太阳能热利用技术必将成为未来低温供暖的发展方向。