多源互补供暖系统设计研究

2019-11-28

福建质量管理 2019年21期

(青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛 266033)

引言

我国北方地区的建筑热负荷较大，长期采用传统能源供暖使得大气环境污染严重，清洁供暖是解决该问题的有效途径。太阳能资源取之不尽，但不稳定性使其只能考虑作为供暖辅助热源；空气源热泵安装灵活、投资较少，但受室外气温和结霜问题影响难以保证极端环境运行效果；土壤源热泵COP高、运行费用低，但对土壤温度变化敏感，长期运行需采取热平衡措施。以上三种供暖技术，两两结合的联合供暖系统研究较多，而对此类系统，研究者多借用数值方法和软件进行仿真模拟研究[1]。

本文以既有建筑为基础，对互补供暖系统进行了设计，给出系统主要设备选型，然后从经济角度和环境角度对系统进行了效益分析，期望对此类系统的研究应用提供参考。

一、系统设计

(一)建筑概况

互补供暖系统设计以既有建筑为基础。该建筑为洛阳某小区，该小区共有住宅楼是十一幢，共612户，总建筑面积为44859.6m2，为砖混结构体系。对该生活区进行清洁能源供暖规划，需对清洁能源资源潜力进行分析。经分析，洛阳市供暖季多处于空气源热泵的一般结霜区域，结霜现象并不严重，适合采用空气源热泵供暖；生活区位于涧河Ⅱ级阶地，地层以河流冲积层为主，土壤覆盖层较厚，土层主要为砂土，换热能力较好，适合采用土壤源热泵供暖；洛阳地区属于太阳能资源三类地区，可以考虑作为辅助热源加以利用。根据前文对以上三种供暖方式的分析，提出将可再生能源多源互补供暖系统应用于该生活区冬季供暖。

(二)主要设备选型设计

在系统设计之前，先对建筑负荷进行了计算。根据建筑基础资料，利用TRNSYS软件，经模拟计算该生活区建筑热负荷为1312kW。互补供暖系统主要设备设计选型中，参考相关设计手册及标准[2-4]，根据生活区可使用地埋管换热器区域面积、土壤源热泵供暖季取热量、空气源热泵负担负荷、水箱蓄热量、设计换热量以及流量及温差等确定地埋管换热器、土壤源热泵机组、太阳能集热器、空气源热泵机组、蓄热水箱、板式换热器以及水泵等主要设备的选型及规格。互补供暖系统的模式为，太阳能集热系统和土壤源热泵系统串联，土壤源热泵源侧回水先与地埋管换热再经太阳能集热系统提升温度，以空气源热泵和土壤源热泵互补进行供暖；过渡季太阳能集热系统向地下土壤补热。主要设备选型见表1。

表1 主要设备参数

二、互补供暖系统效益分析

(一)经济性分析

对传统燃煤锅炉、单一土壤源热泵、单一空气源热泵以及互补供暖系统这四种不同的供暖方式，分别从经济角度和环境角度进行对比分析。经济效益分析中，以费用年值为衡量经济性的评价指标。费用年值用如下公式表示。

式中，AC—费用年值，万元；i—折现利率，取8%；m—设备寿命，年，取20年；C0—初投资，万元；C—年运行费用，万元。

按照设备选型以及资源消耗量计算四中供暖方式的费用年值分别为41.38万元、97.47万元、96.97万元和86.56万元。分析表明，四种供暖方式中，互补供暖系统除传统燃煤锅炉外，费用年值最低，经济性最好。但燃煤锅炉会在运行过程中，会排放大量污染物。

(二)环境效益分析

环境效益分析中，以污染物排放量为衡量环保性的评价标准。上文四种供暖方式中，消耗了燃煤以及电能。传统燃煤锅炉年耗煤量541.84t，折合成标煤为511.17tce。互补供暖系统年耗电量1001302kW·h，折合成标煤为320.4tce。单一土壤源热泵系统年耗电量1249881kW·h，折合成标煤为399.96tce。单一空气源热泵系统年耗电量1503691kW·h，折合成标煤为481.18tce。根据文献[5]污染物排放系数，计算得到四种供暖方式的主要污染物排放量。结果表明，互补供暖系统与单一土壤源热泵相比，污染物排放减少19.9%；与单一空气源热泵相比，污染物排放减少33.4%；与传统燃煤锅炉相比，污染物排放减少37.3%。说明，互补供暖系统相较于其他常规供暖方式，减少了化石能源和二次能源的使用，减少了污染物的排放，具有显著的环境效益。