祝銘 劉雄* 李林蔚 錢亞中 葉志成 王彥杰

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

空氣源熱泵憑借其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢發(fā)展迅速，但在使用過程中存在除霜過程不能連續(xù)供熱、除霜能耗大以及運行電費高昂等缺點。

為彌補傳統(tǒng)除霜方式缺陷，大量學者進行了深入研究。如：①提供新型除霜方式：蓄能除霜[1-3]、雙熱氣旁通除霜[4]、多熱源輔助除霜[5]等。②選擇先進抑霜方式：高壓電場抑霜[6]、磁場抑霜[7]、超聲波抑霜[8]等。③改善蒸發(fā)器側(cè)表面及結構：聚合物親水表面[9]，疏水表面[10]，不對稱百葉式翅片[11]等。

雖然大量的相關研究有效地改善了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性或連續(xù)性，但在工程實際運用推廣中，不僅要避免結霜、除霜帶來的負面影響，還應當控制額外的經(jīng)濟成本，平衡初投資與運行費用關系。

本文提供一種額外造價低、能夠克服現(xiàn)有除霜技術缺陷并可以利用峰谷電及變流量運行實現(xiàn)經(jīng)濟性運行的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)。以西安某別墅建筑作為研究對象，基于 Trnsys 平臺建立仿真模型，分析其在設計運行模式下全年運行費用和經(jīng)濟性。

1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)工作原理

如圖1 所示為本文所研究的系統(tǒng)，其主要組成部件為：壓縮機構1，四通閥20，四通閥30，單向閥4，單向閥5，室外換熱器6，室內(nèi)換熱器7，室外換熱器8，節(jié)流機構9，節(jié)流機構10，蓄熱水箱11，壓差傳感器12，電磁閥13，變頻水泵14，三通閥15和壓差控制閥16。

圖1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)能實現(xiàn)連續(xù)供熱除霜，并且在運行過程中室內(nèi)換熱器7 一直處于冷凝壓力下，沒有凍結的風險，故在變流量運行節(jié)約能耗上有一定的優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：連續(xù)供熱除霜功能、熱泵邊蓄邊供功能、熱泵直供不蓄功能、水箱釋熱供暖功能。文獻[13]介紹了該熱泵機組的工作流程及連續(xù)供熱除霜原理，下面是該系統(tǒng)在夜間和日間運行工況下，系統(tǒng)的運行控制方案。

1）夜間運行。當開啟蓄熱時，系統(tǒng)夜間運行采取熱泵邊蓄邊供形式，充分利用低谷時段電能，不僅能滿足夜間用戶的熱需求，還能儲存一定的熱量在水箱之中，用于第二天高峰時段時使用。此時該工況下，熱泵機組開啟，水環(huán)路側(cè)電磁閥13 及壓差控制閥16 關閉，蓄熱水箱11 與用戶端并聯(lián)，變頻水泵 14 工頻運行,三通閥 15 調(diào)節(jié)開度,優(yōu)先滿足用戶熱需求，多余熱量通過旁通進入水箱進行蓄熱。

2）日間運行。在高峰時段運行，蓄熱充足時采用水箱釋熱供暖，關閉熱泵機組和壓差控制閥 16，開啟電磁閥 13，三通閥 15 旁通關閉，而直通全開，此時變頻水泵14 根據(jù)壓差傳感器12 的信號變頻運行，可節(jié)省部分高峰時段耗電量。

當蓄熱遇到蓄熱不足的情況時，采取熱泵直供不蓄形式，避免消耗過多高峰電力。此時，熱泵機組處于開啟狀態(tài)，關閉電磁閥13，壓差控制閥 16 開啟正常工作，三通閥15 直通開啟，旁通關閉,阻止水流進入蓄水箱11 中，多余流量通過壓差控制閥16 回到室內(nèi)換熱器7 完成循環(huán)。

2 建筑熱負荷計算及設備選型

2.1 建筑熱負荷計算

采用西安市某小型別墅建筑作為模型，空調(diào)面積為 130 m2，地上兩層，頂層加蓋閣樓，總建筑高度8.3 m，建筑采用毛細管輻射板供暖。建筑圍護結構參數(shù)如表1。

表1 外圍護結構參數(shù)

采用Energyplus 軟件，建立建筑模型如圖2 所示，導入西安地區(qū)氣象參數(shù)，設置滲透換氣次數(shù)為 0.5 次/h。設置供暖設計溫度為18 ℃。輸入合理內(nèi)擾及活動表。24 h 連續(xù)供暖，對供暖季（11 月15 日至次年3 月15 日）逐時負荷進行模擬。

圖2 西安某別墅建筑模型示意圖

模擬結果見圖 3，可知全供暖季總熱負荷為7158.36 kW。最大熱負荷為7.24 kW，出現(xiàn)在1 月16 日8:00，此時室外干球溫度為-5.9 ℃。按照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》確定室外設計溫度為-3.2 ℃，此時對應設計熱負荷為5.04 kW。

圖3 建筑逐時熱負荷

2.2 設備選型

1）空氣源熱泵機組

本文所研究空氣源熱泵系統(tǒng)，在非除霜工況下運行期間兩側(cè)室外換熱器共同吸熱運行，為便于分析評價，可以認為其在運行時與廠家樣本所示參數(shù)相同。

根據(jù)負荷結果確定空氣源熱泵機組選型負荷，為滿足全年熱負荷工況，忽略電輔助加熱影響，選型條件需滿足最不利條件下的熱負荷。

選用 DNF-E80W-520 型空氣能熱泵機組，額定值熱量8000 W，額定功率2490 W。

2）毛細管輻射板設計

參照文獻[14]實驗測試數(shù)據(jù)對目標建筑鋪設面積Am進行計算：

式中：Qs為建筑設計熱負荷，W；Qd為毛細管輻射板單位面積散熱量，取 170.6 W/m2。

定目標建筑物鋪設毛細管輻射板共計30 m2。

實際供水流量G滿足以下關系：

式中：tg為供水溫度，℃；G為供水流量，kg/h。

3）蓄熱水箱

為確定蓄熱水箱體積，自供暖開始時刻（11 月15日）起對供暖日白天逐日總熱負荷進行統(tǒng)計，設計水箱蓄熱量為 40 kWh，并參照文獻[15]計算得水箱為體積4.08 m3，直徑1.8 m，高 1.47 m 的圓柱體。

4）水泵

水泵設計流量計算公式如下：

式中：Qe為熱泵機組額定熱負荷，kW；△t1為系統(tǒng)設計供回水溫差，本設計取5 ℃。

水泵揚程主要包括管道總阻力，熱泵阻力及末端阻力等。

計算得到選取 CME3-2 型號變頻泵，流量1.4 m3/h，揚程11 m，功率0.14 kW。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 簡化假設

由于系統(tǒng)復雜，想要精準的進行模擬仿真較難達到，根據(jù) Trnsys 模擬特點及仿真目的，在系統(tǒng)建模時做以下假設：

1）忽略載熱流體熱物性隨流體溫度的變化。

2）忽略系統(tǒng)中管路熱損失。

3）忽略水泵及熱泵在運行過程中的能耗造成的溫升及性能變化。

4）管內(nèi)流體在同一截面上溫度和速度分布是均勻一致的。

5）運行過程中不考慮結、除霜對熱泵制熱能力的影響。

6）忽略設備停開造成的瞬時額外功耗。

7）認為在短暫時間間隔內(nèi)各節(jié)點溫度恒定。

3.2 運行策略

1）流量控制策略

熱泵機組壓縮機為定頻壓縮機，室內(nèi)換熱器7 的水流量應該在額定流量的±30%內(nèi)，以保證熱泵的正常運行。

邊蓄邊供狀態(tài)下，優(yōu)先滿足用戶的用熱需求，額外熱水流量進入水箱進行蓄熱。當不需要蓄熱時，則通過壓差控制閥16 旁通流回熱泵。

2）溫度控制策略

熱泵啟?？刂疲罕ＷC熱泵回水溫度不超過 40 ℃，當熱泵回水水溫超過40 ℃即關閉熱泵機組，同時保證水循環(huán)泵開啟持續(xù)供熱。

根據(jù)末端供熱溫度范圍要求，水箱蓄熱時認為45 ℃以上為蓄滿狀態(tài)，38 ℃以下為釋熱下限。

3）時間控制策略

供暖季連續(xù)供暖即 11月15日至下一年 3月15日。其他時間不開啟機組。

電力條件考慮峰谷電價差異，高峰時段為8:00～20:00、低谷時段為20:00～次日8:00。按照西安地區(qū)電價進行設置：高峰電價 0.5983 元/kWh、低谷電價0.3483 元/kWh。

蓄熱工況下，高峰電力時段優(yōu)先使用水箱釋熱，若出現(xiàn)蓄熱不足情況則開啟熱泵直供不蓄。

3.2 仿真模型

采用Trnsys 軟件對圖1 所示系統(tǒng)進行建模，主要使用部件有：空氣源熱泵模塊（type941）、變頻水泵（type270）、負荷處理模塊（type682）、水箱（type4c）、分流器（type11f）、合流器（type11h）、計算器等。通過計算器及分集水器的信號實現(xiàn)供熱系統(tǒng)控制切換。各部件鏈接示意如圖4。

圖4 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)仿真模型

3.3 結果分析

全供暖季耗電量為 3753.7 kWh，運行價格為1323.88 元，供暖費用為2.55 元/(m2·月)。全年COP 平均為2.7。

4 經(jīng)濟性分析

由于空氣源熱泵節(jié)能環(huán)保的特性，在“煤改電”推進中得到了較高重視，很多地區(qū)有不同的鼓勵政策以降低用戶改造費用，一般為不同額度的一次性補貼或享受更優(yōu)惠的低谷電價兩種途徑。本文將分析用戶在不同補貼條件下的經(jīng)濟效益。

4.1 初投資分析

不考慮室內(nèi)側(cè)造價差異，新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)初投資主要包括：熱泵機組14300 元，變頻水泵700 元，蓄熱水箱2000 元，共計17000 元?！懊焊碾姟庇脩粢话憧上硎?3000 至 25000 元額度不等的一次性補貼，對于用戶而言極大地降低了初投資費用。

4.2 運行費用分析

從運行費用來看，西安地區(qū)集中供暖費用為 5.8元/(m2·月)，計算得供暖季一年費用為 3016 元。采用新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)時，當不采用低谷電優(yōu)惠時，由模擬可知該系統(tǒng)在本文運行策略下不考慮除霜時年運行費用約為1324 元。

根據(jù)文獻[13]的介紹，圖 1 所示系統(tǒng)因為有兩組室外換熱器，故可以實現(xiàn)一種新的除霜方法，即：從室外空氣中吸熱化霜并同時可以連續(xù)供熱，避免了常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)的冷熱抵消問題，更節(jié)能，而且化霜時間可以大幅度降低，根據(jù)實測，圖 1 所示系統(tǒng)的化霜時間只有常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)化霜時間的大約四分之一，因此由于除霜造成的額外費用遠低于常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)的10%[16-17]。

另一方面，在運行控制策略上有較大優(yōu)化空間，能夠進一步降低運行費用。綜上分析，該系統(tǒng)運行費用較集中供暖能夠節(jié)省一半以上。

在此同時，“煤改電”用戶可享受為 0.1～0.3 元/kWh 不等的低谷電優(yōu)惠價格，極大地降低了用戶的運行成本。

4.3 經(jīng)濟性評價指標

為綜合研究新型空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本文使用凈現(xiàn)值及動態(tài)回收期的方法進行分析。

凈現(xiàn)值法計算方法如下：

式中：CF 為凈現(xiàn)值流量，元；i為基準折現(xiàn)率，取 0.08；I為系統(tǒng)的總投資額，元；n則為項目方案壽命周期，取 12 年。

當凈現(xiàn)值＞0 時方案可行，并且值越大則經(jīng)濟性越高。

動態(tài)回收期計算方式如下：

Pt=(累計凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)-1)+上一年累計凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對值/出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值

忽略如維修費用、用戶端費用、管道造價、集中供暖系統(tǒng)初投資等次要因素影響，可認為凈現(xiàn)值流量為集中供暖與新系統(tǒng)運行費用的差值。

4.4 經(jīng)濟性分析

在不同一次性補貼及低谷電價情況下該系統(tǒng)的NPV 計算結果如圖5 所示，系統(tǒng)的運行動態(tài)回收年限如圖6 所示。

圖5 不同補貼情況下NPV 情況

圖6 不同補貼情況下動態(tài)回收期

可以看出，與集中供暖相比，使用熱泵供暖對用戶而言會產(chǎn)生較高的初投資成本，但是由于該新系統(tǒng)的優(yōu)勢，在較少補貼政策下，用戶即可在熱泵壽命周期內(nèi)享受到較高經(jīng)濟收益。

在“煤改電”政策補貼力度大的地區(qū)，如北京，一次性補貼設備投資的90%，且可享受0.1 元/kWh 的低谷電價，采用該系統(tǒng) NPV=11051＞0，動態(tài)回收期為0.7 年。補貼力度小時，如一次性補貼3000 元、低谷電優(yōu)惠價格0.3 元/kWh 情況下，系統(tǒng)NPV=92 元＞0，動態(tài)回收期為11.9 年。

綜上所述，該系統(tǒng)經(jīng)濟性受補貼額度影響較大，在高一次性補貼及較低低谷電價情況下經(jīng)濟性效果更加凸顯。

5 結語

本文提出的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有除霜方式缺陷的同時控制了初投資的增加，并且能有效地利用峰谷電及變流量運行。通過Energyplus 及Trnsys 軟件模擬計算和分析，結果表明：在西安現(xiàn)有的峰谷電價下，該系統(tǒng)供暖季運行費用與集中供暖年費用相比可降低50%以上。在低谷電價為0.2 元/kWh，且有 6000 元設備補貼的情況下，該系統(tǒng)能夠在7 年左右回收初投資。