沈陽建筑大學市政與環境工程學院  馮國會 姜明超 王梽煒 江明志

       【摘  要】目前供暖行業中存在多種供暖形式，大部分供暖形式在實際應用中面臨很多問題，如電力需要擴容、機房場地不足、運行費用高、供冷與供暖不能同時滿足等實際問題。所以根據不同項目的需求，應該制定更為適合的能源系統，本文所介紹的的能源系統是太陽能+空氣能+電磁能+相變儲能耦合系統，此系統是集供暖、供冷以及熱水功能為一體的新型系統，此系統可以滿足多種需求，同時在實際項目中可以解決一部分電容量以及最大程度上節省系統的運行費用。本文就針對實際項目對此新型多能源耦合系統的多功能運行模式以及優勢進行簡要的分析介紹。

       【關鍵詞】太陽能；空氣能；電磁能；相變儲能；多功能運行模式

       【基金項目】國家十三五重點研發計劃項目(2017YFC0702600)

Abstract: At present, there are various forms of heating in the heating industry. Most of the heating modes are facing many problems in practical applications, such as the expansion of electric power, the shortage of equipment room , the high cost of operation, the fact that heating and cooling cannot satisfy at the same time. So according to the different needs of the project, should make the more suitable for the energy system. this system is solar energy 、air energy 、electromagnetic energy and phase change energy storage coupling system, this system is a new system for heating and cooling and hot water functions, this system can satisfy the various needs, at the same time to solve a part of the capacitance and the operating cost minimize in the actual project. In this paper, the multiple sources of energy operation mode and advantages of the new multiple energy coupling system are briefly analyzed and introduced in view of the actual project. 
Key words: solar energy; air energy; electromagnetic energy; phase change energy storage; multiple sources of energy operation mode 

0  引言

       目前，我國的建筑行業正在持續發展，建筑能耗在全國總能耗中占有很大比例，這部分能耗對溫室氣體排放有著重要影響。根據2005年的建筑能耗統計數據中可以看出，供暖以及空調能耗在整個建筑能耗中占據62%以上的份額。因此，面對越來越惡劣的空氣污染問題，充分利用清潔能源，減少煤炭等化石燃料的使用，對改善空氣質量會起到積極的作用。現在供暖及空調行業面臨著嚴峻的挑戰，同時也存在著巨大的機會，由于技術、經濟、現場條件等多種因素的影響，使清潔能源在供暖行業中的應用受到了一定的限制。同時在同一個項目上，單一清潔能源的應用往往達不到理想效果，有時甚至滿足不了建筑物的使用要求，所以將多種清潔能源綜合應用，取長補短，效果才能更為理想。減少傳統燃煤供暖所造成的大氣污染，降低供暖及空調系統的能耗，大力推廣使用包括可再生能源在內的清潔能源系統成為建筑節能工作和提高全社會能源使用效率的一個重要方面。本文就針對實際工程項目對此新型系統的多功能運行模式以及系統優勢進行簡要的分析介紹。

1  項目簡介

       1.1  項目概述

       該項目位于沈陽市大東區龍之夢購物中心地上停車場，以辦公功能為主的辦公樓，根據設計院所提供的圖紙以及建筑物設計參數可知，總供暖面積約1500平方米，設計溫度為20℃，10小時供暖，建筑總供熱負荷約為107.73KW。建筑物總供冷面積為1200平方米，供冷設計溫度為26℃，建筑物總供冷負荷約為69.23KW。整個建筑物內每天的熱水用量為8m³，每小時最大用水量為0.6m³/h。

       1.2  項目方案

       該項目采用空氣源熱泵、電磁能、太陽能、相變儲能耦合供暖、供冷以及供熱水系統，該系統選用1臺輸入功率為20KW的直流式變頻空氣源熱泵，1臺60KW的變頻采暖型電磁加熱器，1臺20KW變頻采暖與熱水雙用的電磁加熱器，16組新型高效的太陽能集熱器，蓄熱系統需要1個6m³的多層級低溫相變儲能水箱，1個6m³的多層級高溫相變儲能水箱。

       該系統在冬季主要以供暖為主，在供暖期，該建筑的熱水供應主要是從熱電廠買熱水，太陽能所收集的熱量全部儲存在低溫相變儲能水箱之中，用于建筑物的供暖，在非供暖季，建筑物的熱水供應全部由太陽能系統承擔，向單獨的生活熱水水箱中儲存熱水。空氣源熱泵系統在供暖季承擔部分熱負荷，與高溫相變儲能水箱連接，向高溫相變儲能水箱內儲存熱量。在供冷季空氣源熱泵承擔室內全部冷負荷，為建筑物供冷，此工況空氣源熱泵與末端風機盤管系統直連，不需向水箱內蓄冷。空氣源熱泵的兩種運行工況主要依靠簡單的閥門切換就能夠得以解決。電磁加熱機組與高溫相變儲能水箱相連接，在采暖季開啟，在空氣源熱泵產生低溫水的基礎上繼續升溫，達到可以供暖的供水溫度，承擔建筑物絕大部分的熱負荷。

       1.3 實際運行效果分析

       該系統在夏季供熱水的過程中所提供的熱水溫度以及熱水量完全能夠滿足建筑物的使用需求，供冷季90天，整個系統的供冷溫度維持在25℃左右，運行費用約為9.27元/m²，供暖季180天，整個系統的供暖溫度維持在21℃左右，運行費用約為19.74元/m²。該系統的整體效果完全達到了預期目標，運行效果良好。

2  系統設備流程示意圖及運行模式分析

       本系統主要包括：太陽能集熱器、空氣源熱泵、電磁加熱器、相變儲能水箱以及自動控制系統，附圖1為系統圖，該系統主要由以下部分組成，主要設備連接流程如圖1：

       系統采用空氣源熱泵、太陽能、電磁能以及相變儲能耦合供能模式，在夜間充分利用谷電，先開啟空氣源熱泵將高溫相變儲能水箱內的水進行加熱蓄能，當水溫達到設定溫度后，再將電磁加熱器設備全部開啟滿負荷運行，為高溫相變儲能水箱蓄能同時保證建筑物夜間供暖需求，次日先由高溫相變儲熱水箱前夜蓄存的熱量為建筑物供暖，在此期間太陽能集熱器產生的熱量蓄存在低溫相變蓄熱水箱之中，當高溫相變儲熱水箱前夜蓄存的熱量用盡時，太陽能低溫相變儲熱水箱中的熱水便開始向高溫相變儲熱水箱補熱并為整個建筑物供暖，同時空氣源熱泵系統作為輔助供暖熱源適時開啟，如若仍然不能滿足供水溫度，再開啟電磁加熱設備進行補熱。

       三套加熱系統均為獨立系統，均可通過溫控閥門和循環水泵的自動控制和切換實現為末端供暖、供冷以及熱水使用的需求，減小不必要的能量消耗浪費。當高溫相變儲熱水箱溫度滿足供暖溫度時可由其直接供暖，當高溫相變儲熱水箱溫度不能滿足供暖溫度時，低溫相變儲熱水箱與高溫相變儲熱水箱中的水進行混合后供暖，達到階梯加熱的效果，使空氣源熱泵、太陽能采暖系統和電磁加熱系統各自達到最佳的運行效率，經濟性最佳，同時空氣源熱泵系統在夏季也可以提供冷量，為建筑供冷。空氣源熱泵、太陽能系統和電磁加熱系統各自發揮最大的優勢，取長補短，使整套耦合系統達到最佳的經濟性、技術性、節能性。

       整套系統具體的運行步驟如下：

       （1）在夜間谷電期間段先開啟空氣源熱泵，對高溫相變水箱內的水進行升溫，空氣源熱泵的開啟時間大約占整個谷電時長的一半，然后再開啟電磁加熱器，使其向高溫相變儲能水箱內繼續蓄熱，使水箱內的水溫上升至滿足末端出水溫度。此外末端散熱器或地熱盤管可以選擇關閉或者低頻率運行，如果末端是風機盤管，則可以選擇將控制面板的溫度設置在較低水平，當室內溫度低于設置溫度的時候，風機盤管將啟動繼續向室內供暖，這樣可以使高溫相變儲能水箱儲存的熱量達到最大值。

       （2）當谷電時間段結束時，電磁加熱器停止運行，此時高溫相變儲能水箱經過電磁加熱器在谷電期間持續運行儲存了大量的熱量，這些熱量充分滿足了建筑物在第二天早上至14點左右的室內供暖溫度需求。

       （3）太陽能集熱系統從第二天早上太陽出現開始運行，將收集的熱量不斷的帶到低溫相變儲能水箱內，在白天期間太陽能集熱系統一直處于運行狀態，直到太陽落山才停止運行，到下午的時候高溫相變儲能水箱內的溫度將不能滿足室內的供暖要求，這時就會開啟高、低溫相變儲能水箱之間的熱交換循環泵，將太陽能集熱器收集在低溫相變儲能水箱內的熱量帶到高溫相變儲能水箱內，以此種方式來滿足接下來一段時間室內供暖的要求。

       （4）當太陽落山之后，太陽能集熱系統停止運行，不是真正意義上的停止運行，由于供暖期間夜間溫度很低，如果太陽能集熱系統內的水停止循環，將會影響太陽能系統正常運行與甚至損壞，減少太陽能集熱系統的使用壽命。所以在夜間通過控制系統需要對太陽能系統執行防凍循環。

       （5）夏季在制冷工況下，開啟空氣源熱泵為室內提供所需冷量，此時空氣源熱泵系統與末端是屬于直供狀態，無需向高溫相變儲能水箱內蓄冷，此種工況只需要通過閥門切換就能實現。

       整個系統的每一步環節的運行，每個設備的啟停都在自動控制系統的參與下完成，全程無需安排任何人進行手動操作，使整個供暖系統實現全自動化運行。

3  系統優勢

       該系統采用空氣源熱泵、電磁加熱器、高效太陽集熱器、相變儲能水箱聯合供暖+供冷+熱水模式，電磁能具有熱效率高、節能效果顯著、投資低、運行穩定等優點，但如果全部采用電磁能供暖會消耗大量的電能，并且需要電力擴容，因此首先系統采用太陽能作為補充能源，太陽能資源是目前地球上最豐富的能源之一，故耦合一部分太陽能對整個建筑物進行供暖，無需電力擴容并且大大降低系統運行費用。同時此系統也采用空氣源作為補充能源，以無處不在的空氣中的能量作為主要動力，能夠以較低的能量消耗，實現把低溫位熱能輸送至高溫位的功能，能大量利用自然資源和余熱資源中的熱量，有效減少了輸入能，很好地滿足了冬季采暖與夏季制冷的要求。空氣源熱泵無需復雜的配置、昂貴的取水、回灌和專用機房，具有安裝使用方便、能量利用效率高、減少溫室效應、環保等優點，進一步降低系統的運行費用與系統的裝機功率，無需進行電力擴容，降低初投資。在過渡季節，建筑物的熱負荷較小，可以僅依靠太陽能系統、空氣源熱泵系統對建筑物供暖，無需開啟電磁加熱系統。在夏季空氣源熱泵系統可以為建筑物提供所需冷量。在非采暖季太陽能采暖系統可以產生大量熱水用于建筑物生活洗浴以及吸收式制冷等其他使用需求。同時太陽能采暖系統、空氣源熱泵系統與獨有相變儲能技術聯用，保證太陽能系統與空氣源熱泵系統持續有效供熱，克服了陰雨天等極端天氣太陽能集熱效率低而影響供熱效果的問題。高效電磁加熱系統和獨有相變儲能技術聯合使用，充分利用峰谷電價差，讓整個耦合能源系統的運行費用少到極致。

       該系統采用多種能源耦合運行模式，實現多功能使用的需求，同時該系統與傳統燃煤、燃氣鍋爐、純電鍋爐等供暖系統相比較而言，可以有效提高可再生能源的利用率、提高室內舒適性、降低系統運行費用、提高供暖及供冷的保證性以及滿足熱水供應的溫度和水量的需求，節約能源以及降低硫化物、粉塵等有害氣體的排放，緩解環境保護壓力，同時響應國家綠色減排號召，為國家節能減排的發展起到示范作用。可總結為以下幾個優勢：

      （1）可再生能源利用，清潔無污染，充分利用太陽能與空氣能的能量，只需水泵的少量電費就能實現大面積供暖、供冷以及熱水使用的需求，可以減少能源系統大量的運行費用以及電網擴容費用。       

      （2）過渡季節也可以僅依靠太陽能或者空氣源熱泵進行采暖，無需開啟電磁采暖系統，同時非采暖季期間太陽能采暖系統可以用于免費熱水供應和吸收式制冷。

      （3）空氣源熱泵可以在夏季提供冷量，為建筑供冷。

      （4）電磁加熱和電熱管（棒）加熱相比，可節能30%以上，水電分離，安全，長期運轉不結垢，且熱效率可保持在98%以上。

      （5）太陽能、空氣源熱泵與電磁能進行階梯供能，太陽能系統負責低品位能量區間并且在日間使用，空氣源熱泵也負責低品位能量區間并在夜間使用，電磁加熱系統負責高品位能量區間并且在夜間使用，此種耦合系統使各子系統運行效率與利用率達到最高，并且提高系統整體供熱保證性。

      （6）采用高效相變儲能技術，充分利用峰谷電政策，最大程度的減少水箱體積以及能量的損失，并且保證末端供熱效果穩定，讓系統運行費用少到極致。

       （7）該方案采用自動控制與監測系統，可以實現系統安全穩定，降低運行能耗，提高運行效率、降低運行成本與管理成本。

       （8）空氣源熱泵、太陽能系統和電磁加熱系統各自發揮最大的優勢，取長補短，使整套耦合采暖系統達到最佳的經濟性、技術性、節能性。

4  結語

       綜上所述，太陽能與電磁能以及空氣源熱泵結合供暖、供冷以及供熱水系統設計合理，使系統的經濟性提高并且可以保證供暖、供冷以及供熱水的效果良好。電磁加熱系統與空氣源熱泵機組的起動時間影響著太陽能集熱系統的集熱效率以及空氣源泵熱泵機組本身的性能。建筑物本身的冷、熱負荷情況決定系統的參數和供水方式。整個系統中的控制系統是保證系統安全可靠運行的主要部分。因此，在電磁加熱器和太陽能集熱器以及空氣源熱泵供熱、供冷以及供熱水系統的使用中，要結合實際情況，確定系統設計參數，保證系統合理運行，使系統達到更經濟和更節能的使用要求。

參考文獻:

       [1] 韓晶, 王浩, 李曉平. 多種清潔能源在供冷供熱中的綜合應用[J]. 建筑節能, 2016, 1(2): 22-24
       [2] 鐘浩, 李志民, 羅會龍. 空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統實驗研究[J]. 建筑節能, 2011, 241(39): 36-38
       [3] 孫先鵬, 鄒志榮, 趙康. 太陽能蓄熱聯合空氣源熱泵的溫室加熱試驗[J]. 農業工程學報, 2015, 22(31): 215-221
       [4] 廖乃熊. 太陽能與空氣源熱泵結合供熱水系統設計問題研究[J]. 大眾科技, 2011, (145): 93-95
       [5] 陳華. 清潔源的發展現狀及其在供暖行業中的應用[J]. 中國新技術新產品, 2015, (12): 150
       [6] 曲世琳, 楊利香, 彭莉. 太陽能相變蓄熱雙水箱熱泵自控系統性能[J]. 天津大學學報, 2014 (1): 42-46
       [7] 高長亞. 試論供熱系統的自動化控制與節能降耗[J]. 通訊世界, 2016 (21): 261-262
       [8] 李偉, 趙娜. 清潔能源的發展現狀及其在供暖行業中的應用[J]. 暖通工程, 2017, 3(86): 225
       [9] 劉麗軍. 太陽能輔助空氣源熱泵在生活熱水工程中的應用研究[D]. 哈爾濱工程大學:哈爾濱工程大學, 2013. 

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。