4.1 系统验证
本耦合供能系统中供生活热水部分与文献[18]中的太阳能-空气源热泵热水系统结构相近、运行逻辑相似,且文献研究中包含夏热冬冷地区.因此本文以该文献中的公开实测数据来验证本系统仿真模型运行结果的准确性,模拟数据与实测数据对照结果如图5所示.
图5 太阳能集热效率与日照强度关系
Fig.5 Relationship between solar energy collection efficiency and sunshine intensity
从图5可以看出:实际测试的集热效率和模拟结果的集热效率随日照辐射总量的变化趋势相同,且误差范围为4.0%～12.9%,平均误差为7.3%,证明本研究所建立户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统模型是准确的.
4.2 系统能耗分析
在户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统中需要用电的设备有:太阳能集热循环水泵、空气源辅助制热循环水泵、空气源供冷供热循环水泵、空气源热泵机组、风机盘管及电辅热设备,以时、月、年为积分时间分析各设备的能耗数据.
图6 两种家庭结构下系统逐时累计耗电量
Fig.6 Hourly cumulative power consumption of the system under two household structures
如前述,本研究设定了两居室中两种家庭结构并进行系统运行逐时能耗对比,其中A家庭为两名上班成员加一名上学成员,B家庭为两名上班成员加一名居家老人成员.系统分季节逐时累计能耗模拟结果如图6所示,睡眠非空调时间段供冷与供热能耗均为0,此时一般为人睡眠后半段,由于人在深度睡眠阶段对温度敏感性降低,热需求也随之降低,关闭空调可节能.在夏季22:00～23:00空调能耗骤增,此时段,房间空调开启台数增多,故能耗最大.
白天人员在室率较低能耗较少,夜间空调使用频率更高,能耗也随之增高,与文献[19-20]的研究结果一致.一天中大多数时刻有学生的家庭A的能耗大于有老人的家庭B的能耗,这是因为青少年热需求更大,且在客厅这样的公共空间时将温度设定为自己偏好值的“利己行为”,使得公共空间空调能耗增加,从而有青少年的家庭的整体能耗增加.仅在12:00～18:00的时间段除外,因为家庭A仅在节假日有热需求,虽然设置了学生寒暑假期,但考虑到实际情况,学生假期也设置为12点以前在室,而家庭B因老人在室一直有热需求,因此该时间段能耗更大.
图7 系统设备能耗逐月占比
Fig.7 Monthly proportion of energy consumption of system equipment
以A家庭的用能模型做进一步研究分析,户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统的各主要能耗设备逐月占比如图7所示.空气源热泵的能耗占比最大,最大月份为十一月达92.34%,这是由于过渡季节无空调运行能耗,仅生活热水系统运行而太阳能集热系统能耗小,能耗集中在空气源热泵补热运行.电辅热的月能耗最小为0.41 kW·h,最大为6.86 kW·h,累计为19.97 kW·h,月能耗占比在0.32%～4.11%间,年总能耗占比为0.94%,说明空气源热泵作为生活热水的补充热源的耦合供能系统可满足家庭用能需求,极少数情况下需要电辅热运行.
4.3 集热量及效率分析
图8中曲线为集热器所受太阳能辐射量,全年各月太阳能辐射量有明显的差异,7月太阳能辐射量最大,其值为456.90 MJ/m2,1月太阳能辐射量最小,其值为255.19 MJ/m2.从集热器吸收的有效集热量柱状图可以看出太阳能集热器的集热量最大值在8月为536.93 MJ,最小值在一月为266.29 MJ.
武汉地处长江流域,属于太阳能资源可利用区域.太阳能集热器吸收的有效集热量一定程度上能满足住宅家用生活热水供应.而以模拟中设定的集热器面积为2.78 m2计算可知,集热器所受太阳能辐射量远大于其实际集热量,一方面是部分时间根据系统设计已达到集热循环关闭条件,系统暂停集热; 另一方面是平板集热器的效率仍有提高空间.
图8 系统集热量及武汉市太阳能辐射量
Fig.8 Heat collection of the system and the solar radiation in Wuhan
图9 系统各性能系数及效率
Fig.9 Performance coefficient and efficiencyof the system
由图9可知,太阳能集热器集热效率值集中在40%左右,其中三月达到最高为46.40%,在十二月最低为36.65%.太阳能保证率为供给生活热水所需热量中太阳能所占比率,表征系统利用太阳能满足用能需求的能力.夏热冬冷地区气候季节差异大,夏季太阳辐射强度大,气温及自来水温偏高; 而冬季太阳辐射强度较小,气温及自来水温低.由此太阳能保证率相较集热效率波动较大和受季节影响的特点更为明显:太阳能保证率最大值出现在八月为96.22%,最小值出现在一月为28.22%,均值为60.53%,综上,户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统太阳能利用率及保证率较高.
空气源热泵的每月性能系数COP等于当月制热量与制冷量之和除以当月热泵总耗电量,其中,六月和九月的COP较高,分别为3.81和3.92,十二月至三月COP值约为2.50,其他月COP约为3.50,总体而言,夏季性能系数较大,过渡季其次,冬季最小.耦合供能系统能效比较大值集中在过渡季节:四、五、十月的系统能效比分别为7.29、9.08和6.99,这是由于过渡季节没有供冷与供热负荷,太阳能辐射量较强、气温较高,太阳能集热系统运行良好因此系统能效比高; 冬季与夏季系统能效比则集中在2.7左右,系统全年能效比为4.22,由数据可知户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统的效率和性能系数都处在正常范围,该系统整体运行是可靠且可持续的.
4.4 系统优化分析
本研究在系统设计中首先调研建筑自身能耗情况,然后确定系统工作原理,结合当地太阳辐射等气候情况调整系统参数,最终模拟得到系统的太阳能保证率、系统能耗与能效比变化趋势,从而反映其综合性能.系统太阳能保证率是反映耦合系统性能的重要指标,除了太阳能辐射量、建筑用能负荷、系统形式等因素,集热器面积和贮热水箱体积也是影响系统太阳能保证率的重要因素.
图 10 不同集热器面积下系统性能变化
Fig.10 Variation of system performance under different solar collector area
考虑到住宅中太阳能集热器安装空间的限制问题,选取集热器面积变化范围为1～5 m2,由图 10可知,系统能效比与集热器面积接近一次函数关系,增长速率为0.78.太阳能保证率和系统能耗与集热器面积呈非线性关系,集热器面积增大的幅度不变,保证率增大的程度逐渐变小,能耗下降的程度也逐渐变小.依照公式(4),系统太阳能集热器面积设计计算值为2.78 m2,当太阳能集热器面积大于3 m2后,集热器面积每增大1 m2,系统最多可节能81 kW·h,而集热器单位面积成本高于节能所带来经济效益.因此推荐范围为规范计算值所在的面积区间即2.7±0.3 m2.
仅改变供能系统贮热水箱体积大小,系统各性能参数变化如图 11所示.水箱体积在小于0.15 m3范围内递增时,系统的能耗大幅度降低,变化速率为546.05 kW·h/ m3; 太阳能保证率及系统能效比增大明显,增幅分别为11.58%和0.56.而当水箱体积大于0.25 m3后,由于系统的用能负荷不变,系统太阳能保证率和能效比均趋于定值,水箱体积增大但能耗反而上升.因此在两居室用能模型中系统的贮热水箱容积推荐范围为0.20±0.05 m3.
图 11 不同水箱体积下系统性能变化
Fig.11 Variation of system performance under different volume of water tank
4.5 经济环保效益
武汉市住宅用电与用水实行分档累进递增的阶梯价格,具体如表2所示.以耦合供能系统为例:系统年运行耗电量的模拟结果为2 176.46 kW·h; 三口之家年用水量为175.2 m3[21]; 设备年维护费为初始投资费用×年维护费率(2%); 三项累加得到系统的全年运行费用.计算结果见表3,静态和动态投资回收期是根据太阳能热水系统相对于全空气源热泵系统的增投资和年节省费两个指标计算得出的,结果显示系统投资回收期均小于武汉地区太阳能热水系统15年的使用寿命[22],增投资成本可回收,系统全生命周期经济性更优.
表2 武汉市住宅用电与水价格表
Tab.2 Price list of residential electricity and water in Wuhan
表3 供能系统经济性对比
Tab.3 Economic comparison of energy supply system
通过折合碳排放量来分析太阳能-空气源热泵耦合供能系统的环保效益.依照计算标准[23],系统全年运行总碳排放计算式为
本系统暂不考虑建筑绿地碳汇系统年减碳量Cp; 本研究计算某建筑全年碳排放量,故运行年数y取1,略去建筑面积A.由上对原计算公式进行简化得建筑运营阶段年碳排放量计算公式为
式中:CYX为建筑运行阶段碳排放量,kgCO2; Ei为建筑第i类能源年消耗量,kW·h或m3; EFi为第i类能源的碳排放因子,kg/kW·h或kg/m3; i为建筑消耗终端能源类型; n为消耗的能源,共n种,消耗量如表4.
表4 建筑运行阶段能源消耗量与能源碳排放因子
Tab.4 Energy consumption and energy carbon emission factors in building operation stage
计算得到太阳能-空气源热泵耦合供能系统年碳排放量为3977.63 kg,空气源热泵供能系统年碳排放量为4598.83 kg.一户三口之家全年最少可减少碳排放621.20 kg,以湖北省为例,湖北全省共有家庭户1993.10万户,其中约28.4%为三口之家[26],即566.04万户,则仅湖北省一年即可减少碳排放近351.62万t.
