太阳能与地源热泵
在新农村住宅建设中的应用分析
1 引言
党的十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》，提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，其中重要的一项就是加强村庄规划和人居环境治理。长期以来，北方农村住宅一般仅利用火炕和火炉取暖，供暖质量不能保证，更谈不上空调和生活热水的供应。为了有效提高农村的人居环境，缩短城乡差距，有必要在有条件的地区为农村住宅增设供暖空调和生活热水供应系统。
农村住宅一般具有建筑容积率较低，没有明显遮挡，能源价格较高，除电力外其他能源一般较短缺的特点，非常适宜于太阳能和地源热泵等新能源系统的应用。作者受委托对北京郊区的某新农村住宅小区应用太阳能和地源热泵系统来供暖空调以及供生活热水的情况进行了分析。分析表明，太阳能和地源热泵系统的应用不仅可以实现供暖空调和生活热水供应的功能，在经济性和节能性方面也具有显著优势。
2 项目概况与负荷分析
本文所研究对象是北京市新农村改造示范项目之一，一期规划建设十四万平方米的回迁楼23栋，均为6层的多层住宅，每户住宅建筑面积在75－120平方米之间，共包含住宅1416户，配套公共建筑面积1000平方米，屋顶形式为坡屋面。
据建设方提供的规划图和各栋住宅的标准层平面图，作者按照相关标准规范对全部23栋回迁楼的生活热水和空调采暖负荷进行了估算，所有住宅楼的汇总见表1所示。
表1 生活热水和空调采暖负荷估算汇总
户数 (户) | 面积 (m2) | 总人数 (人) | 最高日用水量(m3) | 采暖负荷（W） | 供冷负荷（W） | 平均日用水量(m3) | 设计小时耗热量（kW） |
1375 | 134118 | 4748 | 356.10 | 5032945 | 8184585 | 178.05 | 2708.29 |
根据作者以往的工作经验，在缺少相关详细资料的情况下作者在估算中采用了以下假设和估算指标：
（1）所有住宅均满足北京市地方标准DBJ 01-602-2004《居住建筑建筑节能设计标准》。
（2）三室两厅户型按每户4人计算热水用量，二室两厅户型按每户3人计算热水用量，一室两厅户型按每户2人计算热水用量。
（3）生活热水供水温度50℃，自来水上水温度12℃。
（4）村民最高日用热水量按规范低限选取，折合为50℃供水温度为每人75L/（人·天），日平均用水量按最高日用热水量的50％选用。
（5）考虑到回迁楼位于市郊，采暖负荷热指标按照35W/m2选取，略高于北京市节能设计标准推荐的最高采暖设计热负荷指标32W/m2。
（6）根据经验，住宅空调负荷指标按照60W/m2选取。
通过以上方式估算出的生活热水和空调采暖负荷将作为以下系统方案规划和经济分析的基础。
3 方案分析
在本项目中，太阳能可以通过以下两种形式来应用：
（1）太阳能系统仅供应建筑生活热水。太阳能系统与负责空调采暖地源热泵系统完全独立，与辅助能源一起负责建筑生活热水的供应。太阳能集热系统集热器面积按照生活热水平均日用水量和60%的太阳能贡献率来设置。
（2）太阳能系统可同时供应生活热水和采暖。通过优化控制太阳能系统在生活热水和建筑采暖功能之间的转换，尽可能增加太阳能的利用。在本工程中，当仅考虑在建筑南向坡屋面布置太阳集热器时，满布太阳集热器也不能满足供热能耗要求，本着尽量利用太阳能的原则，在南向坡屋面满布太阳集热器。
由于项目所在地地下水缺乏，也无适当的地表水可资利用，地源热泵系统采用地埋管系统。经地质勘探，当地覆土25米以下为厚厚的铁矿岩，垂直埋管困难；且项目所在地有大面积的
绿化带可用，因此地源热泵系统选用水平式地埋管系统。
空调采暖系统末端采用常规的风机盘管系统，地源热泵机组采用水－水机组，管路系统采用两管制，太阳能和地源热泵综合利用系统生成的冷热水通过循环泵送入风机盘管中进行空调采暖。生活热水系统采用传统集中供热水系统，只不过热源优先使用太阳能而已。
按太阳能应用方式的不同，作者拟定了以下三种系统作为主要研究对象：
（1）系统1：太阳能仅供建筑生活热水，电辅助加热；水平式地埋管系统空调采暖
（2）系统2：太阳能仅供建筑生活热水，水平式地埋管系统辅助加热；水平式地埋管系统空调采暖
（3）系统3：太阳能供建筑生活热水和采暖；水平式地埋管系统空调采暖
4 系统运行模拟
由于太阳能具有能流密度低以及能量供应具有间歇性和不可靠性的特点，为保证空调采暖系统的可靠性，在对地源热泵系统进行选型时，不应考虑太阳能的作用，而仍需按照空调采暖
负荷要求对地源热泵系统进行选型。因此，作者将太阳能系统和地源热泵系统先各自独立进行分析和讨论，再根据需要将它们组合成为适当的系统。
4.1太阳能系统
在太阳能系统模拟计算中作者以北京市月平均气象参数为基础，采用f-chart法计算，集热器采用常规的1×2m的平板集热器，安装角度与北京地区纬度相同，为40度正南向安装。
4.1.1太阳能系统仅供应建筑生活热水
表2 太阳能系统仅供应建筑生活热水时系统选型与模拟结果 太阳能保证率f=60％
集热器数量 | 集热器面积 m2 | 年水泵耗电量 MWh | 全年太阳能得热量 MWh | 贮热水箱容积m3 | 有效贮热容积m3 | 设计小时耗热量kW | 辅助热源用电加热 | 辅助热源用地埋管 | |||
辅助热源功率kW | 盘管长度m | 年耗电量MWh | 所需地表面积m2 | 地热提供热量MWh | |||||||
1756 | 3512 | 32.48 | 1734.36 | 210.72 | 70.2 | 2708.29 | 1932.24 | 45195 | 323.8 | 40676 | 814.07 |
表2给出了太阳能系统仅供应建筑生活热水时通过Retscreen软件模拟得出的各楼太阳能系统的选型和运行结果。在模拟过程中，系统太阳能保证率取为60％，太阳能集热系统采用单水箱间接式系统，供水温度50℃。
从模拟结果中可以看出，如果采用地源热泵作为系统辅助热源，地热能和太阳能这两项可再生能源在生活热水系统中的贡献率将达到88.73%，该生活热水供应系统全年能效比高达8.15。即使采用电辅助加热，系统全年能效比也可高达2.52。
4.1.2太阳能系统同时供应生活热水和采暖
表3给出了太阳能系统同时供应生活热水和采暖时的系统选型和运行模拟结果。在计算中作者将建筑南向坡屋面面积的60％作为满布集热器后的系统集热器采光面积，以该采光面积为基础对系统进行模拟计算。系统采用间接系统，采暖和生活热水供水温度均为50℃。
通过模拟计算可以看到，在以上集热器选型的基础上，太阳能系统采集到的能量占到了整个建筑采暖和生活热水能耗的43％以上，在不考虑采暖时对生活热水负荷的太阳能保证率达到了90％以上。如果采用后文所述的水平式地埋管系统辅助采暖，该生活热水和采暖系统年能
效比高达4.42。考虑到本工程的性质并不需要生活热水100％的保证，为节省投资，在这种情况下不再考虑设置生活热水系统的辅助热源。
表3 太阳能同时供生活热水和采暖时系统选型与模拟结果
南向斜屋顶可装集热器面积（m2） | 集热器数量 | 集热器面积 m2 | 年水泵耗电量 MWh | 太阳能全年得热量 MWh | 贮热水箱容积m3 | 有效贮热容积m3 | 生活热水全年需热量MWh | 采暖全年需热量MWh | 生活热水与采暖全年需热量MWh | 太阳能保证率f |
10743.51 | 5362 | 10724 | 74.84 | 4011.65 | 643.44 | 214.5 | 2872.23 | 6390.30 | 9262.53 | 43.31% |
4.2地埋管系统
在地源热泵系统的模拟计算中，作者以北京市空调采暖室外气象参数为基础，地下土壤按湿度较小的沙土考虑，土壤导热系数0.9W/（m2℃），扩散率5.16×10-7m2/s，密度2000Kg/m3，热容0.84KJ/（Kg℃）。地埋管热交换器管沟之间的间距按照2.4米计算，地源热泵机组
制冷工况COP值设定为4.5，制热工况机组COP值设定为3.2。
表4 给出了地埋管系统进行空调采暖时的系统选型和运行模拟结果。地埋管系统采用水平式系统。由于空调和采暖共用一套系统，而负荷各不相同，因此在系统选型时有按热负荷选型和按冷负荷选型两种方式。
表4采用地埋管系统时系统选型与模拟结果
年供热量需求 MWh | 年供冷量需求 MWh | 按热负荷选型 | 按冷负荷选型 | |||||||
所需地表面积 m2 | 盘管长度 m | 辅助散热装置散热功率 KW | 耗电量 MWh | 所需地表面积 m2 | 盘管长度 m | 耗电量 MWh | ||||
热 | 冷 | 热 | 冷 | |||||||
6390.30 | 13858.50 | 200572 | 222858 | 5548.9 | 2457.81 | 3745.54 | 315691 | 350769 | 2640.30 | 3944.30 |
对节能住宅来说，建筑热负荷明显小于冷负荷。从表4中可以看出，当按热负荷选型时，地埋管热交换器的散热能力不能满足冷负荷要求，需要额外增加辅助散热装置，如冷却塔等。
当按冷负荷选型时，不仅在采暖季会造成部分地埋管热交换器的闲置，所占用的地表面积也要增大一倍以上，现场条件无法满足。因此，采用地埋管系统时，本项目按热负荷对地埋管热交换器进行选型，夏季利用辅助散热装置辅助散热，但为保证空调效果，地源热泵机组需要按照冷负荷选型。
通过模拟分析，按热负荷选型时地埋管系统的制热COP值为2.6，即地热能在采暖能耗中的贡献率为61.54%；制冷COP值为3.7。
5 系统经济与节能分析
在以上选型和模拟的基础上，作者对系统的经济性和节能性进行了分析比较。对太阳能系统，重点分析了系统的初投资和回收年限；对地源热泵空调采暖系统，重点分析了系统的初投资和运行费用。最终就不同系统的节能性进行了分析和比较。
5.1经济性分析
在进行经济分析时，预先设定如下：
（1）电价采用居民用电价格0.48元/kWh
（2）太阳能和地源热泵系统寿命定为十五年
（3）其他数据采用此次模拟计算数据
（4）太阳能集热器采用平板集热器
为方便比对，按照传统做法给出一个比对系统如下：
（1）生活热水采用电热水器，每户一台，单价1000元/台，使用寿命七年半
（2）采暖系统采用燃煤锅炉房＋采暖散热器，初投资100元/m2，采暖费每年16.5元/m2，系统寿命十五年
（3）空调系统为房间空调器系统；三室两厅每户初投资7000元，二室两厅每户初投资5000元，一室两厅每户初投资3000元；使用寿命七年半；空调器平均COP为2.6。
表5 不同太阳能系统和地源热泵系统组合经济分析
系统 | 初投资 | 年生活热水运行费用 | 年采暖运行费用 | 年空调运行费用 | 年系统运行费用 | 全寿命费用 | ||||||
总投资（万元） | 单位面积（元） | 总费用（万元） | 单位面积（元） | 总费用(万元) | 单位面积（元） | 总费用（万元） | 单位面积（元） | 总费用（万元） | 单位面积（元） | 总费用（万元） | 单位面积（元） | |
系统一 | 4432.49 | 330.49 | 58.99 | 4.40 | 123.87 | 9.24 | 188.78 | 14.08 | 371.64 | 27.71 | 10007.05 | 746.14 |
系统二 | 4752.51 | 354.35 | 17.96 | 1.34 | 123.87 | 9.24 | 188.78 | 14.08 | 330.60 | 24.65 | 9711.56 | 724.11 |
系统三 | 5405.17 | 403.02 | 5.44 | 0.41 | 100.18 | 7.47 | 188.78 | 14.08 | 294.40 | 21.95 | 9821.16 | 732.28 |
对比系统 | 3177.98 | 236.95 | 137.87 | 10.28 | 221.29 | 16.50 | 255.85 | 19.08 | 615.01 | 45.86 | 12403.13 | 924.79 |
注：系统1：太阳能仅供建筑生活热水，电辅助加热；水平式地埋管系统空调采暖
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