袁 豐，王 宇，郭宏偉

農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程

節(jié)能小戶型農(nóng)宅清潔復(fù)合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能研究

袁 豐1，王 宇1※，郭宏偉2,3

（1. 天津城建大學(xué)，能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074; 3. 國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，天津 300384）

針對農(nóng)村清潔供熱中能源的合理利用及政策推行下系統(tǒng)的高效集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題，該文以天津地區(qū)滿足農(nóng)村節(jié)能居住建筑設(shè)計(jì)要求的典型小戶型農(nóng)宅為研究對象，結(jié)合清潔供熱工程中的常見復(fù)合系統(tǒng)集成形式搭建試驗(yàn)平臺，運(yùn)用試驗(yàn)測試的方法獲得復(fù)合供熱系統(tǒng)集成關(guān)鍵設(shè)備的供熱特性，結(jié)合典型年氣象特征評價不同系統(tǒng)集成方案，即空氣源熱泵與太陽能集熱器集成的復(fù)合供熱系統(tǒng)（方案1）、冷凝式燃?xì)鉄崴疇t與太陽能集熱器集成的復(fù)合供熱系統(tǒng)（方案2）、空氣源熱泵與冷凝式燃?xì)鉄崴疇t集成的復(fù)合供熱系統(tǒng)（方案3）的能耗指標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)有能源政策評價經(jīng)濟(jì)性同時參照典型年能耗水平評估環(huán)境影響。結(jié)果表明，就典型年氣象條件下運(yùn)行情況而言，方案1與方案2復(fù)合供熱系統(tǒng)的一次能源消耗量及一次能源利用率水平相當(dāng)，均優(yōu)于方案3復(fù)合供熱系統(tǒng)；在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，現(xiàn)行能源政策下方案1相比方案2及方案3均占優(yōu)，3種方案的復(fù)合供熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用的政策補(bǔ)貼率均值為45.07%，補(bǔ)貼政策的持續(xù)性也是影響到清潔供熱推行的關(guān)鍵；從環(huán)境影響而言，方案2的污染物排放最低，其CO2排放量分別為方案1、3的65%、59%，SO2排放量分別為方案1、3的9%、8%，NOx排放量分別為方案1、3的26%、23%。該研究為為農(nóng)村清潔供熱的應(yīng)用推廣提供技術(shù)參考。

節(jié)能；空氣源熱泵；太陽能；天津地區(qū)；清潔供熱；節(jié)能農(nóng)宅；經(jīng)濟(jì)評價；污染物排放

0 引 言

在北方地區(qū)大力推進(jìn)“煤改氣”、“煤改電”進(jìn)程下，以燃?xì)鉅t和空氣源熱泵分別為主要熱源的供熱系統(tǒng)得到推廣[1-2]。采用小溫差末端匹配35 ℃低溫?zé)崦剿梢源蟠笸貙捄錃夂虻貐^(qū)的適應(yīng)性及節(jié)能性[3]。

Freeman等[4]利用TRNSYS模擬并聯(lián)式、串聯(lián)式和混合式3種間接膨脹式太陽能熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明并聯(lián)式系統(tǒng)最實(shí)用；Shan等[5]測量并評估了模擬農(nóng)村房屋中空氣源熱泵組合太陽能加熱器的熱性能，認(rèn)為典型寒冷氣候下該系統(tǒng)能維持穩(wěn)定舒適的室內(nèi)熱環(huán)境；王亞輝等[6]研究了太陽能-天然氣分戶式供暖系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換過程，認(rèn)為太陽能熱水系統(tǒng)參與壁掛爐供暖互補(bǔ)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定；諶學(xué)先等[7]對熱泵輔助太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的供熱性能和運(yùn)行性能進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明該聯(lián)合供熱系統(tǒng)在累積太陽輻照量小于14 MJ/m2時需熱泵輔助加熱，總制熱性能系數(shù)達(dá)6.18；Hansaem Parka等[8]對針對韓國普通住宅設(shè)計(jì)了熱泵燃?xì)鉅t混合系統(tǒng)，認(rèn)為該系統(tǒng)每年可節(jié)省約4%的能量成本，并建立運(yùn)營策略；Matteo Dongellini[9]等提出1種計(jì)算不同類型熱泵系統(tǒng)季節(jié)性能的數(shù)值模型，對單壓縮機(jī)、多級壓縮機(jī)和變速壓縮機(jī)空氣-水熱泵的季節(jié)性能進(jìn)行分析，得出熱泵系統(tǒng)季節(jié)能效評價方法；曹昕[10]比較了太陽能熱水器、熱泵熱水器和燃?xì)鉄崴髯鳛榈匕遢椛洳膳到y(tǒng)中熱源的綜合節(jié)能性、可操作性、即時供熱性和可持續(xù)性等幾個方面的差異，并作經(jīng)濟(jì)性評價。

集中供熱將導(dǎo)致低密度供熱需求、高初始投資和高熱水傳輸能耗，且農(nóng)村建筑面臨城市化進(jìn)程中的搬遷問題，分散供暖更適合北方農(nóng)村。戶用復(fù)合供熱系統(tǒng)，包括供熱需求的復(fù)合，即供暖及熱水供應(yīng)，以及清潔供熱裝置的復(fù)合，即現(xiàn)有熱水制備裝置、蓄熱裝置的復(fù)合集成。復(fù)合系統(tǒng)在中國典型寒冷地區(qū)試驗(yàn)研究少，缺少技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境評價。

清潔供熱推行首要是保證農(nóng)村居住建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工達(dá)標(biāo)，因此，本文針對達(dá)到農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的小戶型農(nóng)宅（即小戶型節(jié)能農(nóng)宅）的供熱負(fù)荷特征展開清潔復(fù)合供熱系統(tǒng)的集成方案適用性分析及評價，為農(nóng)村清潔供熱的應(yīng)用推廣提供技術(shù)參考。

1 小戶型節(jié)能農(nóng)宅清潔供熱系統(tǒng)

1.1 典型小戶農(nóng)宅用熱需求分析

目前，中國北方農(nóng)村居住建筑多為“一明兩暗”式，中間為廳，兩側(cè)為臥室[11-12]，如圖1所示，供暖面積70 m2左右，居住2～3人，供熱系統(tǒng)承擔(dān)全年生活熱水負(fù)荷和供暖負(fù)荷。供暖末端為地板輻射，供水溫度宜采用35～45 ℃，供回水溫差不宜大于10 ℃[13]。

注：C0909-窗寬0.9 m、高0.9 m，M1027-門寬1.0 m、高2.7 m，以此類推。

采用DeST-H對典型農(nóng)宅房型建模分析，按照《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）[14]中的要求對圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及窗墻比進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，可得到設(shè)計(jì)工況下的面積熱指標(biāo)為39.79 W/m2。

供熱系統(tǒng)中日均熱水負(fù)荷可按下式計(jì)算[15-16]

式中DHW為日熱水耗熱量，MJ；為用水計(jì)算單位數(shù)，取2人；q為熱水用水定額，取70 L；t為熱水計(jì)算溫度，供暖季45 ℃，非供暖季55 ℃；為冷水計(jì)算溫度，供暖季10 ℃，非供暖季15 ℃；C1為循環(huán)工質(zhì)比熱容，4.186 kJ/(kg·℃)。

按照公式（1）計(jì)算得供暖季熱水日負(fù)荷為20.68 MJ，非供暖季熱水日負(fù)荷為23.63 MJ，根據(jù)天津現(xiàn)行供暖政策，當(dāng)年11月15日至來年3月15日為供暖季，共計(jì)121 d，可得供暖季總熱水負(fù)荷為2 502.28 MJ；除去供暖季所占天數(shù)，得到非供暖季共計(jì)244 d，計(jì)算非供暖季熱水負(fù)荷為5 765.72 MJ，得到年生活熱水負(fù)荷為8 268.00 MJ。

1.2 清潔復(fù)合供熱系統(tǒng)集成方案

戶用清潔供熱系統(tǒng)主要以燃?xì)鉅t供熱系統(tǒng)、空氣源熱泵組合太陽能集熱器系統(tǒng)為主，末端形式為地板輻射采暖。參考文獻(xiàn)[17]總結(jié)了常用于空間加熱及熱水供應(yīng)的3種組合系統(tǒng)，即熱泵組合燃?xì)鉅t，熱泵組合太陽能集熱器以及燃?xì)鉅t組合太陽能集熱器，由此確定3種常見集成供熱系統(tǒng)，其集成形式及原理見圖2。

1.儲水箱 2.散熱器/地板輻射盤管 3.太陽能集熱器 4.空氣源熱泵 5.冷凝式燃?xì)鉅t

1.3 清潔復(fù)合供熱系統(tǒng)集成方案評價流程及指標(biāo)

根據(jù)天津地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算分析得到農(nóng)村典型小戶節(jié)能住宅的用熱負(fù)荷并選取關(guān)鍵供熱設(shè)備搭建復(fù)合供熱試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)確定典型工況下熱源設(shè)備的性能系數(shù)（熱泵COP、太陽能集熱器熱效率和燃?xì)鉄崴疇t熱效率），得到不同工況下熱源設(shè)備的能耗及運(yùn)行效率。以此為基礎(chǔ)建立性能參數(shù)與氣象參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算日運(yùn)行能耗，累計(jì)得到年運(yùn)行能耗，由此明確運(yùn)行費(fèi)用，而后結(jié)合集成方式算出投資成本、明確設(shè)計(jì)使用周期從而獲得運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；最終根據(jù)綜合能效及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合評判集成方案的適用性。分別根據(jù)運(yùn)行能耗相關(guān)的運(yùn)行費(fèi)用、使用周期及復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備初投資確定費(fèi)用年值作為經(jīng)濟(jì)評價依據(jù)；年運(yùn)行能耗相關(guān)的一次能源消耗量及利用率作為技術(shù)評價指標(biāo)；年運(yùn)行能耗相關(guān)的污染物排放指標(biāo)作為環(huán)境效益評價依據(jù)；具體的評價流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合供熱系統(tǒng)集成方案評價流程

1.3.1 技術(shù)評價指標(biāo)

采用一次能源消耗量及一次能源利用率進(jìn)行技術(shù)評價。方案所消耗的能量包括電能和燃?xì)?，因此一次能源消耗量指系統(tǒng)消耗燃?xì)鉄崃考由纤褂秒娏哭D(zhuǎn)換為一次能耗的能量。一次能源利用率ER[18]是指系統(tǒng)輸出能量與一次能耗量的比值，一次能源利用率越高，系統(tǒng)節(jié)能性越好。用表示一年中的第天，以表明每天的參數(shù)變化。

方案1的系統(tǒng)一次能源消耗量1由式（2）確定。

方案2的系統(tǒng)一次能源消耗量2由式（3）確定。

方案3的系統(tǒng)一次能源消耗量3由式（4）確定。

一次能源利用率計(jì)算公式如下

其中

對于方案1，存在少數(shù)天氣條件下供給量不能完全滿足熱水和供熱，其實(shí)際供熱量取系統(tǒng)供熱量與供暖供熱水需求量兩者最小值，即

1.3.2 經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)

采用費(fèi)用年值法，即利用資金回收系數(shù)將初投資費(fèi)用折算成與年運(yùn)行費(fèi)用相類似的費(fèi)用，然后再與運(yùn)行費(fèi)用相加，得到費(fèi)用年值[22]的方法。計(jì)算公式為

式中為費(fèi)用年值，C為年運(yùn)行費(fèi)用，0為系統(tǒng)初投資，元；為折現(xiàn)率，可取銀行貸款利率，取4.35%；為設(shè)備使用年限，參考出廠說明和國家報廢標(biāo)準(zhǔn)取15 a。

假設(shè)用戶側(cè)散熱設(shè)備已經(jīng)安裝完成，系統(tǒng)初投資只對系統(tǒng)熱源及匹配設(shè)備進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算。系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用指能源費(fèi)用。計(jì)算公式為

其中

式中C為第個設(shè)備的價格，為所包含的設(shè)備個數(shù)；SC為太陽能集熱單元耗電量，kW·h；HP為空氣源熱泵耗電量，kW·h；為電價，根據(jù)《天津市居民冬季清潔供暖工作方案》供暖季采用分時計(jì)價，每日21:00至次日06:00為0.3元/（kW·h），其余時間0.49元/（kW·h），按平均電價計(jì)算，取0.42元/（kW·h），非供暖季取0.49 元/（kW·h）；為燃?xì)鈨r格，2.4元/m3；為燃?xì)夂牧?，m3；C為補(bǔ)貼費(fèi)用，供暖季政策給予用戶0.2元/（kW·h）電價補(bǔ)貼及1.2元/m3的氣價補(bǔ)貼，每戶最高補(bǔ)貼電量8 000 kW·h、氣量1 000 m3，按式（12）計(jì)算，非供暖季補(bǔ)貼費(fèi)用取0。

1.3.3 環(huán)境評價指標(biāo)

不同方案所消耗的一次能源包括標(biāo)煤和天然氣，環(huán)境評價指標(biāo)與消耗標(biāo)煤量和天然氣量及其氣體污染物排放因子相關(guān)。標(biāo)煤的二氧化碳排放因子為2.461 ，二氧化硫排放因子為0.024 以及氮氧化物排放因子0.007 6 。天然氣的二氧化碳排放因子為1.95 kg/m3，二氧化硫0.000 4 kg/m3和氮氧化物排放因子0.001 871 kg/m3[23-25]。設(shè)消耗標(biāo)煤量為，污染物排放總量為total，則各方案污染物排放量如下

其中

式中total1、total2、total3分別為方案1、方案2、方案3的污染物排放總量，kg；1、2、3分別為方案1、方案2、方案3的消耗標(biāo)煤量，kg；V1、V2分別為方案2、方案3的消耗燃?xì)饬?，m3。

2 集成系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行性能測試

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)前述復(fù)合供熱系統(tǒng)集成形式，結(jié)合典型農(nóng)宅用熱需求，選用關(guān)鍵供熱裝置、設(shè)置供暖負(fù)荷模擬換熱裝置、熱水使用調(diào)節(jié)裝置等，并搭建系統(tǒng)。打開冷卻水開關(guān)，調(diào)節(jié)采暖系統(tǒng)流量至0.35m3/h左右，調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)閥門開閉，使供回水溫差維持在7～8℃，以模擬建筑采暖負(fù)荷。按標(biāo)準(zhǔn)[26]中日用水時間表及熱量消耗比例放水模擬生活熱水使用，通過管路切換不同復(fù)合供熱系統(tǒng)集成方式，在一定的用熱特征下獲取運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，獲取關(guān)鍵設(shè)備性能及相應(yīng)集成方案的運(yùn)行效果，用給出的評價方法分析不同方案運(yùn)行模式、技術(shù)性能及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，為每個方案的評價分析提供支撐，指導(dǎo)推廣應(yīng)用。系統(tǒng)測試原理及參數(shù)見圖4。關(guān)鍵設(shè)備瞬時功率由電能計(jì)量表記錄，所有參數(shù)連接至電腦讀取數(shù)據(jù)。

1.排氣閥 2.流量計(jì) 3.閥門 4.循環(huán)泵 5.壓力表 6.膨脹罐 7.溫度計(jì) 8.截止閥

1.Vent valves 2.Flowmeters 3.Valves 4.Circulating pumps 5.Pressure gauges 6.Expansion tanks 7.Thermometers 8.Shut-off valves

注：P1為燃?xì)鈮毫?，q1為空氣源熱泵系統(tǒng)流量，q2為太陽能集熱器系統(tǒng)流量，q3為燃?xì)饬髁?，q4為生活熱水流量，q5為自來水流量，q6為采暖系統(tǒng)流量，T1為空氣源熱泵出水溫度，T2為空氣源熱泵進(jìn)水溫度，T3為太陽能集熱器出水溫度，T4為太陽能集熱器進(jìn)水溫度，T5為生活熱水出水溫度，T6為自來水溫度，T7為采暖系統(tǒng)供水溫度，T8為采暖系統(tǒng)回水溫度，T9為燃?xì)鉅t生活熱水進(jìn)水溫度，T10為燃?xì)鉅t采暖進(jìn)水溫度，T11為供水溫度，T12為冷卻水回水溫度，T13為水箱上部溫度，T14為水箱中部溫度，T15為水箱下部溫度，T16為燃?xì)鉁囟取?/p>

Note: P1 is gas pressure; q1is flow of air source heat pump system; q2 is flow of solar collector system; q3 is gas flow; q4 is domestic hot water flow; q5 is tap water flow; q6 is heating system flow; T1 is outlet water temperature of air source heat pump; T2 is inlet water temperature of air source heat pump; T3 is outlet water temperature of solar collector; T4 is intlet water temperature of solar collector; T5 is domestic hot water outlet temperature; T6 is tap water temperature; T7 is water supply temperature of heating system; T8 is water supply temperature of heating system; T9 is domestic hot water inlet temperature of gas furnace; T10 is heating water inlet temperature of gas furnace; T11 is cooling water supply temperature; T12 is cooling water return temperature; T13 is upper temperature of water tank; T14 is middle temperature of water tank; T15 is lower temperature of water tank; T16 is gas temperature.

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

Fig. 4 Schematic diagram of test system

依據(jù)文獻(xiàn)[27]并結(jié)合選定房型供熱負(fù)荷，確定系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格，主要設(shè)備規(guī)格及價格如表1所示。假設(shè)用戶側(cè)散熱設(shè)備已經(jīng)安裝完成，只對系統(tǒng)熱源及匹配設(shè)備進(jìn)行初投資計(jì)算。根據(jù)圖2及表1，可計(jì)算得到方案1、2、3的初投資分別為9 722.86、9 768.46和12 338.4元。

表1 關(guān)鍵設(shè)備型號及市場價格

2.2 空氣源熱泵熱水器制熱能力及效率測定

2.2.1 測試計(jì)算原理

參考標(biāo)準(zhǔn)中空氣源熱泵熱水器的試驗(yàn)工況[28]，令工況點(diǎn)在室外干球溫度區(qū)間均勻分布，確定試驗(yàn)工況空氣側(cè)溫度為-7、2、7、20、30 ℃。在滿足供暖和供熱水的工況下大部分時間水箱溫度在40 ℃左右。由此確定空氣源熱泵機(jī)組試驗(yàn)工況的進(jìn)水側(cè)溫度為40～45 ℃。在此工況下對空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行測試，根據(jù)公式（21）、（22）計(jì)算出熱泵機(jī)組的能效系數(shù)COP。

式中HP為熱泵系統(tǒng)的制熱量，MJ；1為空氣源熱泵系統(tǒng)流量，m3/h；1為循環(huán)工質(zhì)的密度，取1 000 kg/m3；1為循環(huán)工質(zhì)的比熱容，取4.186 kJ/(kg·℃)。1為熱泵出水溫度，℃；2為熱泵進(jìn)水溫度，℃；Δ1為熱泵運(yùn)行時間，h；HP為熱泵系統(tǒng)的耗電功率，kW·h。

2.2.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果

按選定的室外溫度對應(yīng)單位日進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)功率與COP，處理測試數(shù)據(jù)，結(jié)合功率、COP與室外干球溫度實(shí)際關(guān)系得到擬合式，如圖5所示。

圖5 空氣源熱泵機(jī)組功率及COP與室外干球溫度關(guān)系

2.3 太陽能平板集熱器有效集熱率測定

2.3.1 測試計(jì)算原理

集熱器有效集熱率指集熱器獲得的熱量有效蓄存至水箱的量相對于太陽得熱的比率，主要考察實(shí)測條件中日照強(qiáng)度對于太陽能集熱模塊系統(tǒng)的制熱貢獻(xiàn)能力，同時便于結(jié)合典型年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合系統(tǒng)中太陽能集熱裝置的貢獻(xiàn)能力的年度評價。考慮熱水系統(tǒng)全天運(yùn)行時，儲水箱水溫大部分時間在40～45℃，即太陽能集熱器蓄熱初始水溫為40℃左右，設(shè)定試驗(yàn)工況儲水箱水溫為40℃。按<5、5≤<8、8≤<13、13≤<18、≥18 MJ/(m2·d) 5個分區(qū)[29]進(jìn)行熱效率測試。集熱器有效集熱率用SC表示，其計(jì)算公式為

式中SC為太陽能集熱器制熱量，MJ；2為太陽能集熱器系統(tǒng)流量，m3/h；2為循環(huán)工質(zhì)密度，1 020 kg/m3；2為循環(huán)工質(zhì)比熱容，3.7 kJ/(kg·℃)；3為太陽能集熱器出水溫度，℃；4為太陽能集熱器進(jìn)水溫度，℃；Δ2為太陽能集熱器運(yùn)行時間，h；為平板集熱器的采光面積，3.58 m2。

2.3.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果

太陽能輻照量受天氣變化影響較大，選取不同室外氣溫的晴朗天氣，對太陽能日輻照量進(jìn)行測量分析。通過多次試驗(yàn)可得，在日輻照量大于5 MJ/m2時，集熱器于每日的10:00～14:00期間可以較好的為儲水箱持續(xù)提供熱量，其熱轉(zhuǎn)化效率較高，且基本不受室外環(huán)境影響。按日輻照量選取日輻照量分區(qū)中對應(yīng)單位日進(jìn)行測試，計(jì)算集熱器有效集熱率，處理測試數(shù)據(jù)，結(jié)合集熱器有效集熱率與日照強(qiáng)度實(shí)際關(guān)系得到擬合式，如圖6所示。

由天津地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)可知，日輻照度小于5 MJ/m2的時間僅占9.86%。選擇測試期間輻照度低于5 MJ/m2的時段的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取平均值，為21.72%，代表該區(qū)間內(nèi)集熱器有效集熱率。

圖6 集熱器有效集熱率與日照強(qiáng)度關(guān)系

2.4 冷凝式燃?xì)鉅t供熱效率測定

2.4.1 測試計(jì)算原理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)步驟[30]，對不同負(fù)荷下的熱水模式下的熱效率和采暖模式下的熱效率進(jìn)行測試。燃?xì)鉅t不同工況下的制熱效率η計(jì)算公式[30]為

熱水工況

供暖工況

式中4為生活熱水流量，kg/s；5為采暖熱水流量，kg/s；3為燃?xì)饬髁?，m3/s；1為循環(huán)工質(zhì)比熱容，4.186 kJ/(kg·℃)；h為燃?xì)鉄嶂?，kJ/m3；5為生活熱水出水溫度，℃；9為燃?xì)鉅t生活熱水進(jìn)水溫度，℃；16為燃?xì)鉁囟?，℃?為采暖系統(tǒng)供水溫度，℃；10為燃?xì)鉅t采暖熱水進(jìn)水溫度，℃；amb為試驗(yàn)時的大氣壓力，kPa；1為燃?xì)鈮毫?，kPa；為溫度為16℃時的飽和水蒸氣壓力，kPa。

2.4.2 試驗(yàn)測試結(jié)果

通過測試結(jié)果，對不同負(fù)荷率下的燃?xì)鉅t效率求取平均值，得到結(jié)果如表2所示。

表2 供暖和熱水工況下燃?xì)鉅t效率

當(dāng)負(fù)荷率在30%～90%工況下，由表2可知，熱效率都能維持在一個較高的水平，可達(dá)96%～106%。

3 不同集成系統(tǒng)運(yùn)行性能評價

3.1 基于關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行特性的運(yùn)行能效評價

根據(jù)典型年氣象數(shù)據(jù)計(jì)算各供熱方案一次能源消耗量。依據(jù)1.3節(jié)所列的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 一次能源消耗量及一次能源利用率

方案1、2、3的一次能源消耗量分別為978.38，951.3和1 035.43 kg，一次能源利用率分別為1.04、1.09和0.94；方案1和方案2即空氣源熱泵組合太陽能集熱器系統(tǒng)與太陽能集熱器組合燃?xì)鉅t的一次能源利用率及消耗量相當(dāng)，方案3能耗最高且能源利用率最低。對方案1和方案2進(jìn)行詳細(xì)比較，對于室外日均溫度低于-6 ℃的供熱階段，熱量需求為2 936.34 MJ，由于空氣源熱泵制熱受天氣影響，方案1的熱量供給不足，為2 566.93 MJ，得到熱量供給率為87.42%，相比之下含燃?xì)鉅t供熱的方案2有較高供熱品質(zhì)。該戶型的全年熱量總需求為29 430.14 MJ，方案1全年供熱量為29 161.15 MJ，其全年熱量供給率為99.09%，不影響經(jīng)濟(jì)及環(huán)境評價結(jié)果。

3.2 基于現(xiàn)有能源政策的經(jīng)濟(jì)性評價

不同方案的初投資、運(yùn)行費(fèi)用及費(fèi)用年值如圖 8所示。

圖8 經(jīng)濟(jì)結(jié)果分析

方案1即空氣源熱泵組合太陽能集熱器的初投資、運(yùn)行費(fèi)用及費(fèi)用年值均最低，從能源消耗量及經(jīng)濟(jì)性看，是小戶節(jié)能農(nóng)宅的較好選擇。

補(bǔ)貼率即補(bǔ)貼前后費(fèi)用的差值占補(bǔ)貼前費(fèi)用的比率。根據(jù)公式（11）、（12）計(jì)算清潔供熱政策前后的年運(yùn)行費(fèi)用，并據(jù)此計(jì)算各方案補(bǔ)貼率，如表3所示，方案1補(bǔ)貼后的運(yùn)行費(fèi)用最低，方案2補(bǔ)貼率最高。將表3所得到的各方案的補(bǔ)貼率求平均值，得到政策補(bǔ)貼率平均占比為45.07%，占有較大比例。能源政策是推行清潔供熱的關(guān)鍵影響因素，政策的持續(xù)性是方案推行的關(guān)鍵。

表3 年運(yùn)行費(fèi)用補(bǔ)貼前后對比

根據(jù)已得到的初投資和補(bǔ)貼后的運(yùn)行費(fèi)用，并利用公式（9）進(jìn)行計(jì)算，可得到方案1、2、3的費(fèi)用年值分別為1 638.29、1 766.62和2 035.35元。

3.3 根據(jù)典型年能耗水平環(huán)境影響評估

不同供熱方案的全年CO2、SO2、NOx排放量如圖9所示。3種供熱方案中，CO2排放量大小的順序?yàn)榉桨? ＞方案1＞方案2。方案2的 CO2排放量分別為方案1、3的65%、59%。二氧化硫和氮氧化物是霧霾的主要原因。作為清潔燃料的天然氣中硫和氮的含量低于煤，因此以燃?xì)鉃橹饕獰嵩吹姆桨?的二氧化硫和氮氧化物排放量最低，其次是方案1和方案3。方案2的SO2排放量分別為方案1、3的9%、8%，NOx排放量分別為方案1、3的26%、23%。

圖9 不同方案年污染物排放量

4 結(jié) 論

1）本文針對3種復(fù)合供熱系統(tǒng)方案，分別為方案1即空氣源熱泵組合太陽能集熱器，方案2即冷凝式燃?xì)鉅t組合太陽能集熱器和方案3即空氣源熱泵組合冷凝式燃?xì)鉅t，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境評價。在技術(shù)指標(biāo)上，3種復(fù)合系統(tǒng)的一次能源消耗量分別為978.38，951.3和1 035.43 kg，一次能源利用率分別為1.04、1.09和0.94；空氣源熱泵組合太陽能集熱器系統(tǒng)的一次能源消耗量及一次能源利用率與冷凝式燃?xì)鉅t組合太陽能集熱器系統(tǒng)相當(dāng)，均優(yōu)于空氣源熱泵組合冷凝式燃?xì)鉅t系統(tǒng)。

2）在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，方案1、2、3應(yīng)用于節(jié)能小戶型農(nóng)宅建筑中的初投資分別為9 722.86、9 768.46和12 338.4元，補(bǔ)貼后運(yùn)行費(fèi)用分別為763.23、887.68、924.9元，費(fèi)用年值分別為1 638.29、1 766.62和2 035.35元，現(xiàn)有能源政策下方案1即空氣源熱泵組合太陽能集熱器系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)，是小戶節(jié)能型住宅的較好選擇。

3）在環(huán)境指標(biāo)上，方案2即冷凝式燃?xì)鉅t組合太陽能集熱器系統(tǒng)的CO2排放量為方案1、3的65%、59%，SO2排放量分別為方案1、3的9%、8%，NOx排放量分別為方案1、3的26%、23%?？紤]供熱品質(zhì)和污染物排放，以燃?xì)鉃橹饕獰嵩吹睦淠饺細(xì)鉅t組合太陽能集熱器系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

4）空氣源熱泵組合太陽能集熱器系統(tǒng)在供暖季的-6℃以上的天氣具有較大供熱優(yōu)勢，在-6℃以下，供暖供熱水熱量供給率平均值為87.42%，相比之下含燃?xì)鉅t供熱的方案有較高供熱品質(zhì)。

5）清潔供暖補(bǔ)貼政策帶來的費(fèi)用減免在3種供熱方案年運(yùn)行費(fèi)用中占有平均比例45.07%，是推行農(nóng)村地區(qū)清潔供熱必不可少的要素，政策的持續(xù)性是方案推行的關(guān)鍵。

本文針對天津地區(qū)小戶節(jié)能型住宅的供熱方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境評價，對比分析不同系統(tǒng)的適用性和運(yùn)行優(yōu)劣，為“煤改電、煤改燃”背景下系統(tǒng)的選用和設(shè)計(jì)做支撐。在進(jìn)一步的研究中，需要考慮當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)宅熱工性能、氣象條件差異、能源政策影響進(jìn)行適宜調(diào)整。需要建立“源-荷-儲-用”多環(huán)節(jié)、多時間尺度的能效評價指標(biāo)，將難以量化的用戶體驗(yàn)滿意度及社會環(huán)境效益作為主要的影響因素引入評價分析體系，采用多應(yīng)用場景協(xié)同評價方式，并借鑒靈敏度分析方法等建立集系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、能源利用效率、用戶體驗(yàn)、社會環(huán)境效益與一體的評價體系。

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Performance of clean recombination heating systems for energy-saving small households

Yuan Feng1, Wang Yu1※, Guo Hongwei2,3

(1,,300384,；2.3000743.300384

Rural areas in China is potential for installing clean heating system. Considering the distribution of rural population and housing, if we use the common central heating as the heating method, it will lead to low-density heating demand, high initial investment and high hot water transmission energy consumption, and rural buildings are facing the problem of relocation in the process of urbanization, thus decentralized heating is more suitable for rural areas in northern China. Multi-energy combination utilization, as a common means of clean heating, has few experimental studies in typical cold regions of China. The technical, economic and environmental assessments of different combined heating systems lack comparative analysis. Taking small-scale energy-saving heating system for farmhouse in Tianjin as an example, this paper proposes a method to asses technical, economic and environmental impact of different cleaning heating systems using meteorological data. We compared and analyzed the applicability and operation of three systems: the air-source heat pump combined with solar collector system, the condensed gas furnace combined with solar collector system, and air-source heat pump combined with condensed gas furnace system. The hot water load under different standards was calculated using an energy simulation software based on the heating load calculated for typical small household. The key equipment was selected based on the load level, and a test platform using floor radiation as terminal heating equipmentwas established to obtain the essentialheating characteristics of the key equipment. Experiment based on the standards was conducted, and the relationship between the performance parameters of the key equipment and the outdoor environmental parameters were obtained. The primary energy consumption and primary energy rate of each system was evaluated based on typical annual meteorological data. Economic assessment of the three systems was based on the annual cost of their energy consumption and the existing energy policy; the environmental impact was assessed based on the annual energy consumption and the CO2, SO2and NO2emissions.The results show that the primary energy ratio and the consumption of the air-source heat pump water heater combined with solar collectors were equivalent to those of the solar collectors combined with gas furnace. The initial investment and operating cost of the air-source heat pump water heater combined with solar collector system were the lowest, with an annual cost of ￥1 638.29, but its heating quality was low when ambient temperature was below -6 °C. The subsidy provided from the clean heating policy accounts for 45.07% of the annual operating costs, indicating that the policy plays an important role in promoting the clean heating system. In terms of environmental impact, the pollutant emission of the scheme 2 was the lowest. The CO2emissions of Scheme 2 were 65% and 59% of Scheme 1 and Scheme 3, respectively. The SO2emissions of Scheme 2 were 9% and 8% of Scheme 1 and Scheme 3, respectively, and the NOxemissions of Scheme 2 were 26% and 23% of Scheme 1 and Scheme 3, respectively. This study provides technical reference for the application of clean heating in rural areas.

Energy saving; air source heat pump; solar energy; Tianjin area; clean heating; energy-saving farm house; economic analysis; pollutant discharges

2019-04-24

2019-07-08

寒冷地區(qū)復(fù)合熱泵系統(tǒng)最優(yōu)集成準(zhǔn)則及運(yùn)行性能研究（17JCTP JC52900）

袁豐，主要從事可再生能源綜合利用。Email：ylddonggua@126.com

王宇，副教授，主要從事建筑節(jié)能與可再生能源綜合利用。Email：wy41523@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.027

TK01+9

A

1002-6819(2019)-17-0225-08

袁 豐，王 宇，郭宏偉. 節(jié)能小戶型農(nóng)宅清潔復(fù)合供熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(17)：225－232. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.027 http://www.tcsae.org

Yuan Feng, Wang Yu, Guo Hongwei. Performance of clean recombination heating systems for energy-saving small households[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 225－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.027 http://www.tcsae.org