沈阳建筑大学市政与环境工程学院  冯国会 姜明超 王梽炜 江明志

       【摘  要】目前供暖行业中存在多种供暖形式，大部分供暖形式在实际应用中面临很多问题，如电力需要扩容、机房场地不足、运行费用高、供冷与供暖不能同时满足等实际问题。所以根据不同项目的需求，应该制定更为适合的能源系统，本文所介绍的的能源系统是太阳能+空气能+电磁能+相变储能耦合系统，此系统是集供暖、供冷以及热水功能为一体的新型系统，此系统可以满足多种需求，同时在实际项目中可以解决一部分电容量以及最大程度上节省系统的运行费用。本文就针对实际项目对此新型多能源耦合系统的多功能运行模式以及优势进行简要的分析介绍。

       【关键词】太阳能；空气能；电磁能；相变储能；多功能运行模式

       【基金项目】国家十三五重点研发计划项目(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，我国的建筑行业正在持续发展，建筑能耗在全国总能耗中占有很大比例，这部分能耗对温室气体排放有着重要影响。根据2005年的建筑能耗统计数据中可以看出，供暖以及空调能耗在整个建筑能耗中占据62%以上的份额。因此，面对越来越恶劣的空气污染问题，充分利用清洁能源，减少煤炭等化石燃料的使用，对改善空气质量会起到积极的作用。现在供暖及空调行业面临着严峻的挑战，同时也存在着巨大的机会，由于技术、经济、现场条件等多种因素的影响，使清洁能源在供暖行业中的应用受到了一定的限制。同时在同一个项目上，单一清洁能源的应用往往达不到理想效果，有时甚至满足不了建筑物的使用要求，所以将多种清洁能源综合应用，取长补短，效果才能更为理想。减少传统燃煤供暖所造成的大气污染，降低供暖及空调系统的能耗，大力推广使用包括可再生能源在内的清洁能源系统成为建筑节能工作和提高全社会能源使用效率的一个重要方面。本文就针对实际工程项目对此新型系统的多功能运行模式以及系统优势进行简要的分析介绍。

1  项目简介

       1.1  项目概述

       该项目位于沈阳市大东区龙之梦购物中心地上停车场，以办公功能为主的办公楼，根据设计院所提供的图纸以及建筑物设计参数可知，总供暖面积约1500平方米，设计温度为20℃，10小时供暖，建筑总供热负荷约为107.73KW。建筑物总供冷面积为1200平方米，供冷设计温度为26℃，建筑物总供冷负荷约为69.23KW。整个建筑物内每天的热水用量为8m³，每小时最大用水量为0.6m³/h。

       1.2  项目方案

       该项目采用空气源热泵、电磁能、太阳能、相变储能耦合供暖、供冷以及供热水系统，该系统选用1台输入功率为20KW的直流式变频空气源热泵，1台60KW的变频采暖型电磁加热器，1台20KW变频采暖与热水双用的电磁加热器，16组新型高效的太阳能集热器，蓄热系统需要1个6m³的多层级低温相变储能水箱，1个6m³的多层级高温相变储能水箱。

       该系统在冬季主要以供暖为主，在供暖期，该建筑的热水供应主要是从热电厂买热水，太阳能所收集的热量全部储存在低温相变储能水箱之中，用于建筑物的供暖，在非供暖季，建筑物的热水供应全部由太阳能系统承担，向单独的生活热水水箱中储存热水。空气源热泵系统在供暖季承担部分热负荷，与高温相变储能水箱连接，向高温相变储能水箱内储存热量。在供冷季空气源热泵承担室内全部冷负荷，为建筑物供冷，此工况空气源热泵与末端风机盘管系统直连，不需向水箱内蓄冷。空气源热泵的两种运行工况主要依靠简单的阀门切换就能够得以解决。电磁加热机组与高温相变储能水箱相连接，在采暖季开启，在空气源热泵产生低温水的基础上继续升温，达到可以供暖的供水温度，承担建筑物绝大部分的热负荷。

       1.3 实际运行效果分析

       该系统在夏季供热水的过程中所提供的热水温度以及热水量完全能够满足建筑物的使用需求，供冷季90天，整个系统的供冷温度维持在25℃左右，运行费用约为9.27元/m²，供暖季180天，整个系统的供暖温度维持在21℃左右，运行费用约为19.74元/m²。该系统的整体效果完全达到了预期目标，运行效果良好。

2  系统设备流程示意图及运行模式分析

       本系统主要包括：太阳能集热器、空气源热泵、电磁加热器、相变储能水箱以及自动控制系统，附图1为系统图，该系统主要由以下部分组成，主要设备连接流程如图1：

       系统采用空气源热泵、太阳能、电磁能以及相变储能耦合供能模式，在夜间充分利用谷电，先开启空气源热泵将高温相变储能水箱内的水进行加热蓄能，当水温达到设定温度后，再将电磁加热器设备全部开启满负荷运行，为高温相变储能水箱蓄能同时保证建筑物夜间供暖需求，次日先由高温相变储热水箱前夜蓄存的热量为建筑物供暖，在此期间太阳能集热器产生的热量蓄存在低温相变蓄热水箱之中，当高温相变储热水箱前夜蓄存的热量用尽时，太阳能低温相变储热水箱中的热水便开始向高温相变储热水箱补热并为整个建筑物供暖，同时空气源热泵系统作为辅助供暖热源适时开启，如若仍然不能满足供水温度，再开启电磁加热设备进行补热。

       三套加热系统均为独立系统，均可通过温控阀门和循环水泵的自动控制和切换实现为末端供暖、供冷以及热水使用的需求，减小不必要的能量消耗浪费。当高温相变储热水箱温度满足供暖温度时可由其直接供暖，当高温相变储热水箱温度不能满足供暖温度时，低温相变储热水箱与高温相变储热水箱中的水进行混合后供暖，达到阶梯加热的效果，使空气源热泵、太阳能采暖系统和电磁加热系统各自达到最佳的运行效率，经济性最佳，同时空气源热泵系统在夏季也可以提供冷量，为建筑供冷。空气源热泵、太阳能系统和电磁加热系统各自发挥最大的优势，取长补短，使整套耦合系统达到最佳的经济性、技术性、节能性。

       整套系统具体的运行步骤如下：

       （1）在夜间谷电期间段先开启空气源热泵，对高温相变水箱内的水进行升温，空气源热泵的开启时间大约占整个谷电时长的一半，然后再开启电磁加热器，使其向高温相变储能水箱内继续蓄热，使水箱内的水温上升至满足末端出水温度。此外末端散热器或地热盘管可以选择关闭或者低频率运行，如果末端是风机盘管，则可以选择将控制面板的温度设置在较低水平，当室内温度低于设置温度的时候，风机盘管将启动继续向室内供暖，这样可以使高温相变储能水箱储存的热量达到最大值。

       （2）当谷电时间段结束时，电磁加热器停止运行，此时高温相变储能水箱经过电磁加热器在谷电期间持续运行储存了大量的热量，这些热量充分满足了建筑物在第二天早上至14点左右的室内供暖温度需求。

       （3）太阳能集热系统从第二天早上太阳出现开始运行，将收集的热量不断的带到低温相变储能水箱内，在白天期间太阳能集热系统一直处于运行状态，直到太阳落山才停止运行，到下午的时候高温相变储能水箱内的温度将不能满足室内的供暖要求，这时就会开启高、低温相变储能水箱之间的热交换循环泵，将太阳能集热器收集在低温相变储能水箱内的热量带到高温相变储能水箱内，以此种方式来满足接下来一段时间室内供暖的要求。

       （4）当太阳落山之后，太阳能集热系统停止运行，不是真正意义上的停止运行，由于供暖期间夜间温度很低，如果太阳能集热系统内的水停止循环，将会影响太阳能系统正常运行与甚至损坏，减少太阳能集热系统的使用寿命。所以在夜间通过控制系统需要对太阳能系统执行防冻循环。

       （5）夏季在制冷工况下，开启空气源热泵为室内提供所需冷量，此时空气源热泵系统与末端是属于直供状态，无需向高温相变储能水箱内蓄冷，此种工况只需要通过阀门切换就能实现。

       整个系统的每一步环节的运行，每个设备的启停都在自动控制系统的参与下完成，全程无需安排任何人进行手动操作，使整个供暖系统实现全自动化运行。

3  系统优势

       该系统采用空气源热泵、电磁加热器、高效太阳集热器、相变储能水箱联合供暖+供冷+热水模式，电磁能具有热效率高、节能效果显著、投资低、运行稳定等优点，但如果全部采用电磁能供暖会消耗大量的电能，并且需要电力扩容，因此首先系统采用太阳能作为补充能源，太阳能资源是目前地球上最丰富的能源之一，故耦合一部分太阳能对整个建筑物进行供暖，无需电力扩容并且大大降低系统运行费用。同时此系统也采用空气源作为补充能源，以无处不在的空气中的能量作为主要动力，能够以较低的能量消耗，实现把低温位热能输送至高温位的功能，能大量利用自然资源和余热资源中的热量，有效减少了输入能，很好地满足了冬季采暖与夏季制冷的要求。空气源热泵无需复杂的配置、昂贵的取水、回灌和专用机房，具有安装使用方便、能量利用效率高、减少温室效应、环保等优点，进一步降低系统的运行费用与系统的装机功率，无需进行电力扩容，降低初投资。在过渡季节，建筑物的热负荷较小，可以仅依靠太阳能系统、空气源热泵系统对建筑物供暖，无需开启电磁加热系统。在夏季空气源热泵系统可以为建筑物提供所需冷量。在非采暖季太阳能采暖系统可以产生大量热水用于建筑物生活洗浴以及吸收式制冷等其他使用需求。同时太阳能采暖系统、空气源热泵系统与独有相变储能技术联用，保证太阳能系统与空气源热泵系统持续有效供热，克服了阴雨天等极端天气太阳能集热效率低而影响供热效果的问题。高效电磁加热系统和独有相变储能技术联合使用，充分利用峰谷电价差，让整个耦合能源系统的运行费用少到极致。

       该系统采用多种能源耦合运行模式，实现多功能使用的需求，同时该系统与传统燃煤、燃气锅炉、纯电锅炉等供暖系统相比较而言，可以有效提高可再生能源的利用率、提高室内舒适性、降低系统运行费用、提高供暖及供冷的保证性以及满足热水供应的温度和水量的需求，节约能源以及降低硫化物、粉尘等有害气体的排放，缓解环境保护压力，同时响应国家绿色减排号召，为国家节能减排的发展起到示范作用。可总结为以下几个优势：

      （1）可再生能源利用，清洁无污染，充分利用太阳能与空气能的能量，只需水泵的少量电费就能实现大面积供暖、供冷以及热水使用的需求，可以减少能源系统大量的运行费用以及电网扩容费用。       

      （2）过渡季节也可以仅依靠太阳能或者空气源热泵进行采暖，无需开启电磁采暖系统，同时非采暖季期间太阳能采暖系统可以用于免费热水供应和吸收式制冷。

      （3）空气源热泵可以在夏季提供冷量，为建筑供冷。

      （4）电磁加热和电热管（棒）加热相比，可节能30%以上，水电分离，安全，长期运转不结垢，且热效率可保持在98%以上。

      （5）太阳能、空气源热泵与电磁能进行阶梯供能，太阳能系统负责低品位能量区间并且在日间使用，空气源热泵也负责低品位能量区间并在夜间使用，电磁加热系统负责高品位能量区间并且在夜间使用，此种耦合系统使各子系统运行效率与利用率达到最高，并且提高系统整体供热保证性。

      （6）采用高效相变储能技术，充分利用峰谷电政策，最大程度的减少水箱体积以及能量的损失，并且保证末端供热效果稳定，让系统运行费用少到极致。

       （7）该方案采用自动控制与监测系统，可以实现系统安全稳定，降低运行能耗，提高运行效率、降低运行成本与管理成本。

       （8）空气源热泵、太阳能系统和电磁加热系统各自发挥最大的优势，取长补短，使整套耦合采暖系统达到最佳的经济性、技术性、节能性。

4  结语

       综上所述，太阳能与电磁能以及空气源热泵结合供暖、供冷以及供热水系统设计合理，使系统的经济性提高并且可以保证供暖、供冷以及供热水的效果良好。电磁加热系统与空气源热泵机组的起动时间影响着太阳能集热系统的集热效率以及空气源泵热泵机组本身的性能。建筑物本身的冷、热负荷情况决定系统的参数和供水方式。整个系统中的控制系统是保证系统安全可靠运行的主要部分。因此，在电磁加热器和太阳能集热器以及空气源热泵供热、供冷以及供热水系统的使用中，要结合实际情况，确定系统设计参数，保证系统合理运行，使系统达到更经济和更节能的使用要求。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。