一种清洁能源与市政热网互补的供热系统

　　近年来，中国城镇化的快速发展推动了建筑面积不断增长。伴随着人们生活水平的提升，供暖需求不断增加，供暖能源消耗量逐年增加，由此带来的环境污染问题日益严峻，每到供暖季节京津冀地区的雾霾天数显著增多，空气质量迟迟不能得到有效改善。由于城市市政热网系统更新及改造较慢，系统供热能力有限，距城区较远的新建及改扩建小区供暖问题面临挑战，因此寻求利用可再生能源供热，考虑清洁能源与常规能源多能源协同互补供热，是缓解供暖季环境污染及解决新建或者改扩建系统供热能力不足的重要方法之一。

　　一般来说太阳能资源丰富，空气源热泵系统布置较灵活，市政热网稳定性较好，因此考虑将太阳能、空气能及市政热网３种能源结合起来，设计清洁能源与市政热网多能互补集中供热系统，根据不同能源的特点，制定合理的控制策略，充分利用这些清洁可再生能源，保证系统稳定、高效运行。该系统既能有效解决所面临的供暖供需矛盾，又能显著减少北方冬季集中供热过程中的环境污染，具有很好的经济效益和社会效益。

　　清洁能源与市政热网多能互补集中供热系统（以下简称系统）主要由太阳能集热系统、集中供热系统、双热源热泵系统组成。系统原理图如图１所示。系统的运行模式分为５种工况：１）太阳能直接供热模式；２）太阳能辅助双热源（水源）热泵供热模式；３）双热源（空气源）热泵供热模式；４）双热源（空气源）热泵与市政集中供热互补模式；５）双热源（水源）热泵与市政集中供热互补模式。

图1 清洁能源与市政热网互补供热系统

　　采用Trnsys软件建立系统模型，如图２所示，选取一个供暖季，即当年的11月15日至次年的3月15日对系统的运行效果进行分析。由于软件中并没有双热源热泵的模型，故用空气源热泵和水源热泵并联来代替双热源热泵，两种模式的转换通过控制器来实现，整个小区的建筑逐时负荷通过Dest模拟得出，并加载到该系统中。

图2 互补供热系统Trnsys模型

　　系统中各模式的供热量大小关系如图3所示。模式2的供热量占比较大，系统供热量较 多，约为总供热量的44.65%，其次是模式3—模式5，总供热量最小的是模式1，供热量占比不足1%，即太阳能直接供暖所供热量较少，主要原因是该互补供热系统在模式1下的运行时间较短，故总供热量较低。虽然系统处于模式2下的时间比模式3下运行时间短，但总供热量最多，说明系统在模式2下处于高效率区的时间较长，水源热泵模式下系统效率较高。模式4和模式5总供热量较为接近，各约占总供热量的10%。

图3 不同模式供热量对比

　　图4为整个供暖季中不同能源供热量对比，从图中可以看出，系统的总供热量中来自太阳能的热量占比最高，其次是空气能，利用较少的能源是市政热能。虽然在上述分析中太阳能直接供热模式即模式1下的运行时间、总供热量占比均较低，但是在该互补供热系统中，太阳能除可直接利用（模式1）外，还可以作为双热源热泵（水源）系统的低温热源，即模式2和模式5下的水源热泵系统吸收的热量均来自太阳能集热系统，因此，太阳能在总供热量中占比较高。双热源热泵（空气源）系统的低温热源是空气，即模式3、模式4下热泵系统需从空气中吸收热量，且模式3、模式4的运行时间较长，因此，空气能在总供热量中的占比仅次于太阳能，2种清洁能源的总供热比例为82.15%。热泵系统的运行需要消耗电能，模式2—模式5下热泵系统均处于运行状态，热泵系统运行时间较长，总供热量较多，因此，在整个供暖季中互补供热系统来自电能供应的热量占16.18%。由于双热源热泵系统及太阳能集热系统的设计负荷为总建筑热负荷的80%，能够满足大部分时间的建筑物供暖需求，因此需要市政热网补热的时间较少，故市政热网总供热量的占比较低，仅为1.68%。

图4 不同能源供热量对比

　　建立了一种利用清洁能源与市政热网互补供热的新系统，分析了此系统的不同运行模式及控制策略，分析了该系统运行中不同模式的运行时间及供热量、不同能源的供热量和热泵机2种工况下的供热效率，结论如下：

　　1、各模式下的供热量大小关系是模式2＞模式3＞模式4＞模式5＞模式1，模式1供热时间最短， 供热量也最低；

　　2、整个供热过程中，各能源的供热量大小关系是太阳能＞空气能＞电能＞市政热网，清洁能源所占比例为82.15%。

　　（作者：王铭 马瑞雪 ）