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摘要：经济和环境一体化的推动下，采用清洁环保的可再生能源提供采暖和生活热水成为目前城市可持续发展的一大战略。本文在多能互补分散式供热系统原理的基础上，提出一种多能互补的供热采暖系统，并以实例对系统设计进行分析和探讨。
关键词：多能互补供热系统;分散式供热;综合能效;系统优化
一、系统原理
多能互补分散式供热系统由太阳能集热单元、空气源热泵单元、燃气采暖热水炉单元和水箱储热单元等组成。系统运行原理如图1所示：
通过太阳能集热器吸收太阳辐射，使得太阳能循环工质温度升高，通过太阳能工质循环泵将高温工质循环到水箱，给水箱加热;空气源热泵中，低温低压的液态制冷剂经过蒸发器从周围环境中吸收热量，变成低温低压气体后进入压缩机变为高温高压气体，高温高压气体经过冷凝器与水箱换热，加热水箱后冷凝，再经过膨胀阀变成低温低压蒸汽进入蒸发器，循环运行;生活热水系统自来水直接进入水箱，从水箱中取热，采暖水循环系统通过水箱上盘管间接从水箱中取热，当生活热水和采暖出水温度不满足要求时，直接进入燃气采暖热水炉中进行二次加热。
二、多能互补分散式供热系统运行控制
2.1太阳能集热单元运行控制
在太阳能集热单元控制面板上设置太阳能循环水泵的启停温度。当太阳能循环高温工质温度与水箱温度的差值大于4℃时，太阳能循环泵自动开启，加热水箱;当两者温差小于2℃时，太阳能循环泵自动关闭，避免工质循坏带走水箱热量。
2.2空气源热泵单元运行控制
在空气源热泵单元控制面板上设置水箱出水温度，当水箱温度大于设置温度时，空气源热泵关闭，停止加热水箱;当水箱水温小于设置温度5℃时，空气源热泵打开，开始加热水箱。
2.3燃气采暖热水炉单元运行控制
在燃气采暖热水炉单元控制面板上设置采暖出水温度和热水出水温度。当水箱生活热水出水温度小于设置热水温度时，打开阀门使水箱出水进入燃气采暖热水炉生活热水路进行二次加热;当水箱生活热水出水温度不小于设置热水温度时，水箱出水则直接进入生活热水供水管路。当水箱采暖换热盘管中采暖出水温度小于设置采暖温度时，打开阀门使采暖出水进入燃气采暖热水炉采暖路进行二次加热;当水箱采暖换热盘管中采暖出水温度不小于设置采暖温度时，盘管采暖出水则直接进入采暖供水管路。
三、案例分析
3.1工程概况
本项目为我国珠三角某市的一个居民小区单元，该住宅总建筑面积为105.16m2，居住人数为3人。维护结构中外墙是加气混凝土保温外墙，冬季传热系数为0.44W/m2·K，楼面是钢筋混凝土地面，地板为非包围地面，外窗采用PVC框+Low-E玻璃，尺寸为1.8×1.5m，传热系数为2.4W/m2·K，外门为单层节能门，尺寸为1.8×2.5m，传热系数为3.02W/m2·K，层高3m。该地区在气候分区中属于夏热地区，在太阳能分区中属于较丰富地区，因此三种热源设备均可以采用。住宅建筑冬季室内设计计算温度为20℃，该地区冬季生活热水自来水温度取20℃。
3.2 设计过程
本项目位于珠三角地区，气候分区中属于夏热冬暖地区，空气源热泵热水器冬季效率较高但尚可使用;根据我国的太阳能资源分布可以知道，该地区属于资源较丰富区，水平面上年太阳辐照量在4200～5400MJ/（m2·a），太阳能资源良好，适宜采用太阳能集热器。生活热水负荷最大负荷为2.79kW，采暖季日平均采暖负荷为2.80kW。则根据公式 ～式 可知，太阳能集热器面积范围为：0≤A≤13.3m2。根据式 ～式 可知，空气源热泵热水器制热量范围为：0≤Qh≤5.59kW。 根据公式 可知，燃气采暖热水炉制热量范围为：0≤Qh≤5.59kW。根據公式 可知，双盘管储热水箱容积范围为：0<V≤1330L。本文设备太阳能集热器规格为2m2，单价为800元/块;空气源热泵热水器可选规格为3.5kW、5.2kW，价格分别为4000元、5000元;燃气采暖热水炉最小规格即为18kW，可满足需求，价格为6000元;双盘管储热水箱可选范围为200L、300L，价格为1000元、1500元。由于水箱容积可选200L和300L，由公式 可知太阳能集热器面积最大为6m2，当面积为6m2时，水箱容积为300L。正交设计确定组合形式由正交设计思路可知，应首先确定影响因素及其因素水平，然后根据因素水平选择合适的正交表。
3.3设计结果分析和结论
将不同组合形式代入第二章数学模型中，根据系统运行控制策略进行模拟计算，以一年为周期，得到该系统运行一年的运行费用。
组合1：太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量为3.5kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为13900元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量10894.62MJ，消耗电量198.1kW·h，空气源热泵热水器提供热量10329.24MJ，耗电量为748.8kW·h，燃气采暖热水炉提供热量4396.82MJ，耗气量为143.687m3，则统年运行费用为766元，费用年值为2047元，系统全年综合能效比为1.62。
组合2：太阳能集热器面积为2m2，空气源热泵制热量为3.5kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为11800元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量3683.09MJ，消耗电量66.9kW·h，空气源热泵热水器提供热量14245.16MJ，耗电量为1093.1kW·h，燃气采暖热水炉提供热量4524.04MJ，耗气量为147.844m3，则系统年运行费用为1002元，费用年值为2089元，系统全年综合能效比为1.30。
组合3：太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量5.2kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为14900元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量10704.62MJ，消耗电量194.7kW·h，空气源热泵热水器提供热量12458.59MJ，耗电量为920.9kW·h，燃气采暖热水炉提供热量3233.55MJ，耗气量为105.673m3，则系统年运行费用为743元，费用年值为2116元，系统全年综合能效比为1.73。 组合4：不采用太阳能集热器和空气源热泵，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为7000元。计算得该系统运行一年燃气采暖热水炉提供热量24829.81MJ，耗气量为811.432m3，则系统年运行费用为1785元，费用年值为2430元，系统全年综合能效比为0.85。
组合5：太阳能集热器面积为4m2，不采用空气源热泵，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为9100元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量9892.09MJ，消耗电量179.9kW·h，燃气采暖热水炉提供热量14937.71MJ，耗气量为488.16m3，则系统年运行费用为1164元，费用年值为2000元，系统全年综合能效比为1.28。
组合6：不采用太阳能集热器，空气源热泵制热量5.2kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为12000元。计算得该系统运行一年空气源热泵热水器提供热量21336.87MJ，耗电量为1769.18kW·h，燃气采暖热水炉提供热量1657.36MJ，耗气量为54.162m3，则系统年运行费用为1084元，费用年值为2190元，系统全年综合能效比为1.14。
根据计算结果可知，通过表1分析，以费用年值最低为目标函数，则组合1为最优方案，即太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制熱量为3.5kW，燃气采暖热水炉为18kW，双盘管储热水箱为300L，此系统费用年值为2047元/年，综合能效系数为1.62;以综合能效系数最高为目标函数，则组合3为最优方案，即太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量为5.2kW，燃气采暖热水炉为18kW，双盘管储热水箱为300L，此系统综合能效系数为1.73，计算费用年值为2116元/年。
参考文献：
[1] 太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J]. 祖文超，戎卫国. 制冷与空调. 2018（02）
[2] 多能互补的热泵系统性能实验研究[D]. 周晓东.兰州理工大学 2012（09）
[3] 太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析[J]. 王登甲，刘艳峰. 建筑热能通风空调. 2018（01）
（作者单位：珠海格力电器股份有限公司）
关键词：多能互补供热系统;分散式供热;综合能效;系统优化
一、系统原理
多能互补分散式供热系统由太阳能集热单元、空气源热泵单元、燃气采暖热水炉单元和水箱储热单元等组成。系统运行原理如图1所示：
通过太阳能集热器吸收太阳辐射，使得太阳能循环工质温度升高，通过太阳能工质循环泵将高温工质循环到水箱，给水箱加热;空气源热泵中，低温低压的液态制冷剂经过蒸发器从周围环境中吸收热量，变成低温低压气体后进入压缩机变为高温高压气体，高温高压气体经过冷凝器与水箱换热，加热水箱后冷凝，再经过膨胀阀变成低温低压蒸汽进入蒸发器，循环运行;生活热水系统自来水直接进入水箱，从水箱中取热，采暖水循环系统通过水箱上盘管间接从水箱中取热，当生活热水和采暖出水温度不满足要求时，直接进入燃气采暖热水炉中进行二次加热。
二、多能互补分散式供热系统运行控制
2.1太阳能集热单元运行控制
在太阳能集热单元控制面板上设置太阳能循环水泵的启停温度。当太阳能循环高温工质温度与水箱温度的差值大于4℃时，太阳能循环泵自动开启，加热水箱;当两者温差小于2℃时，太阳能循环泵自动关闭，避免工质循坏带走水箱热量。
2.2空气源热泵单元运行控制
在空气源热泵单元控制面板上设置水箱出水温度，当水箱温度大于设置温度时，空气源热泵关闭，停止加热水箱;当水箱水温小于设置温度5℃时，空气源热泵打开，开始加热水箱。
2.3燃气采暖热水炉单元运行控制
在燃气采暖热水炉单元控制面板上设置采暖出水温度和热水出水温度。当水箱生活热水出水温度小于设置热水温度时，打开阀门使水箱出水进入燃气采暖热水炉生活热水路进行二次加热;当水箱生活热水出水温度不小于设置热水温度时，水箱出水则直接进入生活热水供水管路。当水箱采暖换热盘管中采暖出水温度小于设置采暖温度时，打开阀门使采暖出水进入燃气采暖热水炉采暖路进行二次加热;当水箱采暖换热盘管中采暖出水温度不小于设置采暖温度时，盘管采暖出水则直接进入采暖供水管路。
三、案例分析
3.1工程概况
本项目为我国珠三角某市的一个居民小区单元，该住宅总建筑面积为105.16m2，居住人数为3人。维护结构中外墙是加气混凝土保温外墙，冬季传热系数为0.44W/m2·K，楼面是钢筋混凝土地面，地板为非包围地面，外窗采用PVC框+Low-E玻璃，尺寸为1.8×1.5m，传热系数为2.4W/m2·K，外门为单层节能门，尺寸为1.8×2.5m，传热系数为3.02W/m2·K，层高3m。该地区在气候分区中属于夏热地区，在太阳能分区中属于较丰富地区，因此三种热源设备均可以采用。住宅建筑冬季室内设计计算温度为20℃，该地区冬季生活热水自来水温度取20℃。
3.2 设计过程
本项目位于珠三角地区，气候分区中属于夏热冬暖地区，空气源热泵热水器冬季效率较高但尚可使用;根据我国的太阳能资源分布可以知道，该地区属于资源较丰富区，水平面上年太阳辐照量在4200～5400MJ/（m2·a），太阳能资源良好，适宜采用太阳能集热器。生活热水负荷最大负荷为2.79kW，采暖季日平均采暖负荷为2.80kW。则根据公式 ～式 可知，太阳能集热器面积范围为：0≤A≤13.3m2。根据式 ～式 可知，空气源热泵热水器制热量范围为：0≤Qh≤5.59kW。 根据公式 可知，燃气采暖热水炉制热量范围为：0≤Qh≤5.59kW。根據公式 可知，双盘管储热水箱容积范围为：0<V≤1330L。本文设备太阳能集热器规格为2m2，单价为800元/块;空气源热泵热水器可选规格为3.5kW、5.2kW，价格分别为4000元、5000元;燃气采暖热水炉最小规格即为18kW，可满足需求，价格为6000元;双盘管储热水箱可选范围为200L、300L，价格为1000元、1500元。由于水箱容积可选200L和300L，由公式 可知太阳能集热器面积最大为6m2，当面积为6m2时，水箱容积为300L。正交设计确定组合形式由正交设计思路可知，应首先确定影响因素及其因素水平，然后根据因素水平选择合适的正交表。
3.3设计结果分析和结论
将不同组合形式代入第二章数学模型中，根据系统运行控制策略进行模拟计算，以一年为周期，得到该系统运行一年的运行费用。
组合1：太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量为3.5kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为13900元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量10894.62MJ，消耗电量198.1kW·h，空气源热泵热水器提供热量10329.24MJ，耗电量为748.8kW·h，燃气采暖热水炉提供热量4396.82MJ，耗气量为143.687m3，则统年运行费用为766元，费用年值为2047元，系统全年综合能效比为1.62。
组合2：太阳能集热器面积为2m2，空气源热泵制热量为3.5kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为11800元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量3683.09MJ，消耗电量66.9kW·h，空气源热泵热水器提供热量14245.16MJ，耗电量为1093.1kW·h，燃气采暖热水炉提供热量4524.04MJ，耗气量为147.844m3，则系统年运行费用为1002元，费用年值为2089元，系统全年综合能效比为1.30。
组合3：太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量5.2kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为14900元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量10704.62MJ，消耗电量194.7kW·h，空气源热泵热水器提供热量12458.59MJ，耗电量为920.9kW·h，燃气采暖热水炉提供热量3233.55MJ，耗气量为105.673m3，则系统年运行费用为743元，费用年值为2116元，系统全年综合能效比为1.73。 组合4：不采用太阳能集热器和空气源热泵，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为7000元。计算得该系统运行一年燃气采暖热水炉提供热量24829.81MJ，耗气量为811.432m3，则系统年运行费用为1785元，费用年值为2430元，系统全年综合能效比为0.85。
组合5：太阳能集热器面积为4m2，不采用空气源热泵，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱300L，系统初投资为9100元。计算得该系统运行一年太阳能集热单元提供热量9892.09MJ，消耗电量179.9kW·h，燃气采暖热水炉提供热量14937.71MJ，耗气量为488.16m3，则系统年运行费用为1164元，费用年值为2000元，系统全年综合能效比为1.28。
组合6：不采用太阳能集热器，空气源热泵制热量5.2kW，燃气采暖热水炉18kW，双盘管储热水箱200L，系统初投资为12000元。计算得该系统运行一年空气源热泵热水器提供热量21336.87MJ，耗电量为1769.18kW·h，燃气采暖热水炉提供热量1657.36MJ，耗气量为54.162m3，则系统年运行费用为1084元，费用年值为2190元，系统全年综合能效比为1.14。
根据计算结果可知，通过表1分析，以费用年值最低为目标函数，则组合1为最优方案，即太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制熱量为3.5kW，燃气采暖热水炉为18kW，双盘管储热水箱为300L，此系统费用年值为2047元/年，综合能效系数为1.62;以综合能效系数最高为目标函数，则组合3为最优方案，即太阳能集热器面积为6m2，空气源热泵制热量为5.2kW，燃气采暖热水炉为18kW，双盘管储热水箱为300L，此系统综合能效系数为1.73，计算费用年值为2116元/年。
参考文献：
[1] 太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J]. 祖文超，戎卫国. 制冷与空调. 2018（02）
[2] 多能互补的热泵系统性能实验研究[D]. 周晓东.兰州理工大学 2012（09）
[3] 太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析[J]. 王登甲，刘艳峰. 建筑热能通风空调. 2018（01）
（作者单位：珠海格力电器股份有限公司）