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多能互补供热系统优化设计技术研究

1.国家燃气用具质量监督检验中心 王启 高文学 2.天津大学 杨林 张欢



摘 要 本文针对基于太阳能集热器、燃气采暖热水炉、空气源热泵为供热单元的多能互补独立供热系统组合型式进行研究,并提出了该组合系统的优化设计和经济性评价的技术方法。首先确定系统(拟)运行地区的初始条件,对各组合系统单元建立数学模型,提出了以初投资和运行费用最低为目标函数的优化计算和经济性评价方法,采用枚举法将不同容量的设备组合代入模型进行计算,最终确定出以最低成本满足用户用热需求的优化的系统配置,以为燃气具企业和用能单位提供优化匹配技术和方案及经济性评价方法。文中以位于寒冷地区的天津某建筑为例进行计算,得出优化的系统方案,即采用空气源热泵和燃气采暖热水炉组合的供热采暖系统为最优。

关键词 多能互补供热系统;数学模型;计算费用法;优化设计;经济性评价


0 前言

建筑耗能与工业耗能、交通耗能并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”,尤其是建筑耗能伴随建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升,呈急剧上升趋势[1]。目前,我国建筑能耗约占全国能源消费总量的30%,其中采暖和生活热水能耗是建筑能耗的重要组成部分,据统计,我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的36%,我国发达城市的住宅建筑中,生活热水能耗占建筑总能耗的15%~20%[1,2]。因此,采用清洁环保的可再生能源为住宅建筑提供采暖和生活热水,将对实现建筑节能、保护环境意义重大。

多能互补供热采暖系统是利用太阳能、空气能和燃气能,既提供生活热水又用于采暖的联合系统。太阳能资源清洁无污染,但其时间性、季节性较强;空气源热泵吸收环境热量,处处都有随处可用,但当室外温度较低时存在结霜问题,受地理环境和气候因素影响较大;燃气采暖热水炉可以即时出热水,但必须消耗燃气才能满足需求。多能互补供热采暖系统将三种热源合理搭配,突破采用单一热源的局限性,实现资源利用的最大化。

本文针对基于太阳能集热器、燃气采暖热水炉、空气源热泵为供热单元的多能互补供热系统,通过对上述各系统单元建立数学评价模型,研究提出了以初投资和运行费用最低为目标函数的优化计算和经济性评价方法,可以为燃气具企业和用能单位提供优化匹配技术和方案,及进行相关经济性或节能评价。

文中研究的多能互补供热系统其热源形式有三种,根据热源组合形式的不同可以形成七种热源方案,分别为仅采用太阳能集热器系统、仅采用燃气采暖热水炉系统、仅采用空气源热泵系统、太阳能集热器和燃气采暖热水炉联合运行系统、太阳能集热器和空气源热泵联合运行系统、空气源热泵和燃气采暖热水炉联合运行系统和三热源联合运行系统,下面以三热源联合运行的系统方案为例,介绍系统方案及数学模型。


1 系统方案

1.1 系统原理图

多能互补供热采暖系统由太阳能集热板、空气源热泵、燃气采暖热水炉、双盘管储水箱、循环泵、阀件及其管道等组成。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,通过循环泵将高温工质循环到水箱,给水箱加热;空气源热泵中,制冷剂从周围环境中吸收热量后经过压缩机变为高温高压气体,进入冷凝器与水箱循环水换热,加热水箱;采暖水循环系统和生活热水从水箱中取热,当水箱热量不足时,由燃气采暖热水炉进行补给。系统原理详情如图1所示。


1.2 系统控制策略

系统优先采用清洁无污染且运行费用较低的太阳能系统,考虑到空气源热泵在寒冷冬季系统COP会降低,且天然气的价格和电价会出现波动等因素,则空气源热泵和燃气采暖热水炉优先级关系通过单位热量价格来确定。

空气源热泵的单位热量价格计算公式如下:

      (1)

式中:D1—空气源热泵单位热量的价格,元/kJ;Ce—电价,元/kW·h;COP—为空气源热泵系统性能的系数。

燃气采暖热水炉的单位热量价格计算公式如下:

 (2)

式中:D2—空燃气采暖热水炉单位热量价格,元/kJ;Cg—天然气价格,元/m3;Hi—天然气热值,kJ/m3;η—燃气采暖热水炉效率,%。

若D1>D2,则优先采用燃气采暖热水炉;若D1≤D2,则优先采用空气源热泵。

(1)太阳能运行控制

水箱能承受的最大值Tmax,当水箱水温大于Tmax时,关闭太阳能循环泵,停止加热水箱;当水箱水温小于Tmax时,打开太阳能循环泵,开始加热水箱。若太阳能系统循环工质温度低于水箱,则太阳能循环泵始终关闭,以免工质带走水箱中的热量。

(2)空气源热泵运行控制

设定生活热水出水温度Tw,当水箱的水温大于Tw或者D1>D2时,关闭空气源热泵,停止加热水箱;当水箱的水温小于Tw且D1≤D2时,打开空气源热泵,开始加热水箱。

(3)采暖和生活热水系统运行控制

设定采暖出水温度Tc。当水箱生活热水出水温度大于Tw时,开启混水泵,使出水温度维持在Tw范围内;当水箱生活热水出水温度小于Tw时,打开阀门使水箱出水进入燃气采暖热水炉进行二次加热,直到出水温度为Tw。当水箱内采暖换热盘管中采暖出水温度大于Tc时,开启混水泵,使出水温度维持在Tc范围内;当水箱内采暖换热盘管中采暖出水温度小于Tc时,打开阀门使水箱出水,进入燃气采暖热水炉进行二次加热,直到出水温温度为Tc。燃气采暖热水炉优先加热生活热水。


2 数学模型

将多能互补供热采暖系统划分为五个换热单元,分别为太阳能集热单元、空气源热泵单元、燃气采暖热水炉单元、生活热水单元和采暖循环系统单元,双盘管储水箱为三种加热单元和两种取热单元的连接纽带,是整个系统的核心部件。

2.1 太阳能集热单元数学模型

太阳能集热器的集热量是指某时间从集热器得到的有用能量,是吸热板吸收的太阳能与散失到周围环境的能量差,有用能量的计算公式如下:

    (3)

式中:

Qu—太阳能集热器的有用得热量,W;

Iθ—单位面积集热器采光面上的瞬时总太阳能辐照量,W/m2

A—集热器面积,m2

ηd—太阳能集热效率,一般取40%~55%;

ηL—管路及水箱热损失,一般取0.15~0.3。

2.2 空气源热泵单元数学模型

空气源热泵集热单元主要四大部件组成:膨胀阀、蒸发器、压缩机和冷凝器。下面就热泵机组的主要部件和热泵系统分别建立数学模型。

2.2.1 蒸发器

蒸发器是空气源热泵机组中主要的热交换设备之一,经过节流阀后的低温低压的液态制冷剂工质在此吸收环境热量而汽化。为简化系统优化设计计算,本文将蒸发器作为热泵系统的一部分,建立蒸发器模型。由热泵工作原理可知,当压缩机容量确定后,压缩机的轴功率、制热量和系统COP完全由蒸发温度和冷凝温度决定,本系统中蒸发器采用空气源工质蒸发器,根据文献[3]可知,蒸发换热温差在8.12~10.2℃范围内。

2.2.2 冷凝器

同蒸发器的建模思想,本文将冷凝器作为热泵系统的一部分来建立冷凝器模型。本系统中冷凝器采用水冷式壳管冷却器,根据文献[4]可知,对于水冷式冷凝器,冷凝换热温差在4~12℃范围内。

2.2.3 压缩机

压缩机是空气源热泵机组的一个重要设备,其工作性能的好坏直接关系到系统效率的高低。本文以选定的压缩机为对象建立模型。

(1)压缩机制冷剂质量流量

   (4)

式中:

Mr—制冷剂质量流量,kg/s;

ηv—压缩机容积效率;

Vh—压缩机理论输气量,m3/s;

ν1—压缩机进口气态制冷剂的比容,m3/kg。

(2)热泵循环制热量

 Qh=Mr×(h2-h3)       (5)

式中:

Qh—热泵循环制热量,W;

h2—压缩机出口制冷剂过热蒸汽的比焓,J/kg;

h3—冷凝器出口制冷剂液体的比焓,J/kg。

(3)压缩机轴功率

N1=Mr×(h2-h1)          (6)

式中:

N1—压缩机轴功率,W;

h2—压缩机出口制冷剂过热蒸汽的比焓,J/kg;

h1—压缩机进口制冷剂过热蒸汽的比焓,J/kg。

(4)热泵机组COP

                 (7)

计算用制冷剂热物性参数可以由图表法、状态方程法和拟合关联式法进行计算得出,本文使用Cleland关联式[5]进行计算。

2.2.4 热泵系统数学模型

空气源热泵系统的数学模型是在四大部件模型的基础上建立的,根据前文介绍的蒸发器、冷疑器和压缩机的数学模型,明确各部件的输入、输出状态参数,将各部分耦合得出系统的数学模型。

由图2可知,蒸发温度即1′点的温度t1′为环境温度ta减去蒸发换热温差∆te;1点温度t1为1′点温度t1′加过热度∆Tsup;冷凝温度即2′点温度t2′为水箱温度Tx加上冷凝换热温差∆tk;3点温度t3为3′点温度t3′减去过冷度∆Tsub。


根据热泵运行原理图和Cleland关联式确定的各点热物性参数,得出以下系统数学模型关系式:

(1)蒸发器函数

蒸发器出口(压缩机进口)制冷剂过热蒸汽的比焓h1计算公式如下:

h1=f1(ta , Δte , Δtsup)                       (8)

式中:

ta—环境温度,℃;

Δte —蒸发换热温差,℃;

Δtsup—过热度,℃。

(2)压缩机函数

压缩机出口(冷凝器进口)制冷剂过热蒸汽的比焓h2计算公式如下:

h2=f2(ta , Δte ,Δt sup , Tx , Δtk , p1 , p2 , h1)        (9)

式中:

Tx—水箱温度,℃;

Δtk—冷凝换热温差,℃;

p1—压缩机进口制冷剂压力,Pa;

p2—压缩机出口制冷剂压力,Pa。

(3)冷凝器函数

冷凝器出口制(膨胀阀进口)冷剂液体比焓h3计算公式如下:

h3=f3(Tx , Δtk , Δtsub)       (10)

式中:Δtsub—过冷度,℃。

(4)膨胀阀函数

膨胀阀出口(蒸发器进口)制冷剂液体比焓h4计算公式如下:

 h4=h     (11)

通过上述系统数学关系式,计算出各状态点焓值,再根据压缩机模型计算得到系统的制热量、输入功率和系统COP。

2.3 燃气采暖热水炉单元数学模型

由采暖和生活热水系统运行控制可知,燃气采暖热水炉提供的热量由水箱温度Tx、设定的生活热水出水温度Tw和采暖出水温度Tc决定(Tw一般大于Tc),壁挂炉优先提供生活热水,计算公式如下:

当系统使用生活热水时,

当Tx>Tw时:           (12)

当Tx≤Tw时:    (13)

当系统不使用生活热水时,

当Tx>Tc时:           (14)

当Tx≤Tc时:    (15)

式中:

Qr—燃气采暖热水炉提供热量,kJ;

c—水的比热容,kJ/kg·℃;

G1—生活热水水流量,kg/s;

G2—采暖循环水流量,kg/s。

燃气耗量计算公式如下:

 Qg=Qr /(Hi×η)     (16)

式中:

Qr—燃气采暖热水炉提供的热量,kJ;

Hi—燃气热值,kJ/m3

η—燃气采暖热水炉效率,%。

2.4 生活热水单元数学模型

每天生活热水总负荷可以根据热水用量计算,热水用量采用用水量定额算法进行计算,公式如下:

Q=mqrpc×(Tout-T in)                       (17)

式中:

Q—每天热水总负荷,kJ;

qr—热水用水量定额,L/(人·天);

m—用水量单位,人;

Tout—设定生活热水出水温度,℃;

Tin—自来水进水温度,℃;

生活热水负荷计算公式如下:

 Qw=Q×Kh /3600                        (18)

式中:

Qw—生活热水负荷,kW;

Kh—不同时刻用热量占总供热量的百分比[6],%。

生活热水流量计算公式如下:

G1=Qw /(c×(Tout-Tin))                     (19)

2.5 采暖循环系统单元数学模型

采暖负荷按照建筑热负荷指标进行计算,计算公式如下:

QH=qHAb /1000                          (20)

式中:

QH—采暖负荷,kW;

qH—单位建筑面积的热负荷指标,W/m2

Ab—建筑面积,m2

采暖循环水流量计算公式如下:

 G2=QH /(c×(Tc-Th))                     (21)

式中:Th—采暖回水温度,℃

2.6 储水箱数学模型

双盘管储水箱为三种加热单元和两种取热单元的连接纽带,是整个系统的核心部件。水箱数学模型的建立主要有分布参数模型和集总参数模型两种方法,其中分布参数模型考虑温度分层,是对某一时刻水箱内的温度分布进行计算,而集总参数模型不考虑温度分层,是对不同时刻内水箱的温度进行计算,因此本文采用集总参数形式的非稳态模型对水箱进行计算,水箱散热损失相对较小,可以忽略。

水箱数学模型计算公式如下:

 (22)

式中:Vx—水箱容积,L。

将上述建立的太阳能单元、空气源热泵单元、采暖系统单元和生活热水系统单元的数学模型带入水箱的数学模型中,计算出水箱的逐时水温,水箱水温既可以用来判断各供热单元的开闭,也可以用来反应系统设备容量匹配的情况。当水箱温度始终很小时,说明水箱容积过大或者供热设备容量选择偏小;当水箱温度始终很高或者开启某个设备后水箱温度增长特别快,说明水箱容积偏小或某供热设备容量选择偏大。


3 系统优化方法

3.1 系统优化计算方法

本文以初投资和运行费用为目标函数进行优化设计,采用计算费用法和枚举法,即列出所有满足用户用热量需求的各种不同容量的设备的组合,计算该组合的初投资与运行费用,找到计算费用最小的组合即为系统的优化匹配组合。

由于初投资和运行费用是两项性质不同的费用,不能将两者简单相加,我们采用费用年值法[7]进行计算,即利用资金回收系数将初投资费用折算成与年运行费用相类似的费用,然后再与运行费用相加,得出费用年值的方法。计算公式如下:

     (23)

式中:

C—费用年值,元;

Cr—年运行费用,元/年;

C0—初投资,元;

i—折现率,%;

n—设备使用年限,年。

初投资计算公式如下:

C0=C1+C2+C3+C4+Cm                     (24)

式中:

C1—太阳能集热板费用,元;

C2—空气源热泵费用,元;

C3—水箱费用,元;

C4—燃气采暖热水炉费用,元;

Cm—系统固定初投资,包括水泵、阀门、管道等费用,元。

运行费用计算公式如下:

Cr=(N1×T1+N2×T2)×Ce+Cg×Qg              (25)

式中:

N1—空气源热泵压缩机轴功率,kW;

T1—空气源热泵运行时间,h;

N2—太阳能循环泵功率,kW;

T2—太阳能集热系统运行时间,h;

Ce—电价,元/kW·h;

Cg—燃气价格,元/m3

Qg—燃气耗量,m3

3.2 设备初定

空气源热泵、太阳能集热器和燃气采暖热水炉的应用受到地理位置、气候因素、燃气价格和电价等的影响,用上述建立的数学模型初选出适合热泵使用的地区、适合太阳能使用的地区,以及适合燃气采暖热水炉使用的地区。设备的初步选择是指选择合适的热源形式。

根据我国的太阳能资源分布可知,我国的太阳能资源可以分为四个区,即资源极富区、资源丰富区、资源较富区和资源一般区,根据不同地区太阳能供热采暖系统的太阳能保证率的推荐选值范围可知,对于短期蓄热系统来说,四区太阳能保证率较低,此地区的系统中不适宜采用太阳能集热器。

根据我国的气候分区情况可知,我国气候可以分为五个区,分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区,空气源热泵在室外的温度较低湿度较高的地方容易结霜,导致系统COP较低,由经验可知,空气源热泵热水器不适宜在严寒地区使用。

3.3 约束条件

(1)太阳能集热器

太阳能集热器面积范围:

                         (26)

式中:

Amin—系统可以采用的最少的集热板面积,m2;

Amax—系统可以采用的最多的集热板面积,m2。

Amin取0,即多热源互补供热系统不采用太阳能集热系统。

Amax是用户提供可敷设集热板面积和由采暖热水负荷计算得到的集热器面积两者来决定,其中取两者较小值。

其中由采暖热水负荷计算得到的集热器面积计算公式如下:

  (27)

式中:

Ac—太阳能供热采暖系统集热器总面积,m2

Q—采暖和热水负荷之和的最大值,W;

f—太阳能保证率,%;

JT—当地采暖期在集热器安装倾斜面上的平均日太阳能辐照量,J/m2。

(2)空气源热泵

空气源热泵制热量范围:

   (28)

式中:Qhmin—系统可采用的最小的空气源热泵制热量,kW;

Qhmax—系统可采用的最大的空气源热泵制热量,kW;

Qhmin为不同时满足生活热水和采暖的用热需求,取两者的最大值;

Qhmax为可同时满足生活热水和采暖的用热需求,取两者之和。

(3)燃气采暖热水炉

燃气采暖热水炉用来提供当太阳能集热系统和空气源热泵同时使用时仍不能满足用户用热需求时的热量,是用来保证系统的供热稳定性,容量取值应能同时满足生活热水和采暖的最大用热需求。

(4)储水箱

储水箱容积取值应满足以下要求:

1)在任意时刻水箱的水温不能超过水箱能承受的最大值Txmax

2)短期蓄热太阳能供热采暖系统对应每平方米太阳能集热器采光面积的贮热水箱容积在50~150L/m2

3)对于工业企业或淋浴室,储水箱储热量不低于60min设计小时耗热量;对于其他建筑物,不低于90min设计小时耗热量。

3.4 模拟计算程序

采用上述系统优化方法,根据建立的数学模型,用Matlab软件编程进行计算,模拟计算的流程详情如图3所示。


4 匹配设计实例

4.1 匹配设计过程

4.1.1 工程概况

以天津市某建筑为例进行计算,建筑面积为100m2的三人之家,设备采用万和厂家生产的平板太阳能集热器、空气源热泵热水器、燃气采暖热水炉和双盘管储水箱。

(1)热水负荷计算



根据《建筑给水排水设计规范》可知,普通建筑中最高日用水定额在40~100L范围内,本文取50L/d•人,热水设计出水温度为60℃,冷水计算温度按最冷月平均水温确定,天津地区为10℃,则每天生活热水总负荷按照公式(17)计算得:

Qd=3×50×4187×(60-10) /1000=31402.5kJ

生活热水逐时热负荷和流量按照公式(18)~ (19)计算得(未标明时刻,逐时热负荷均为0):

(2)采暖负荷计算

采暖负荷按照建筑热负荷指标进行计算,天津地区节能住宅建筑单位面积热负荷指标为35~55W/m2,本建筑中选用35W/m2,供回水温差设计值取10℃,按照公式(20)~(21)计算得采暖负荷为3.5kW,采暖水流量为0.085kg/s。


4.1.2 设备初定

天津位于太阳能资源分区的第三区即太阳能资源较丰富区,因此系统可以采用太阳能集热器,且在气候分区中,天津属于寒冷地区,冬季的极其寒冷时期,空气源热泵COP可能会相对较低,但是对于整年来说,空气源热泵还是可以采用的。

4.1.3 约束条件

(1)太阳能集热器面积

太阳能集热器面积根据公式(26)及太阳能板规格可知,Amin为2m2,采暖负荷和生活热水负荷之和的最大值为5.681kW,天津地区太阳能保证率取0.3,当地集热器安装倾斜面上的平均日太阳能辐照量为15804kJ/m2,平均日集热效率为50%,管道及贮水箱热损失率为5%,按照公式(27)计算得Amax为20.4m2

(2)空气源热泵制热量范围:热水器制热量按公式(28)可知,Qhmin为3.5kW,Qhmax为5.7kW。

(3)燃气采暖热水炉

燃气采暖热水炉容量取值应能同时满足生活热水和采暖最大用热需求,考虑到设备情况可知,燃气采暖热水炉最小容量为18kW,能满足本系统使用要求。

(4)储水箱

根据上述储水箱选择约束条件及设备情况,水箱容积应大于100L,水箱能承受最大值Txmax设为100℃。

4.1.4 匹配过程

将上述设备容量进行组合后代入前文建立的数学模型中,根据图3的模拟计算流程图计算,即根据运行控制策略确定各供热单元启停情况,进而计算系统运行费用和初投资,最终选择出计算费用最小的组合即为该系统的最优组合。

4.2 匹配设计结果及讨论

4.2.1 三种供热单元互补供热

由上述约束条件可知,燃气采暖热水炉型号确定采用18kW,下面就太阳能面积不变时和发生变化时对系统的空气源热泵和水箱的容量进行优化选择。

(1)太阳能面积不变时

当太阳能面积为2m2,水箱容积为200L时(经计算当水箱为100L时,计算得水箱水温会大于100℃,因此不能采用),系统年运行的燃气耗量、运行费用和计算费用随热泵制热量的增加的变化趋势如图4所示,由图4可知,系统耗气量随着热泵制热量的增加而显著减少,系统运行费同样在缓慢减少,但因为初投资的增加导致系统计算费用先减小后增加,当制热量为4kW时,系统年计算费用最低。


当太阳能面积为2m2,热泵制热量为3.5kW时,系统年运行的燃气耗量、运行费用和计算费用随水箱容积的变化趋势如图5所示,由图5可知,系统耗气量随着水箱容积的增加而减少,系统运行费同样在缓慢减少,但因为初投资的增加导致系统计算费用显著增加,因此水箱容积越小计算费用越小。

(2)太阳能集热器面积变化时

按照上述太阳能面积不变的计算方法,得到太阳能集热器面积一定时系统的最小计算费用,则系统年运行的燃气耗量、运行费用和计算费用随太阳能面积的增加的变化趋势如图6所示(经计算当太阳能面积为4m2时,水箱小于300L时,水箱水温会大于100℃,不能采用;当太阳能面积为6m2时,水箱小于400L时,水箱水温会大于100℃,不能采用;当太阳能面积为8m2时,水箱小于500L时,水箱水温会大于100℃,不能采用;当太阳能面积为10m2时,水箱小于600L时,水箱水温会大于100℃,不能采用)。


由图6可知,系统耗气量随着太阳能集热器面积的增加而减少,系统运行费同样在减少,但因为初投资的增加导致系统计算费用先减少后增加,因此当太阳能集热器面积为4m2时,此系统的年计算费用最低。

综上采用三热源组合系统时,太阳能集热器面积为4m2,空气源热泵制热量为4kW,燃气采暖热水炉为18kW,水箱容积为300L时,计算费用最低为4075元。

4.2.2 供热单元两两组合

太阳能和空气源热泵因受天气影响,两者均无法保证在极端天气下满足用户用热需求,因此不建议两者组合供热。下面就燃气采暖热水炉与太阳能集热器和空气源热泵组合系统进行优化选型。

(1)太阳能集热器和燃气采暖热水炉组合系统

将太阳能集热器和燃气采暖热水炉进行组合为生活和采暖提供热量,根据4.2.1节方法,将不同容量太阳能集热器带入数学模型(由上述分析可知,水箱容积越小系统计算费用越小,因此水箱容积在可选范围内选最小值,并且考虑到水箱放在室内,容积越大占地面积越大,因此限定水箱容积最大选用600L),计算结果如表2所示:


由表2可知,当太阳能集热器面积为10m2,水箱容积为600L时,系统的计算费用最低为4822元。

(2)空气源热泵和燃气采暖热水炉组合系统

将空气源热泵和燃气采暖热水炉进行组合为生活和采暖提供热量,根据上述约束条件,将满足需求的热泵型号分别带入数学模型,计算结果如表3所示:


由表3可知,当空气源热泵制热量为4kW,水箱容积为200L时,系统的计算费用最低为4063元。

4.2.3 仅采用单个供热单元

太阳能集热器和空气源热泵会因为受天气影响而导致无法满足用户用热需求,因此不能单独使用,而燃气采暖热水炉可即时出热水,可以完全满足用户用热需求,由上述约束条件可知,燃气采暖热水炉采用18kW(水箱采用200L)即可满足需求,将燃气采暖热水炉容量带入上述数学模型中,计算结果见表4:


由表4可知,当燃气采暖热水炉采用18kW,水箱容积为200L时,系统的计算费用为5455元。

4.2.4 优化结果

综上所述,本系统优化的系统配置为:采用空气源热泵与燃气采暖热水炉组合的形式,其中燃气采暖热水炉制热量为18kW,空气源热泵制热量为4kW,水箱容积为200L。此系统的年燃气耗量为158m3,年运行费用为2186元,系统的计算费用为4063元。


5 结论

本文提出了一种多热源互补的供热系统,并对系统优化设计方法和经济性评价方法进行了研究。首先通过对系统各部分建立数学模型,得出系统关键设备水箱的数学模型,本文以初投资和运行费用为目标函数,采用计算费用法和枚举法对系统进行容量匹配优化设计,将初选得出的设备容量进行组合代入上述数学模型,模拟计算出评估期内水箱的逐时水温、系统的初投资和运行费用,最终选出计算费用最低的组合。以天津某建筑为例进行系统优化设计,得出以空气源热泵和燃气采暖热水炉组合的供热采暖系统形式其年计算费用最低,并得到各供热单元的设备容量,由此可知利用这种方法可以唯一确定出以最低成本满足用户用热需求的优化的系统配置,为燃气具企业和用能单位提供优化匹配技术和方案,及经济性评价方法。(参考文献略)


主编点评:

本文针对基于太阳能集热器、燃气采暖热水炉、空气源热泵为供热单元的多能互补独立供热系统组合型式进行研究,提出了该组合系统的优化设计和经济性评价的技术方法,并确定了系统(拟)运行地区的初始条件,对各组合系统单元建立数学模型,提出了以初投资和运行费用最低为目标函数的优化计算和经济性评价方法。其采用枚举法将不同容量的设备组合代入模型进行计算,最终确定出以最低成本满足用户用热需求的优化系统配置,为燃气具企业和用能单位提供优化匹配技术和方案及经济性评价方法。以天津为例得出结论即采用空气源热泵和燃气采暖热水炉组合的供热采暖系统为最优。本文数据详实,结构清晰,是一篇难得的好文章!

 
 


  
 
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