冷热暖三联供太阳能热泵系统冬季工况下的节能减排分析

贾少刚 王丽萍 魏翠琴 问朋朋 高志宏



冷热暖三联供太阳能热泵系统冬季工况下的节能减排分析

贾少刚 王丽萍 魏翠琴 问朋朋 高志宏

（湖州职业技术学院 湖州 313000）

开发利用新能源和高效节能技术是解决能源与环境问题的重要途径，设计了双热源冷热暖三联供太阳能热泵系统，分析了其运行模式，并以一个100m2的房屋为研究对象，计算其在冬季工况下应用太阳能热泵供暖供水的节能减排性能，结果表明其节能与环保效果很好，可以为太阳能热泵的实际应用提供理论依据。

太阳能；热泵；运行模式；节能减排

0 引言

能源与环境是当今突出的两大问题，目前我国建筑能耗（采暖、制冷及热水等）约占全社会总能耗的30%[1]，随着社会发展这一比例会继续上升。建筑能耗直接或间接地消耗了大量一次能源并污染了环境，因此通过新能源和节能技术的开发利用来降低建筑能耗越来越受到重视，作为清洁能源的太阳能和高效节能的热泵技术得到了极大的关注和应用[2,3]。太阳能光热利用和热泵型空调已在我国得到广泛应用，但两者之间的有机结合应用还比较少，两者的结合应用可以克服太阳能受天气条件影响的缺点，同时提高了系统性能与稳定性，大大拓宽了应用范围，可应用于建筑物制冷供暖与生活热水供应、农业温室供热、农产品干燥等领域。目前国内学者对太阳能热泵技术展开了积极研 究[4-9]，因此将太阳能热泵技术应用于建筑物的制冷、供暖和热水的同时供给（冷热暖三联供），在有效降低建筑能耗的同时还可积极促进能源消费的转型升级与节能环保技术的应用推广，对社会的可持续发展具有重要意义。

1 冷热暖三联供太阳能热泵系统设计

为满足建筑物的冬季供暖、夏季制冷和全年生活热水所需，设计了如图1所示的冷热暖三联供太阳能热泵系统，该系统由太阳能集热器、热泵机组、蓄热水箱（以下简称水箱）、太阳能循环泵等部件组成。太阳能加热蓄热水箱中的水可获得热水，其采用闭式循环方式运行——集热介质在集热器内部管路、水箱中的盘管换热器及连接管路中循环流动，在集热器中吸收阳光辐射能并通过盘管换热器加热水箱中的水，其不与水箱中的水直接接触，因此集热介质可以采用特殊流体（如乙二醇、丙二醇、丙三醇等水溶液）起到防冻、防腐蚀和防结垢的目的，既延长了设备寿命也减少了维护工作量。

图1 三联供太阳能热泵系统结构示意图

热泵装置中设置了三个换热器，一个室内换热器，一个放置在水箱中的水源换热器以及一个室外空气源换热器。热泵在工作过程中通过四通换向阀的切换，室内换热器既可以实现制冷效果也实现制热效果；通过电磁阀1和电磁阀2的开启与关闭实现对水源换热器投入运行或者退出运行，当水源换热器投入运行时可实现水箱中的水与热泵的热交换，热泵既可以加热水箱中的水，也可以从水箱中的水吸取热量，从而实现不同应用目的。

2 三联供太阳能热泵系统运行模式分析

结合不同季节建筑物的能耗需求和三联供太阳能热泵系统的结构，其运行模式分析如下：

（1）太阳能单独运行模式。无论任何季节，只要在阳光辐照度较好的情况下太阳能均可运行来加热水箱中的水，获得的热水既可用于日常生活所需，也可以在冬季作为热泵水源换热器的低温热源。太阳能为清洁可再生能源，对其有效利用可以有效节约其他能源。

（2）夏季热泵制冷模式。此时室内换热器为蒸发器起到制冷作用，室外换热器和水源换热器为冷凝器起到散热作用。当日间阳光辐照度较强时，太阳能加热水箱中的水，热泵水源换热器不投入运行，热泵仅起到制冷作用；当阴雨天、夜间或者日间阳光辐照度较弱时可以投入水源换热器运行加热水箱中的水用以生活所需，此时热泵的运行过程既实现了房间内制冷效果，也制取了热水，即热泵工作过程中的冷量和热量同时得到利用，热泵COP大大提高，当水箱水温达到设定值后水源换热器退出运行，仅保留室外换热器运行，相较热泵单独制冷或者使用电热水器或燃气热水器获得热水其节能效果十分显著。

（3）冬季热泵制热模式。此时室内换热器为冷凝器起到制热作用，室外换热器和水源换热器为蒸发器起到吸热作用。因冬季环境温度较低，可以投入水源换热器运行，太阳能热泵系统以串联方式运行时，此时太阳能制取的低温热水为水源蒸发器的热源，一方面可以提高太阳能集热器的效率[10]，另一方面因蒸发温度的提高，热泵的COP也有效提高[11-13]，系统的COP也提高了，这意味着系统运行过程中的能耗减少了；当日间无阳光或者阳光辐照度较弱时启动电辅助加热来加热水箱中的水，以改善热泵的运行工况。

太阳能热泵系统在不同季节条件下可选择不同的运行方式，既可以尽量多的利用太阳能，也提高了系统的能效比，获得比较好的节能收益，使系统运行实现全年节能运行，系统的运行模式与效益分析见表1。

表1 太阳能热泵系统运行模式与效益分析

续表1 太阳能热泵系统运行模式与效益分析

3 建筑物冬季耗热量计算

本文以仅由一个房间构成的平房为研究对象，其四周墙体由标准红砖垒砌的24墙，因此墙体厚度为240mm。假定此房屋建筑面积为100m2，房间内部的尺寸为：长20m，宽5m，高3m，房顶为钢筋混凝土浇筑，厚度为200mm，经计算房屋四周墙体的外表面积约为156m2，屋顶面积为112.3m2。

冬季供暖时室内设计温度为20℃，环境温度低于8℃即进行供暖，生活热水供应为每日240L[14]。房屋的耗热量主要包括两个部分：围护结构耗热量与新水加热耗热量。表2为湖州地区月均气温，是设计过程重要的参考数据，由表2可知在12月至来年2月份需要进行供暖。

表2 湖州地区月均气温

3.1 围护结构耗热量计算

房屋四面墙体与屋顶为不同材料，故不同材料部分的耗热量应该分开来计算。围护结构的热负荷Q采用平壁稳态导热公式（1）[15]计算即可，传热系数参考相关规范由式（2）进行计算即可，在此计算过程中假定门窗的散热和墙体的散热相同。表3为1月份的房屋围护结构热负荷计算结果，表4为围护结构的耗热量计算结果，可知1月份的热负荷最高，达到了8793W，围护结构的供暖季总耗热量Q为62310MJ。

式（1）中，为围护结构温差修正系数，此处取值为1；为围护结构面积，m2；T为室内温度，取20℃；T为室外温度，取月均温度，℃；为围护结构的传热系数，W/(m2·℃)。

式（2）中，1为围护结构外表面对流换热系数，23W/(m2·℃)[16,17]；为维护结构的厚度，m；2为围护结构内表面对流换热系数，8.15W/(m2·℃)[16,17]；为维护结构材料的导热系数，红砖的值为0.49W/(m·℃)，混凝土的值为1.28W/(m·℃)。

表3 1月份围护结构热负荷

表4 围护结构的耗热量

3.2 生活用水耗热量计算

每天生活用水需求量为240L，则在一定初始水温情况下将新水加热至50℃所需要的热量Q由式（3）计算，新水初温取供暖季3个月期间的环境温度的平均值即可[18]。由表5可知供暖季生活用水耗热量为：3654MJ，则供暖季期间房屋所需的总热量Q为Q与Q之和，其值为65964MJ，标煤的热值q=29.27MJ/kg，供暖季总耗热量约合2254kg标煤完全燃烧释放的热量。

表5 生活用水耗热量

式（3）中，0为水的密度，998.2kg/m3；C0为水的定压比热容，4.18×103J/(kg·℃)；0为新水的体积，m3；T为新水终温，50℃；T为新水初温，℃。

4 应用太阳能热泵系统的节能减排分析

4.1 节能性能分析

采用太阳能热泵系统对房屋进行供暖的一些已知和假设条件：

（1）热泵的制热系数ε取值为2.5（已将太阳能循环泵消耗电能考虑进去）[19]。

（2）超临界机组的火力发电厂发电效率η=45%[20]。

（3）标煤的热值q=29.27MJ/kg。

（4）家用小锅炉的燃烧效率η=60%[21]。

（5）太阳能的保证率η为40%，其余60%热能由热泵提供。

太阳能热泵系统运行时仅热泵压缩机消耗电能，其余能量来自太阳能和空气能，因此采用太阳能热泵系统供暖供水的一次能源年节能量由式（4）计算，年节约标煤量由式（5）计算，计算结果见表6，可知对于此房屋来说，采用太阳能热泵系统进行供暖供水与采用小燃煤锅炉相比，供暖季的节能率η可达80%，可节约标煤约2556kg，节能效果十分显著。

表6 供暖季节能率与节煤量

4.2 减排性能分析

减排评价指标主要是考虑 CO2、SOX、NOX、粉尘等污染物的排放削减量，相关污染物排放定额指标见表7[22,23]，以此房屋供暖季节能按52771MJ计算，则供暖季应用太阳能热泵系统的污染物减排量见表8，可知供暖季内可减少CO2排放量约为60吨，SOX年可减排426kg，NOX年可减排22.5kg，粉尘年可减排32.9kg，减排效果很好。

表7 我国污染物排放指标

表8 供暖季污染物减排量

5 结语

当前严峻的环保形势促使建筑物供能尽量利用清洁可再生能源和高效节能技术，双热源冷热暖三联供太阳能热泵系统的运行方式灵活，一年四季不同条件下运行均有较好的节能效果。在冬季工况下针对一个100m2的普通房屋进行供暖供水，应用太阳能热泵系统相比传统燃煤的节能减排效果相当显著，这对于缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义，可以创造更大的环保效益。目前因受制于初投资较大，太阳能热泵装置实际应用较少，但随着技术的进一步发展成熟，在大型宾馆、酒店等行业有可能率先实现较大规模的三联供太阳能热泵系统的实际应用，其未来的市场应用前景良好。

[1] 彭金梅,罗会龙,崔国民,等.热泵技术应用现状及发展动向[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2012,37(5): 54-59.

[2] 王伟,南晓红.热泵辅助型太阳能热水装置应用低碳性分析[J].制冷与空调,2012,26(4):349-352.

[3] 刘鹏,关欣,穆志君,等.太阳能热泵技术在国内的研究与发展[J].化工进展,2009,28(增刊):328-333.

[4] 王伟,王建颖.银川地区热泵辅助太阳能热水系统设计探讨[J].制冷与空调,2015,29(2):169-173.

[5] 周光辉,刘寅,张岑,等.太阳能辅助空气源复合热泵冬季供热特性实验研究[J].太阳能学报,2011,32(11): 1662-1664.

[6] 申振宇,宣永梅.太阳能-空气源热泵采暖热水系统能耗分析[J].制冷与空调,2016,30(5):544-548.

[7] 陈冰,罗小林,毕方琳,等.温室太阳能与空气源热泵联合加温系统的试验[J].中国农业科技导报,2011,13(1): 55-59.

[8] 康靖,王劲柏.并联冷却的太阳能复合式空调节能特性[J].制冷与空调,2015,29(4):440-445.

[9] 魏翠琴,王丽萍,贾少刚,等.太阳能热泵应用现状与性能分析[J].制冷与空调,2017,37(2):159-163.

[10] 高志宏,贾少刚,魏翠琴,等.平板型太阳能热水装置性能实验研究[J].太阳能,2015,(11):59-62.

[11] 魏翠琴,高志宏,贾少刚,等.太阳能热泵热水装置性能实验研究[J].机械设计与制造,2016,(7):265-268.

[12] 孙冰冰,张晨阳,毛力,等.太阳能热泵系统的试验研究与分析[J].水电能源科学,2012,30(4):198-201.

[13] 陈阳,张晨阳,张哲,等.太阳能热泵系统性能的试验研究[J].流体机械,2011,39(11):77-80.

[14] 于国清,张晓莉,孟凡兵.单户住宅太阳能热泵供热的技术与经济分析水[J].建筑节能,2007,35(1):55-57.

[15] 杨世铭,陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[16] GB50019-2003,采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2004.

[17] JB/T 10297-20014,温室加热系统设计规范[S].北京:中国标准出版社,2014.

[18] 张淑英,刘建华,杨政忠.天津市太阳能热水系统设计参数的取值建议[J].中国给水排水,2012,28(24):60-63.

[19] 王凤印,周一凡,王翠萍,等.青岛热泵辅助太阳能供热系统的性能分析[J].煤气与热力,2010,30(10):17-20.

[20] 杨义波,张燕侠,杨作梁,等.热力发电厂(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2010.

[21] 邝平健,刘喜斌.燃煤热风炉解决北方温室供暖问题的研究[J].农机化研究,2007,(3):221-222.

[22] 尹军,陈雷,白莉.城市污水再生及热能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2010.

[23] 周志平,李念平.污水源热泵系统应用的节能减排分析[J].建筑节能,2012,40(6):46-49.

Energy Saving and Emissions Reduction Analysis on Solar-assisted Heat Pump for Supplying Combined Cooling Heating and Hot water in Winter Conditions

Jia Shaogang Wang Liping Wei Cuiqin Wen Pengpeng Gao Zhihong

( Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

The utilization of new energy resources and excellent energy saving technology is the significant way to solve the problem of energy and the environment, a solar-assisted heat pump (SAHP) with dual heat source is designed for supplying combined cooling heating and hot water throughout the year, meanwhile its running modes are analyzed. A housing with 100m2is the research object, its heating and hot water are supplied by SAHP in winter conditions, which energy saving and emissions reduction are analyzed, finally results show that the energy saving and environmental protection effect is very good, this paper can provide theoretical basis for SAHP′s practical application.

Solar energy; heat pump; running mode; energy saving and emissions reduction

TK512

A

1671-6612（2018）02-196-05

浙江省教育厅科研项目资助（Y201636425）

贾少刚（1984-），男，硕士，讲师，E-mail：jsg.lq@163.com

2017-09-25