某住宅空气源热泵与太阳能联合供暖系统分析

贺舒 李远斌

中国建筑设计院有限公司

0 引言

随着近几年全国各地雾霾现象频发， 煤改电已成为北方采暖发展趋势，关注低碳能源的开发与利用，如何有效利用更清洁的能源将是解决能源与环保难题的重要手段。常规太阳能供暖系统易受气候影响，不能全天运行。近几年流行的空气源热泵作为一种高效节能装置，将其与太阳能供暖系统有机结合起来，可弥补太阳能供热的不足。

本文针对天津地区典型住宅，综合近 50 年天津地区局地气候变化特征[1]， 提出一种太阳能与空气源热泵联合的供暖系统， 将二者有机结合起来并利用蓄热水箱的储热作用， 提出一种适用于寒冷地区供暖的系统形式—— —空气源热泵与太阳能联合供暖系统。

相比单一的冷热源系统， 空气源热泵与太阳能联合供暖系统能够实现太阳能、 空气能的优势互补。太阳能集热器对于蓄热水箱的季节性蓄热， 减小了空气源热泵机组在冬季的运行时间，节约能源。空气源热泵机组在阴天时对蓄热水箱的蓄热功能， 保障了用户一年四季的供暖需求。并且，空气源热泵能够从空气中吸取热量， 大大减少了太阳能集热器以及蓄热水箱的体积， 降低了太阳能集热器的初投资费用。太阳能集热器的使用， 增加了空气源热泵的换热效率， 解决了空气源热泵在低温环境下中容易结霜的难题[2]， 二者有机结合使得煤改电的策略得以顺利进行。

1 系统构成

如图1，为空气源热泵- 太阳能联合供暖系统示意图， 其中包括： 热泵机组， 太阳能系统以及用户侧装置。 太阳能系统连接空气源热泵机组以及用户侧装置，太阳能系统包括太阳能集热器， 蓄热水箱以及太阳能-蓄热水箱侧盘管。蓄热水箱内部有两个盘管为其进行加热， 一个为太阳能 -蓄热水箱侧盘管， 另一个为蓄热水箱-末端侧盘管。其中蓄热水箱 - 末端侧盘管为蓄热水箱与末端或者是空气源热泵与蓄热水箱换热的加热盘管。空气源热泵机组包括冷凝器， 压缩机， 电子膨胀阀， 补偿器和蒸发器。其中补偿器和蒸发器并联布置， 用户装置的末端设备为地暖系统。

图1 系统示意图

空气源热泵机组与用户装置由温控阀与室外温度进行控制， 当温控阀低于某一设置温度时， 则开启冷却空气蒸发器的空气源热泵系统。当室外温度低于某一设置温度的时候， 则自动开启冷却液体载冷剂补偿器的空气源热泵系统。

2 系统原理

此空气源热泵与太阳能供暖联合系统主要通过阀门之间的转换， 实现多种运行模式， 具有全年性、 多功能性等特点，通过对这些阀门的控制可实现5种运行模式， 共有两种供生活热水模式， 两种供热模式， 一种制冷模式。

①太阳能供生活热水模式，当太阳光照充足时，太阳能集热器将太阳能转化为热能，通过太阳能-蓄热水箱侧盘管对蓄热水箱进行储存热量并保存在水箱之中， 通过生活热水给水管供给用户生活热水。

②空气源热泵、 太阳能联合供热水模式， 当连续阴雨天气出现时， 仅依靠太阳能加热蓄热水箱无法满足用户的生活热水的需求时， 空气源热泵作为辅助热源加热蓄热水箱供给用户生活热水。此时阀门 V1、V2、 V4、 V6、 V9、 V10开启， V3、 V5关闭。

③空气源热泵供热模式， 当室内温度低于18℃并且蓄热水箱中的温度低于50 ℃，室外温度高于 -5 ℃时， 空气源热泵自动开启， 通过吸收环境空气中的低位热能， 利用量电能驱动压缩机运转进行供暖， 从而满足农宅冬季采暖的需求。 此时阀门V1、 V2、 V3、 V5开启，阀门V4、 V6、 V7、 V8、 V9、 V10关闭。

④太阳能、 热泵联合供热模式， 当室外冬季温度低于 -5 ℃时， 空气源热泵可能会出现结霜、 运行效率下降等一系列问题， 而采暖效果不佳。因此， 导入太阳能集热器采集太阳能产生的热水， 开启阀门 V1， V2， V4，V6， V9， V10， 关闭阀门 V3， V5， V7， V8， 使得空气源热泵的热源转变为蓄热水箱中的热水， 使得热泵机组可以在较高的温度下运行， 进而使制冷剂在相对较高的温度中吸热蒸发， 提高供暖效果， 保证室内温度。

⑤供冷模式， 供冷模式为空气源热泵独有， 在夏季， 空气源热泵压缩机、 冷凝器、 蒸发器、 电子膨胀阀构成空调制冷系统， 对房间进行制冷。

3 系统设计计算及能耗分析

1） 太阳能系统集热器面积计算

平板太阳能热水系统主要有两种形式[3]， 一种是直接式系统， 一种是间接式系统 （又称为二次循环系统）。本文供暖系统采用间接式系统形式 （图 2）。

图2 间接式太阳能热水系统

集热器面积按照 《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50494-2009） 3.3.3中规定进行计算。

①间接系统太阳能系统集热器面积计算公式则如下：

式中：ALN为太阳能间接系统集热器总面积，m2；UL为集热器总热损失系数， 5 W/(m2· ℃)；Uhx为换热器传热系数， 3090.2 W/(m2· ℃)；Ahx为太阳能间接系统换热器换热面积，m2。

2） 水箱体积设计计算

水箱的体积计算式为[5]：

式中：AC为集热器轮廓面积，m2；q为冬季单位面积太阳能辐照量， MJ/m2；CP为水的定压比热容，C P=4.18kJ/(kg · ℃)；ρ为水的密度，kg/m3；tend为储热水箱内上限温度， ℃；tst为储热水箱初始温度， ℃。

3） 空气源热泵机组及水路设备选型

空气源热泵机组按照室内最大热负荷进行选型，应满足太阳能集热器不工作时的住宅供暖需求。换热盘管， 循环泵的选型由太阳能集热器面积以及机组的大小计算确定 [4] 。由于模式③一般运行在供暖初期， 所以本文蓄热水箱-末端盘管按照最大热负荷的 50%来选取。

为考察空气源热泵-太阳能联合供暖系统在天津地区应用的可行性， 本文选取天津地区典型住宅作为研究对象，图 3 为天津气候情况统计数据（据1961～2010年资料统计）。由图可发知， 天津地区的平均最低气温出现在1月， 约为0 ℃左右， 其中最冷天的气温约为-15 ℃。

图3 天津地区气候情况统计图

本文中， 所研究住宅占地面积 159m2， 供暖面积100m2左右， 供暖建筑布局如图4所示。 当地供暖期为当年11月15日至次年3月15日， 共120天。

图4 住宅供暖建筑图

为了考察热泵机组及热泵辅助太阳能供暖系统的性能， 从 2015年 11月15日至2016年 3月15日对机组和整个系统进行连续测试， 共计 120 d。根据天津地区气象参数相关数据， 选取测试期间室外日平均温度为 1.0℃， 室内日平均温度为 19.6 ℃， 室内外日平均温度平均温差为18.6℃， 该空气源热泵联合太阳能供暖系统在天津冬季气候条件下能够满足房间供暖的需求。在供暖工况下，测试期间的空气源热泵机组日平均 COP 为 4.29，供暖系统日平均综合能效比为3.52， 热泵机组 COP 大于系统综合能效比， 该供暖系统有进一步优化的空间 [5] 。测试期间单位建筑面积供暖系统日平均供热量为50.77 W/m2，日平均太阳能贡献率为4.87%， 建筑物保温效果， 用户对室内温度要求的高低以及测试的具体时间都对供暖系统中的太阳能贡献率有重要影响。

图5是通过测试显示该住宅供暖时期逐时单位面积空调负荷， 由图可以看得出来， 该住宅的最大热负荷时指标为 55 W/m2，总负荷为 55 W/m2乘以供暖面积100m2， 即最大供暖负荷为5.5 kW， 出现在 1月15日，在初冬即11月15日-12 月15日， 该住宅平均供负荷为 30 W/m2， 即初冬供热平均日负荷为 3 kW， 约占最大热负荷的55%。

图5 供暖时期逐时单位面积空调负荷

系统中的主要设备型号参数及其初投资见表1。

表1 主要设备型号参数及其初投资

为了考察空气源热泵 -太阳能联合供暖系统的经济性与节能性， 以北方农宅原有普通煤炉 +太阳能热水器的方案进行比较， 该方案的初投资由土煤炉燃煤费用与太阳能热水器的费用共同组成。其中普通煤炉的费用为2700元，家用太阳能热水器的费用为 1500元， 方案二还需要立式空调在夏季时进行制冷， 此处需增加初投资约5000元， 合计 9200元。

表2比较了空气源热泵-太阳能联合供暖系统与普通煤炉 + 太阳能热水器系统的初投资及年运行费用， 其中方案一为空气源热泵-太阳能联合供暖系统，方案二为土煤炉+太阳能热水器的采暖方式。空气源热泵机组根据其出厂技术铭牌，在合理运行情况下，使用年限为15～20年， 此处选取使用年限为15年。而土煤炉根据使用经验结合北方实际使用强度， 暂定年限为10年，夏季制冷空调使用年限同空气源热泵， 为15年。设费用年限为初投资除以使用年限， 因此方案二制冷空调费用年限为3.33元/m2， 由对比结果可知，虽然方案一的初投资看起来比方案二的初投资高将近8600 元， 但从运行费用上说， 方案一的运行费用极低， 仅需要5.39 年就可以收回投资成本。因此在寒冷地区采用空气源热泵-太阳能联合供暖系统的经济性良好。

表2 经济性比较分析

由表 2 可知， 冬季采暖采用第一种方案热源耗电量3840 kWh， 折合标准煤1382.4 kg。采用第二种方案为热源消耗4168.1 kg， 折合标准煤3288.6 kg。由对比结果可知， 方案一的节能效果良好， 达到了 58%， 折合计算减少了 CO2排放量为 4.17 吨 / 年，SO2排放量为34.2 kg/年， 达到了 “煤改电” 的主要目的。

4 结语

针对寒冷地区单一能源供应不能满足同时制冷制热并供热水的特点， 基于节能减排的目的， 本文提出了空气源热泵-太阳能联合供热系统。该系统有效解决了单一太阳能供暖系统在阴天时能量不足的问题，也同时解决了空气源热泵在低温环境下运行效率低、容易结霜的缺陷， 联合系统COP较传统的空气源热泵系统高。在未来的住宅采暖系统设计中，若能将太阳能和空气能等绿色新能源有机结合， 在保证供暖要求的同时， 只使用少量的电能， 就会具有良好的经济效益和节能、 环保效益， 节能减排， 利国利民。

参考文献

[1] 高润祥.近50年天津地区局地气候变化特征分析[J].气候与环境研究,2011,(3):159-168

[2] 王林军.寒冷地区低温空气源热泵辐射供暖实验研究[J].甘肃科学学报,2016,(2):77-82

[3] 胡文举.北京地区空气源热泵供暖系统的应用研究[J].流体机械,2017,(7):58-61

[4] 王青平.农村住宅空气源热泵供暖系统应用与探讨[J].制冷与空调；2017,(3):77-80

[5] 李晓磊.太阳能-低温热回收空气源热泵联合供暖系统集热侧设计计算方法[J].暖通空调,2016,(10):99-103