豫西农村地区太阳能—空气源热泵地板供暖系统的设计与能耗分析

◎孙朝阳

（三门峡职业技术学院 建筑节能研究所，河南 三门峡 472000）

随着“煤改电”工程的实施，国家也开始积极推进农村的散煤治理工作，随之带来的农村地区的供暖问题已成为关注的焦点。加大太阳能、空气能等可再生能源利用，取代传统采暖方式，已成为解决该问题的有效手段。太阳能作为所有可再生资源中最丰富的一种，清洁、绿色、无污染，是中低温能源利用的最理想热源，而且太阳能光热利用技术日渐成熟，已广泛应用于农村地区的热水系统。空气源热泵作为近年来大力推广的成熟技术，它主要是通过系统中压缩机的作用将自然界中的低温热源转化为高温热源，在工作过程中消耗一定的电能，相对而言转化效率较高[1]。国内部分学者对采用太阳能―空气源热泵这种新型的复合供暖技术进行了广泛研究。曾玲等[2]利用模拟仿真软件针对郑州地区采用上述复合供暖技术进行了设计和相关计算。黄紫祺等[3]通过搭建实验平台研究了上述复合系统运行存在的问题并提出改进措施。王琛等[4]通过建立相关热力学模型对上述复合系统进行经济效益分析和技术改进。申振宇等[5]使用国际先进的模拟软件对上述系统进行了运行分析，探讨西安地区该复合供暖技术应用的可行性。杨子旭等[6]研究了以地板供暖为末端的空气源热泵产品标准制定。笔者针对豫西三门峡农村地区设计了符合区域特点的太阳能―空气源复合供暖系统，以太阳能利用为主，空气源为辅，实现可再生能源互补利用，具有节能环保和热舒适性的特点。

1 太阳能―空气源热泵地板供暖系统工作原理

系统如图1所示，主要由太阳能热利用系统、空气源热泵系统、热水地板辐射系统和控制系统组成。该套系统可根据天气和日照情况，通过控制系统实现三种模式的运转。如果日照充沛足以提供室内所需的热水，太阳能热水系统可实现独立运行；如果日照不充沛，仅能满足部分时段供暖需求，控制系统会启动空气源热泵来辅助加热，这时会呈现联合供暖模式；只有当阴雨、雪天时，空气源热泵才会独立运行提供室内供暖所需热水。但不论何种模式运行，都能满足用户的基本需求。

图1 太阳能-空气源热泵地板供暖系统

2 太阳能―空气源热泵地板供暖系统的设计计算

2.1 设计参数的确定

冬季室内温度的设定以及供、回水温度的确定与建筑物所处区域及该区域太阳能资源、末端散热方式有着密切联系。假定太阳能-空气源热泵地板供暖系统要满足100m2的单层民用建筑供暖需求，综合以上因素和三门峡农村民居特点，参照《河南省居住建筑节能设计标准》，我们设定冬季室内设计温度为18℃。按照《地面辐射供暖技术规程》要求，设定地板辐射系统的供水温度为45℃，回水温度为35℃。

2.2 建筑物采暖负荷确定

采暖负荷与建筑物的围护结构密切相关，从节能角度分析，围护结构的各项保温措施应符合国家节能设计标准。按照河南省《民用建筑节能设计标准》，对于100m2单层民用住宅，在充分考虑各种因素的基础上，我们取耗热量指标为20W/m2,根据上述建筑面积，计算可知该项目的采暖热负荷为2000W。

2.3 太阳能集热器面积的确定

为便于控制，减少热量的损失，本系统中的太阳能集热器采用直接系统的形式。参照《太阳能供热采暖工程技术规范》，集热器面积计算如下：

式中：Ac为集热器面积，m2；

Q为总负荷，W；取2000；

T为单一依靠太阳能采暖时间，s；这里取86400；

f为太阳能保证率，取0.4；

JT为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/（m2·D）；

ηcd为集热器集热效率，依据平板集热器参数取0.9；

式中：QK为空气源热泵的制热量，KW；

c为水的比热容，4.2×103kJ/(kg·K）；

m为日用水量，1000kg；

提高实习生病历书写水平，科教科组织成立了实习生病历书写培训小组，按照1∶10比例，即一名教师带教10名同学，每月对学生进行病历书写的培训，同时，针对培训教师和实习同学提出的关于病历培训方面存在的问题，邀请病案室负责人进行答疑，针对存在的问题进行专项整改与训练，提高了培训效果。出院（“1+1”）考试：对将毕业的新疆医科大学实习生进行出院理论知识、大病历及各项技能操作的考试。

tend为出水温度，设为45℃；

t0为自来水进水温度，设为5℃；

k为安全系数，取1.1；

t为空气源热泵平均每天运行时间，取8h。

通过计算可知，Qk=7.2KW。

根据以上设计计算，考虑农户对初投资的接受能力，选用某公司HLRfd8WAPd/NaA型号的热泵机组，制热量为8.5KW，制热消耗功率为2.75KW，制热COP可达4.4，适应温度为-25～28℃，出水温度30～55℃，外形尺寸 1100×390×1200mm。

ηL为整个系统的热损失率，取0.2。

依据上面计算公式得到该系统集热器面积为8.58m2。

2.4 蓄热水箱体积的确定

2.5 空气源热泵的选型

太阳能集热系统受天气因素的影响非常大，在冬季不利气候条件下难以保证室内的供暖效果，因此为了保证室内温度能够满足设计需求，增加空气源热泵作为辅助热源和太阳能系统联合提供设计所需的热水。空气源热泵制热量的计算公式如下：

3 太阳能―空气源热泵地板供暖系统的节能性分析

3.1 系统模型的建立

上文的设计计算已为太阳能-空气源热泵地板供暖系统的模拟提供了理论基础，比较现有的模拟软件，从先进性考虑最终采用Polysun软件来进行系统模拟。针对该项目，我们仅对太阳能光热、热泵两个模块进行动态计算。调取软件系统内三门峡地区相关的气象数据，进行模拟计算，并将计算结果进行分析处理。

3.2 系统能量需求分析

本项目系统全年能量需求概况如表1所示，系统总能量消耗为8762.5KW·h，系统消耗的全部电量为2485.6KW·h，由此可知该项目中太阳能-空气源热泵地板供暖系统全年的性能系数（系统总能量消耗与耗电量之比）为3.53，能满足供热需求，设计能达到要求。

3.3 系统能量分布分析

表1 系统概况（年总量）

图2为空气源热泵年耗电量分布概况，图3为系统集热器年供给能量分布概况。由以下图可知：每年的11月15日至第二年3月15日为供暖季，但受太阳能辐射量不足，雨雪天气影响，集热器无法获得供暖所需的能量，空气源热泵需经常性开启，耗电量较大。其余时间为非供暖季，地板辐射系统不需要供热，本系统仅需提供生活热水，且由于太阳辐射充足，大多数时间集热器获得能量就可满足需求，仅出现阴雨天气时，空气源热泵系统才启动，因此非供暖季热泵耗电量不大。

图2 空气源热泵年耗电量分布概况

图3 集热器年获得能量分布图

3.4 系统的节能性评价

本系统中太阳能正常工作时不耗用电能，只有当空气源热泵启动时才会消耗一部分电能，但少量电能的消耗却能转换更多的热能。通过Polysun软件可以模拟计算太阳能和热泵节能量以及减少二氧化碳排放量的总和，结果如表2所示。

通过对上述仿真结果进行分析可知，使用上述系统对三门峡农村地区民用建筑进行供暖，可有效减少二氧化碳排放。由上表计算得出系统总节电量为8391.9KW·h，如果电价按0.56元/度，则可节省费用4699元。

3.5 系统的经济性分析

本项目中太阳能-空气源热泵的建设成本如表3所示，整套系统成本为20780元，使用寿命假定为20年，系统维护保养的费用约占成本的1%，则在限定的使用期内整套系统的节能费用为：

SAV=20×（4699-20780×1%）―20780=69044（元）

表2 系统节能概况

表3 太阳能-空气源热泵地板供暖系统建设成本

4 结论

（1）笔者以满足豫西农村建筑供暖需求为出发点，以三门峡为例，设计了一套太阳能―空气源热泵地板供暖系统，基于该地区的设计参数确定了建筑物采暖负荷、太阳能集热器面积、空气源热泵的选型、蓄热水箱的体积等，为该系统的推广应用提供了理论依据。

（2）通过Polysun软件进行模拟计算，在假定的20年使用期内，整套系统的节能费用为69044元，表明系统的节能性符合相关要求，但从投资角度来分析，要从政府补助、系统优化等多方面入手解决初投资费用较高的问题。

（3）利用太阳能-空气源热泵地板供暖系统来解决农村地区的供暖问题，不仅效果好，而且还能有效解决环境污染、能源短缺等问题，具有很好的发展和推广前景。