香格里拉太阳能热泵联合供暖系统热泵功率与供暖面积的匹配研究

徐罗楠， 罗熙， 李明

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

香格里拉位于中国云南省迪庆藏族自治州，平均海拔3 459 m，年太阳辐射量超过5 000 MJ/m2，年平均气温为5.5 ℃，昼夜温差较大[1-2]，冬季日照与非日照时间室外平均温差为9～15 ℃[3]，全年日平均气温低于5 ℃天数为189～208 d(供暖期)，当地以烧柴供暖为主要供暖方式，不利于节能环保.真空管式太阳能热水系统[4]具备热转化效率高、成本较低的特点，广泛用于民用住宅供热水和供暖[5]，但此类供暖系统供暖效果受太阳辐照度影响较大，通常需配备燃煤锅炉、电加热或空气源热泵等辅助热源[6-8].在香格里拉，使用单一集热器系统长期供暖需配备较大面积的集热器，占地面积过大；使用单一空气源热泵系统长期供暖则能耗较高，不利于节能环保，太阳能热泵联合供暖系统可以较好地避免使用单一热源产生的问题.

许多研究[9-12]分别使用实验或模拟的方法对太阳能热泵供暖系统的供暖特性进行分析，具有较好的参考价值，为给香格里拉地区太阳能热泵联合供暖系统的设计和建设提供参考，本文利用TRNSYS和TRNBuild软件构建香格里拉居民住房太阳能热泵联合供暖系统，得出热泵功率与供暖面积的匹配关系.

1 系统概述

利用TRNSYS和TRNBuild建立太阳能热泵联合供暖系统(如图1)，系统分三个循环：集热器循环在日照时间下依靠热虹吸与水泵进行循环制热，将热水储存在水箱；空气源热泵循环根据水箱温度的变化加热，当水箱温度低于45 ℃时，热泵开启制热；室内供暖循环由水箱通过增压水泵将热水输送给用户.

图1 香格里拉居民住房太阳能热泵联合供暖系统图

2 供暖匹配关系分析

模拟系统中集热器和空气源热泵设计标准分别按照《民用建筑太阳能热水系统评价标准GB/T 20604-2010》和《商业或工业用及类似用途的热泵热水机GB/T 21362-2008》设计.为满足用户的热水和供暖需求，设计的系统制热功率应与供暖热负荷相等，即有：

Pc+Pa=Qr+Qw

(1)

式中，Pc为集热器制热功率，单位为W；Pa为空气源热泵制热功率，单位为W；Qr为房间热负荷，单位为W；Qw是供应热水的热量与平均日照时长(s)的比值，单位为W.

为方便计算，每户人数设定为3人，根据《民用建筑太阳能热水系统评价标准GB/T 20604-2010》，集热器供应热水量应至少满足供暖月日均热水需求，即Pc=Qw.由表1可知1月份的日平均太阳辐射量最低，因此以满足1月份日均热水需求进行模拟，根据表2得出所需集热器制热功率为1 047.6 W，模拟过程中集热器的平均热转换效率为68%，计算得出所需的集热器有效集热面积为3.27 m2.

表1 香格里拉供暖月气象数据与热水需求

表21月份太阳辐照度与热水需求量

Table2SolarradiationandhotwaterdemandinJanuary

月份1月平均瞬时太阳辐照度/W∙m-2471.6平均日照时长/h8.4日均供应热水所需热量/MJ31.68

供应热水所需集热器的有效集热面积已计算得出，因此当热泵制热功率等于房间热负荷，即Pa=Qr时可满足房间供暖.由表1可知，香格里拉全年供暖月中1月份平均气温最低，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736-2012》，以满足1月份的室内供暖温度18 ℃为标准来计算.房间热负荷以香格里拉典型居民住房为计算对象，围护结构耗热量、传热系数和冷风侵入耗热量等参数参照GB 50736-2012标准.

香格里拉当地居民住房的面积普遍为40～180 m2，对该供暖面积范围在平均气温最低供暖月(1月份)的日平均房间热负荷进行计算，并得到关系曲线(如图2)，对曲线进行线性拟合后的方程为：

y=67.09x+1 239.52

(2)

图2 供暖面积与房间热负荷的关系

Fig.2Therelationshipbetweenheatingareaandroomheatload

由(2)式可得供暖面积40～180 m2所需的空气源热泵制热功率范围为4 076～13 364 W.对不同额定功率(1 P=735 W)的热泵在环境温度为-1.5 ℃的条件下进行模拟，计算得出各个额定功率热泵的制热功率(如图3).其中2 P热泵的制热功率为3 072.3 W，低于所需功率最小值，因此额定功率≤2 P的热泵不宜采用；6 P热泵的制热功率为13 494.6 W，略高于所需功率最大值，因此额定功率>6 P的热泵也不宜采用.3、4、5 P和6 P热泵的制热功率满足供暖面积范围在40～180 m2的供暖需求，不同范围的供暖面积对应的热泵功率如表3所示.

图3不同额定功率热泵在环境温度为-1.5℃的制热功率

Fig.3Theheatingpowerofdifferentratedpowersairsourceheatpumpsatambienttemperatureof-1.5℃

表3不同额定功率的热泵对应的供暖面积范围

Table3Heatingareacoveredbyairsourceheatpumpsofdifferentpowers

热泵功率/P对应供暖面积范围/m2340～68468～1025102～1406140～180

3 结 论

本文以香格里拉居民住房太阳能热泵联合供暖系统为研究对象，利用 TRNSYS与TRNBuild对系统在平均气温最低的供暖月(1月份)进行模拟，研究了空气源热泵与供暖面积为40～180 m2的房间热负荷的匹配关系，得出的如下结果：

(1)根据系统制热功率与供暖热负荷关系等式，以满足平均太阳辐射量最低的1月份日均热水需求标准，计算得出满足1月份热水需求所需的集热器制热功率为1 047.6 W，有效集热面积为3.27 m2；

(2)模拟得出香格里拉居民住房供暖面积在40～180 m2范围内的房间热负荷与供暖面积的关系曲线，线性拟合方程为：y=67.09x+1 239.52，以此确定不同供暖面积对应的房间热负荷；供暖面积在40～180 m2时所需的热泵制热功率范围为4 076～13 364 W，额定功率为3、4、5 P和6 P的空气源热泵分别适用于40～68、68～102、102～140 m2和140～180 m2的供暖面积，该匹配关系可为香格里拉地区太阳能热泵联合供暖系统设计提供参考.