基于太阳能补偿的空气源热泵系统性能分析

孟 欣，冯 荣

(陕西理工大学陕西省工业自动化重点实验室，汉中 723001)

0 引言

随着经济的发展，人们生活水平的提升，冬季供暖的能源消耗及环境污染问题已越来越受到关注。我国目前仍沿用秦岭淮河一线作为集中供暖区与非集中供暖区的划分，但处于长江沿线的广大区域因冬季空气湿冷，其要求供暖的呼声越来越高。虽然该区域中的部分小区已实现小区化集中供暖，但更多住宅采用的是自供暖的方式，如采用燃气壁挂炉、空气源热泵等。传统空气源热泵存在能耗高的缺点，但若将免费的太阳能与传统空气源热泵相结合为住宅供暖及提供生活热水，既能扩大清洁的可再生能源的应用范围，还可以降低由供暖带来的污染。目前国内外学者也对太阳能辅助空气源热泵供暖系统的工作性能[1-3]、能效及经济评价[4-9]、部件匹配[10-12]等方面进行了大量的分析研究。

陕西省汉中市地处秦岭以南，属于政策上的非集中供暖区域，但汉中市冬季气候湿冷，平均温度较低，因此大部分居民采用燃气壁挂炉或空气源热泵进行冬季供暖。本文以汉中地区的住宅为例，分别采用传统空气源热泵系统和基于太阳能补偿的空气源热泵系统为用户冬季供暖及提供全年生活热水，并使用POLYSUN软件分别对2种系统方案的全年运行工况进行模拟和对比分析。

1 2种系统方案设计

方案Ⅰ采用传统空气源热泵系统，其系统原理示意图如图1所示。该系统主要由空气源热泵、蓄热水箱、生活热水端及供热末端组成。

图1 传统空气源热泵系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of traditional air source heat pump system

方案Ⅱ为基于太阳能补偿的空气源热泵系统，其系统原理示意图如图2所示。该系统是在传统空气源热泵的基础上添加1套太阳能集热器，为供暖及生活热水提供额外补偿。在方案Ⅱ的设计中，基于安全优先的考虑，太阳能集热系统及生活热水系统均采用间接换热方式，其中，太阳能集热循环内的导热流体为丙烯混合溶液。

图2 基于太阳能补偿的空气源热泵系统原理示意图Fig.2 Schematic diagram of air source heat pump system with solar compensation

1.1 设计基础

1.1.1 建筑概况

以陕西省汉中市 (107.03°E，33.13°N)为例，该市的海拔为579 m，属于我国太阳能资源Ⅲ类地区[13]。现以一栋可容4人居住、面积为149.8 m2的2层建筑为例，末端采用地辐热供热形式，设计供暖供水温度为40 ℃，供暖回流温度为35 ℃，每天的供暖负荷为60 W/m2，冬季房间晚上温度为19 ℃；生活热水供水温度为50 ℃。

1.1.2 建筑热负荷计算

建筑热负荷主要由生活热水负荷和建筑供暖负荷2部分组成。

1)生活热水负荷。1天的生活热水负荷Qd可由式(1)计算：

式中，c为50 ℃水的比热容，kJ/(kg·℃)，取4.178；q为热水用水定额，L/(人·天)，根据《建筑给排水设计规范》[14]规定，50 ℃水温时每天人均生活热水定额在49～98 L/(人·天)，此处取70；ρ为50 ℃时水的密度，kg/m3，此处取988.1；tr为生活热水的热水温度，℃，此处取50；tl为生活热水的冷水温度，℃，此处取5；m为用水人数，此处取4。

经计算，1天的生活热水负荷Qd=0.61 kW。

2)建筑供暖负荷。根据供暖设计指标，建筑每天单位面积供暖负荷为60 W，建筑面积为149.8 m2，因此1天的建筑供暖负荷Q建筑为8.988 kW。

3)1天的建筑热负荷QH为9.598 kW。

1.2 设备选型

作为案例的建筑物是以地辐热供暖方式为基础，在确定建筑热负荷的前提下，对方案Ⅰ和方案Ⅱ进行设备选型。

1.2.1空气源热泵选型

考虑到太阳能集热系统受天气及环境因素的影响，存在无热量补偿的极端情况，因此，2种方案中的空气源热泵均选用某公司10 kW带内置泵的空气源热泵，该空气源热泵额定制热量为10 kW，输入功率为3.3 kW，流量为1.3 L/h。

1.2.2太阳能集热器的选择

考虑到汉中地区近年来出现过-10 ℃的极端天气，因此，方案Ⅱ中的太阳能集热系统采用间接方式利用板式换热器向系统供热(下文简称“间接系统”)；太阳能集热循环系统中的导热流体选取丙烯浓度为33.3%的混合溶液。该系统集热器的面积AIN可由式(2)计算得到：

式中，Ahx为间接系统的板式换热器换热面积，m2；UL为集热器总热损系数，W/(m2·℃ )；Uhx为间接系统板式换热器的热损失系数，W/( m2·℃)；AC为太阳能集热系统直接向系统供热时集热器的总面积，m2。

其中，AC可由式(3)求得：

式中，JT为当地集热器采光面上的日均太阳辐射量，J/m2，此处取 7.3×106；ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率，此处取80%；ηL为管路及储热装置热损失率，此处取20%；f为太阳能保证率，Ⅲ类太阳能资源区一般选0.4～0.5，此处选取0.4。

由上述公式计算可知，当用户供暖及生活热水所需热量全部由太阳能供给时，AC为71 m2。由于方案Ⅱ采用间接式太阳能集热系统，其所需太阳能集热器面积AIN将超过71 m2。考虑到非供暖季，太阳能集热系统仅为用户提供生活热水热量，面积过大容易造成资源浪费，会加大系统的总投资；同时，方案Ⅰ和方案Ⅱ均配有可满足建筑物热水需求和供暖需求的空气源热泵，因此，方案Ⅱ在选择太阳能集热器面积时，以房屋楼顶面积为主要参考对象。最终选取了某公司品牌集热器7块，单块的长、宽分别为2 m、1 m，总面积为14 m2，单位面积流量为15 L/(h·m2)，安装倾角为45°。

1.2.3 蓄热水箱的选择

作为2种系统方案中的必备设施，蓄热水箱既能起到热水储存的作用，也可以用作系统缓冲。2种方案均选择了容量为600 L、高度为1.7 m的带电加热水箱的蓄热水箱，采用硬聚氨酯泡沫作为保温层。

2 2种系统方案的建模与分析

2.1 2种系统方案的建模

本文采用瑞士国际太阳能测试中心研发的太阳能系统模拟软件POLYSUN，根据设计参数，分别对2种系统方案进行建模。图3为传统空气源热泵系统，图4为基于太阳能补偿的空气源热泵系统。

图3 传统空气源热泵系统Fig.3 Traditional air source heat pump system

2.2 模拟结果分析

选用软件库中汉中地区的气象数据，利用POLYSUN软件对2种系统方案的全年运行情况进行模拟，并对模拟结果进行对比分析。

2.2.1 能耗对比分析

1)系统年能耗对比分析。根据系统设计，为满足用户供暖需求及全年的热水供给，方案Ⅰ的输入能源全部是电能。方案Ⅱ的输入能源由太阳能集热器的热能及电能构成，其中，太阳能的热能在夏季可作为热水系统的主要能量来源，冬季根据环境情况分别为供暖和生活热水提供辅助能源。采用POLYSUN软件对2种系统方案的全年运行情况进行模拟，结果如表1所示。

由表1可知，方案Ⅱ全年总能耗略高于方案Ⅰ，这主要是因为太阳能集热循环回路及板式换热器与储热水箱回路间因增加水泵而造成电能能耗增大。但综合全年的运行情况来看，在1个自然年内，方案Ⅱ比方案Ⅰ总耗电量减少了1138.3 kWh。而方案Ⅱ在增加太阳能集热系统后所产出热量为5299 kWh，并未被全部消耗，出现了非供暖季能量过剩的现象，这也造成了太阳能能量的浪费。

图4 基于太阳能补偿的空气源热泵系统Fig.4 Air source heat pump system with solar compensation

表1 方案I和方案II的年能耗模拟Talbe 1 Annual energy consumption simulation for scheme I and scheme II

2)系统能量分布分析。在方案Ⅱ的模拟过程中，根据汉中地区的天气环境参数，分别对全年各时间段太阳能集热器出口温度、太阳能年地面辐射总量、太阳能循环回路流量进行模拟，如图5所示。同时，模拟得出太阳能集热器全年的能量供给，如图6所示。

图7为方案Ⅱ与方案I的全年耗电量对比图，图8为方案Ⅱ相较于方案Ⅰ，各月的节能率分析。

图5 2015年1月1日～12月30日太阳能集热系统模拟值Fig.5 Simulation annual parameter values of solar heat collection system from 2015-01-01 to 2015-12-30

图6 太阳能集热器全年能量供给Fig.6 Solar collectors provide year-round energy

图7 方案II与方案I的全年耗电量对比Fig.7 Comparison of annual power consumption between plan II and plan I

图8 方案II相较于方案I，各月的节能率情况Fig.8 Analysis of monthly energy savings of plan II over plan I

与方案Ⅰ相比，方案Ⅱ可实现年节约电能1138.3 kWh，年均节能率达49.4%。每年的4～10月为非供暖季，此时方案Ⅱ中的空气源热泵只需在太阳能集热器无法维持生活热水供应的情况下才启动，因此系统具有较低的电能能耗；而在该时段内，电能仍然是方案Ⅰ供应生活热水的唯一能源，这也是造成在非供暖季2种系统方案耗电量差异巨大的原因。通过对模拟数据分析发现，在非供暖季，相较于方案Ⅰ，方案Ⅱ的节能率平均值超过了90%。

2.2.2 经济性分析

2种系统方案的设计使用寿命均为20年。通过对比发现，在系统寿命期内，方案Ⅱ比方案Ⅰ节约电能22766 kWh；参照2019年汉中市城镇居民用电电价0.49元/kWh计算，方案Ⅱ合计节约运行费用11155.34元，节约率达16.4%。若采用集中供暖模式，供暖期按4个月计算，按照陕西省集中供暖月收费标准5.8元/m2计算，20年需缴纳供暖费共计69507.2元。若采用方案Ⅱ自供暖则系统在寿命期内共节省采暖费用58100.98元。

3 结论

本文基于安全使用的原则，设计了基于太阳能补偿的空气源热泵系统，采用丙烯混合溶液作为间接式太阳能集热系统导热流体，以板式换热器为供暖热水提供能量补偿，并采用POLYSUN软件对该系统方案和传统空气源热泵系统方案的全年运行工况进行了模拟和对比分析，结果发现：

1)在引入太阳能为传统空气源热泵系统提供热量补偿后，可实现年节约电能1138.3 kWh，年均节能率达到49.4%；在使用寿命期限内运行费用可减少11155.34元，具有良好的节能性和经济性。

2)太阳能循环系统在方案Ⅱ中主要用于夏季热水和冬季供暖热补偿，但由于夏季时仅需要供应生活热水，因此会出现太阳能过剩的问题，这会造成能源的浪费；另外，空气源热泵还可在夏季做制冷空调使用，增大其利用率。

3)方案Ⅱ是基于热水安全性的原则考虑，将太阳能集热循环系统与生活热水系统设计为间接式系统。若在保温工艺良好的情况下，可以选择直接式太阳能集热系统和减少板式换热器的设置，以便进一步降低系统的初投资。