利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统研究——以张家口为例

陈宁洁 刘 蒙 徐利红 师涌江,2,3,4*

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市可再生能源储热装备与利用重点实验室，河北 张家口 075000；3.张家口市可再生能源供热工程技术研究中心，河北 张家口 075000；4.河北省储能供热技术创新中心，河北 张家口市 075000)

0 引 言

利用太阳能集热器收集太阳辐射热为供暖热用户提供热量，可实现对热量的随用随取，具有绿色环保、节能高效的优点.但太阳能间歇性和不稳定性的缺点，使其在利用上受到诸多限制.空气源热泵具有使用范围广、运行成本低、节能效果突出的优点，但运行效果易受环境温、湿度影响.太阳能供热系统匹配辅助热源空气源可提高系统运行稳定性[1].将太阳能、热泵供热技术合理整合利用、联合运行，与太阳能、空气能作为唯一热源供热相比，可提高系统能源利用率，提升系统能效[2].太阳能作为绿色可再生能源，除利用太阳辐射热作为热源供热外，还可以用来发电，尤其在太阳能资源丰富地区，太阳能发电安全可靠，经济性高，是较为理想的清洁能源.利用光伏一体式发电系统为太阳能、热泵联合运行供暖系统提供电力来源，绿色环保，安全可靠[3]，是一条具有规模化应用潜力的技术路线，在太阳能资源较丰富的河北西北部、内蒙古南部、青海西部等地区具有非常重要的推广价值.

本文以提高能源利用率、提升系统能效为原则，根据张家口地区气象、供热情况，结合项目所在地现场实际条件，设计一种利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统.重点提出四种运行模式及调控策略，实现了太阳能与热泵的优势互补、协同运行，从节能经济角度，对太阳能集热器、蓄热水箱、空气源热泵进行设计.通过自动化控制实现系统高效运行，提高了系统能源利用率，提升了系统稳定性和运行能效.该系统已在河北建筑工程学院双创服务中心建立示范工程并实现成功运行，验证了利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统的可行性与稳定性，为推广太阳能-热泵联合利用供暖技术提供技术路线，对我国太阳能资源较丰富地区推广利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统的应用有一定参考意义.

1 工程概况

张家口市地处北纬40.47°，东经114.53°，属温带大陆性气候，冬季寒冷，夏季凉爽.该地区属太阳能资源2类地区，太阳能资源较丰富.供暖季气温较低，采暖期151天.供暖季日平均气温在-14℃～11℃之间，处于空气源热泵的一般结霜区.示范项目应用对象为张家口市河北建筑工程学院双创服务中心，该双创服务中心无供电系统，建筑总面积100m2，供暖面积热指标100W/m2，采暖末端装置为风机盘管.冬季供暖室外计算温度-13.6℃，冬季室外平均风速2.8m/s[4].

2 系统运行模式及调控策略

2.1 系统设计思路

张家口市属严寒地区，冬季供热需求大，太阳能资源较丰富，为太阳能采暖提供有利条件.与传统的燃煤锅炉、电锅炉供热相比，太阳能供热绿色环保、节能效果明显，但单一的太阳能供热系统，受天气、时间影响，运行不稳定.因此，联合使用节能效果突出、适用范围广的空气源热泵，可大幅提高能源利用率，同时解决空气源热泵受室外环境温度影响，运行能效降低的缺点.双创服务中心无供电系统，利用光伏一体式发电系统为太阳能、热泵联合运行供暖系统提供电力来源，绿色环保，安全可靠，节能效果明显.为此，本文提出一种利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统，该系统由太阳能集热器、蓄热水箱、空气源热泵、一体式光伏发电系统、PLC自动控制系统等设备组成.

为解决太阳能不稳定、供需不平衡的问题，太阳能集热器与蓄热水箱串联连接，通过太阳能集热器收集太阳辐射热，将热量储存在蓄热水箱，由蓄热水箱储存太阳能热量，供给用户.蓄热水箱与供暖热用户、空气源热泵并联连接，采暖期通过太阳能直供、太阳能联合热泵的方式承担供暖热负荷.太阳辐射充足时，采用太阳能直供的方式为热用户供暖，夜间或阴雨天太阳辐射不能满足供暖需求时，采用热泵机组供暖.提高太阳能供热温度，避免空气源热泵受室外温度、湿度影响，机组低温运行降低热泵cop值，甚至出现结霜损坏设备，既保证了用户供暖稳定性又实现了两种热源之间协同互补、合理利用，提高能源利用率，提升系统能效.利用张家口地区太阳能资源丰富的优点，采用30kW一体式光伏发电系统承担热泵、水泵、控制柜等用电设备的全部电力负荷，解决项目所在地无供电系统的问题，绿色环保，安全可靠.PLC自动控制系统以提高系统运行稳定性，提升系统运行能效为目标，通过时间控制、室外环境温度控制、蓄热水箱温度控制多种控制方式，对设备、阀门的启闭状态实现自动化控制，实时高效切换多种运行模式，安全可靠，稳定性高.

2.2 系统运行概况

供热系统由太阳能集热器、蓄热水箱、热泵、采暖末端装置风机盘管和控制系统组成.采暖期，通过太阳能直供、太阳能联合热泵的方式承担供暖热负荷.太阳能直供的方式是通过水泵将蓄热水箱中的高温水直接送至风机盘管进行供暖.太阳能联合热泵的方式分为两种，一种是热泵通过风冷侧蒸发器吸收空气中的热量进行供暖；一种是热泵通过水冷侧蒸发器从蓄热水箱中提取热量进行供暖.系统运行流程图如图1所示.

图1 系统运行流程图

2.3 系统运行模式

太阳能-热泵联合运行有多种模式，合理规划运行模式是提高能源利用率、提升系统能效的必要条件.当室外温度在6℃以上时，采用模式一：热泵机组风冷侧蒸发器从空气中提取热量供暖；当室外温度降到6℃以下时，根据蓄热水箱蓄热温度分三种情况：蓄热水箱内水温高于供暖温度45℃但低于60℃，采用模式二：由蓄热水箱直接供暖；蓄热水箱水温高于60℃，采用模式三：开启自动调节三通使供回水混合，调节温度至供暖温度45℃后供暖；蓄热水箱内的温度低于45℃，不能满足直接供暖的要求，采用模式四：热泵机组水冷侧蒸发器从蓄热水箱中提取热量进行供暖.

2.4 控制方案

本系统根据气象条件及设备使用性能合理调节多种热源联合使用、协同互补，提高能源利用率，提升系统能效.合理实时切换多种供暖运行模式是实现上述目的的关键，这些功能由一套安全可靠、功能齐全的PLC自动控制系统完成，设备、阀门控制的具体实施方式如下：

蓄热水箱与太阳能集热器之间自动调节阀F1、F2，变频水泵1的启闭根据时间控制，非采暖期，自动调节阀F1、F2，变频水泵1关闭；采暖期，9:00-17:00自动调节阀F1、F2，变频水泵1开启，其余时间关闭.除自动调节阀F1、F2，变频水泵1根据时间控制以外，其余变频水泵、自动调节阀调节的具体实施方式如表1所示：

表1 控制方案具体实施方式

在模式一、模式四和夏季供冷模式中，热泵机组内在使用风冷蒸发器时需打开风冷蒸发器电磁阀，关闭水冷蒸发器电磁阀；在使用水冷蒸发器时需打开水冷蒸发器电磁阀，关闭风冷蒸发器电磁阀.

2.5 系统调控策略

系统控制策略主要包括热泵机组、水泵、阀门的开启与停止，太阳能集热器的集热.从提高能源利用率、提升系统能效、保证热用户供暖稳定性等多角度分析考虑，设计调控策略.

热泵机组的控制，主要从其能效出发，当室外温度高于6℃时，空气源热泵常温制热，效率较高且不易结霜.因此，确定室外温度高于6℃，采用模式一，开启热泵机组风冷侧蒸发器供暖；确定室外温度低于6℃，采用模式四，开启热泵机组水冷侧蒸发器供暖.

为保证系统供暖稳定性和蓄热水箱的控制，主要根据其蓄热温度控制.蓄热水箱连接用户侧出水口测温点达到供暖温度45℃但低于60℃，采用模式二，蓄热水箱直接向用户供暖；高于60℃时采用模式三，开启自动调节三通使供回水混合后供暖；低于供暖温度45℃时，采用模式四，热泵机组水冷侧蒸发器从蓄热水箱中提取热量进行供暖.

运行模式之间的调控切换还以降低系统运行成本为目的.空气源热泵与水泵相比，功率大、耗能高，因此，当室外温度高于6℃且蓄热水箱供暖温度大于45℃，即空气源热泵、蓄热水箱同时满足使用要求时，优先选择蓄热水箱供暖.

为尽可能高效的收集太阳辐射能，同时避免夜间蓄热水箱内热量流失，太阳能集热器集热开关根据时间控制，太阳能集热器收集时间为每天9:00-17:00，收集的短期太阳辐射能储存于蓄热水箱中.

3 系统主要设备设计

3.1 太阳能集热器设计

太阳能集热器管型为全玻璃太阳能真空集热管，管长1.8m，单根集热管采光面积0.26m2，总采光面积为78m2，采暖期收集热量1.3×104kwh.为保证集热效率和抗风性能，太阳能集热器正南向安装，安装坡度为52°.为减少热损及循环阻力，集热管每100支串联为一组，均分成三列，三列集热管之间并联排布.为避免前后相邻集热器的阳光遮挡，前后相邻两列之间的地面投影间距大于单根集热管地面投影长度的1.25倍，取1.5m.太阳能集热器安装伴热带，避免极端天气下气温过低冻坏管道.全玻璃太阳能真空集热管管内水流循环方式为自然对流，外部联管流速取0.04m/s[5].

3.2 蓄热水箱设计

为保证系统运行的稳定性，使供暖热用户供水温度不受太阳辐射变化的直接影响；调峰填谷，将太阳辐射高峰期暂时用不掉的的热量进行短暂储备.太阳能集热器收集的热量先储存在蓄热水箱，再由蓄热水箱间接提供热量.本系统蓄热水箱匹配太阳能集热器面积，容积选为100L/m2.水箱体积10m3，长宽高分别为2.5m、2.5m、1.6m.蓄热水箱内部设置布水器，使水箱内部产生明显的温度分层，提高蓄热水箱蓄、放热效率.

3.3 空气源热泵实用性设计

热泵选择低环境温度空气源热泵机组，为避免冬季温度过低时空气源热泵低温制热，降低运行能效，同时避免热泵机组结霜损伤设备，本系统对空气源热泵进行改造设计.加装水冷蒸发器使其与风冷蒸发器并联连接，两组蒸发器共用一套热泵机组，制冷剂相同.在并联管道上安装四个电磁阀控制制冷剂流向，当室外温度高于6℃时，启动风冷侧蒸发器，热泵机组从空气中提取热量；当室外温度低于6℃时，启动水冷侧蒸发器，热泵机组从蓄热水箱中提取热量.改造后的空气源热泵机组采暖季供热运行时，常温(室外温度6℃)制热量32kW，COP值3.3，出水温度45℃；夏季供冷运行时，制冷量24.5kW，COP值2.85，出水温度7℃.在保障使用性能的同时使热泵机组高能效运行，节能经济、绿色环保[6].

4 效益分析

系统供暖时热源来自太阳能和室外空气.太阳能集热系统收集热量为蓄热水箱蓄热，通过蓄热水箱间接供给热用户，承担采暖期热用户部分热量，该过程除水泵运行消耗少部分电能外，能源主要来自于绿色经济的太阳能.空气源热泵在室外温度大于6℃时，使用风冷侧蒸发器常温制热；温度小于6℃时，使用水冷侧蒸发器制热.热泵机组COP值在3.3以上，始终在高能效区工作，此过程能源主要来自电能和空气能.系统电能消耗来源于空气源热泵机组、水泵、电动阀、控制柜等，与供热系统配套设置安装一体式光伏发电机组，为系统全年运行提供稳定电能.太阳能、空气能联合利用供热系统与传统的单一太阳能或单一空气能供热系统相比，提高了能源利用率和系统运行能效，运行费用降低，节能效果明显.30kW一体式光伏发电系统承担热泵机组、水泵、控制系统等设备的电力消耗.晴朗白天，采用边蓄边供的方式为供热系统用电设备提供稳定的电能，夜间或阴雨天，利用预先储存好的电能进行电力供应.可节省大量电费，降低运行成本，且能源质量高，具有良好的经济性与节能效果.

5 结 论

针对张家口地区气象条件、供热情况，结合双创服务中心现场实际条件，提出一种利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统.描述了该系统的设计目的及设计思路，将太阳能、热泵两种热源供热技术合理整合利用，大幅提高能源利用率，提出较为详细的系统运行模式和调控策略，设计一体式光伏发电系统承担设备运行电量，达到绿色环保、节能高效的目的.并得出如下结论：

(1)对空气源热泵机组进行改造，提高了机组制热效率与运行能效.采暖期，风冷侧蒸发器提取空气中的热量，水冷侧蒸发器提取太阳能集热器收集的储存于蓄热水箱中的热量，为采暖热用户供暖；夏季，风冷侧蒸发器提取空气中的冷量为用户供冷.实现一台机组多功能使用，保证机组低能耗、高效率运行，方便灵活、节能经济.

(2)完成了利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统设计，给出了系统多种热源匹配设计方案、提出了以提高能源利用率与系统运行效率为目的的系统运行模式启停控制策略，对太阳能-热泵储热联合利用供热系统的设计有一定参考意义.

(3)设计建造一体式光伏发电系统，为供热系统设备运行提供稳定充足的电量，安全可靠，绿色环保，节能高效.为太阳能资源丰富地区、能源短缺地区，研究和推广利用光伏运行供暖系统的应用提供一定的参考价值.

(4)通过分析系统效益，可以看出，该系统实现了太阳能-热泵两种热源的合理整合利用，提高了系统能源利用率，在供热领域与单一太阳能或空气能供热模式相比有很好的应用前景，在经济性上也有一定优势.

(5)此系统已在张家口地区河北建筑工程学院成功搭建实际示范工程并实现自动化运行，为研究利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统的应用提供了实验平台，为推广太阳能-热泵储热联合利用供暖技术提供技术路线，为追求更高能源利用率的供热系统提供参考，对我国太阳能资源较丰富的河北西北部、内蒙古南部、青海西部等地区推广利用光伏太阳能—热泵储热联合运行供暖系统的应用有重要意义.