两种太阳能采暖系统在住宅建筑上的测试分析

安爱明

中国城市建设研究院有限公司

0 引言

由于太阳能是间断、不稳定的，受到昼夜、季节、气象条件等因素的影响，其在实际应用中受到诸多限制。而热泵是一种通过消耗少量电能，便可从低位热源吸热，制取高位热能的技术，将其与太阳能相结合为建筑提供采暖热水，使两者取长补短[1]，既可以利用免费的太阳能，又可以实现连续供热满足建筑舒适度要求。

根据太阳能集热器中传热介质的不同，太阳能热泵采暖系统可分为直接膨胀式和间接膨胀式系统。在直膨胀式系统中，蒸发器和集热器合二为一，制冷剂直接在太阳能集热器中接受太阳辐射吸热而蒸发，制冷剂经过压缩机被压缩成为高温高压的蒸汽，最后在冷凝器中放热，原理如图1[2]。

图1 直接膨胀式太阳能热泵采暖系统

在间接膨胀式系统中，太阳能集热器与热泵蒸发器相互独立。该系统通常由太阳能集热器、热泵和储水箱等组成，以水或防冻液作为太阳能集热器的传热介质，如图2 所示[2]。

图2 间接膨胀式太阳能热泵采暖系统

为了比较不同太阳能采暖系统的实际效果，本文同时考虑了太阳能+燃气热水器系统模式，太阳能+燃气热水器系统由太阳能集热器、燃气热水器、蓄热水箱、水泵及相应的控制设备组成。采用燃气热水器作为太阳能的辅助热源，以本案例为例，介绍其运行控制模式：供暖时检测供暖管道回水温度T3 和蓄热水箱温度T1，如果T3-T1≥5 ℃时，换热切换电动阀关闭，换热循环水泵P1 启动，对供暖回水进行加热，加热以后进入末端供暖设备（常为低温辐射地板采暖系统）。若集热水箱中的水温T1 比设定温度低5 ℃时，开启燃气热水器对蓄热水箱中的水进行加热，加热至设定温度时停止。系统原理图见图3 所示。

图3 太阳能+燃气热水器采暖系统

本文的两个工程案例分别采用了太阳能+热泵及太阳能+燃气热水器系统，通过测试分析两者的实际运行性能，对指导太阳能采暖系统在住宅建筑中的设计及应用很有参考价值。

1 工程案例介绍

案例1：位于唐山市路南区，是一个别墅区。每户别墅地上三层，地下一层，建筑面积约320 m2，每户安装了10 组平板式太阳能集热器，别墅地下室机房内设置一台小型空气源热泵机组，组成一个太阳能+热泵供暖系统，作为市政采暖的辅助热源。平板式太阳能集热器安装于别墅屋面，朝向为正南，集热器倾角为45°。平板式太阳能集热器的尺寸为：长2000 mm，宽1000 mm，热泵热水机组的制热量为5.0 kW，功率为1.5 kW，同时配置200 升的储热水箱，用户侧循环泵和集热侧循环泵，热水提供给低温热水地板辐射采暖末端系统。

本方案属于间接膨胀式太阳能+热泵采暖系统，该系统运行控制原理如下：集热管吸收太阳能后，把太阳能转化为热能，把储热水箱中的水加热。当储热水箱的水温高于35 ℃时，利于储热水箱直接供暖，当储热水箱温度低于供暖回水设定温度35 ℃时，热泵机组开启，蒸发器从储热水箱中吸收热量，通过冷凝器释放热量，加热采暖用热水。当储热水箱的水温低于5 ℃时，热泵机组停止运行，系统切换到市政热源为建筑供暖。太阳能+热泵采暖系统的原理如图4 所示。全年提供生活热水，并用于建筑冬季的辅助采暖。

图4 太阳能+热泵机组采暖系统

案例2：位于唐山市路南区，为新农村建设示范村项目，全部为二层楼房，每户建筑面积约160 m2，二层屋面均安装6 个真空管太阳能集热器，每个集热器自带储热水箱（容积280 升），每个集热器的真空管数量为30 根，每根为φ58mm，长1.8 m，轮廓采光面积为2.871 m2，辅助热源燃气热水器的容积为12 升。全年提供生活热水，并用于冬季采暖。

下文中太阳能光热系统性能测试方法、测试仪器，测试数据的处理均参照《可再生能源建筑应用工程评价标准》GB/T50801-2013 的相关规定进行。

2 性能测试分析

针对两个项目在采暖期的时间运行性能进行了测试，测试了全天的太阳辐射量、太阳能系统供回水温度、水流量、室内外温度等数据，进而计算得到系统的集热器得热量、集热效率、太阳能保证率等系统的性能参数，测试数据及计算分析详见下文所述。

2.1 案例1 太阳能+热泵系统性能测试分析

选取69-3 住户，在2 月23 日对太阳能+热泵采暖系统的运行情况进行了测试，采暖系统供、回水及热泵机组供回水温度变化趋势见图5，其它测试及计算结果见表1。在9:00-16:00 测试期间，未切换到市政热源供暖。

表1 系统性能测试结果

图5 采暖热水供、回水及室内外温度变化趋势

从图5 和表1 可知：在测试期间，太阳能集热器供回水温度均呈先缓慢上升、后下降的趋势。热泵机组运行温度，供水温度先上升，后趋于稳定。热泵机组平均供水温度为36.7 ℃，回水温度为34.9 ℃，水温可以满足地板采暖系统的水温要求。室外平均温度为3.6 ℃，室内平均温度为22.7 ℃，室内舒适度较好。

采用太阳能总辐射表及数据采集仪，对当日太阳辐照度进行了测试，依据《可再生能源建筑应用工程评价标准》[3]，对太阳能集热系统效率、太阳能保证率等进行了计算，结果见表2。从表2 可知：本项目平均集热效率为33.27%，太阳能保证率为15.66%，对于住宅冬季采暖，由于太阳能的间歇性，太阳能采暖只能作为辅助手段。供暖还是以常规供暖方式为主，太阳能采暖为辅。根据住户问卷调研，在初冬和初春的晴朗天气，太阳能+热泵采暖系统基本可以满足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

表2 系统性能指标计算结果

2.2 案例2 太阳能+燃气热水器系统性能测试分析

选取一住户，在2 月25 日对太阳能+燃气热水器采暖系统的运行情况进行了测试，太阳能采暖系统供、回水及室内、外温度变化趋势见图6，其它测试及计算结果见表3。9:00-16:20 测试期间，辅助热源燃气热水器未开启。

从图6 和表3 可知：在测试期间，采暖系统供回水温度均呈先缓慢上升、后下降的趋势，在15:00 达到最高，随后下降。平均供水温度为36.6 ℃，回水温度为31.1 ℃，水温可以满足地板采暖系统的水温要求。室内温度有所波动，平均值在21.2 ℃，在室外平均为5.2 ℃时，可以满足室内采暖要求。

图6 采暖热水供、回水及室内外温度变化趋势

表3 系统性能测试结果

采用太阳能总辐射表及数据采集仪，对当日的太阳辐照度进行了测试，依据《可再生能源建筑应用工程评价标准》，对太阳能集热系统效率、太阳能保证率等进行了计算，结果见表4。从表4 可知：本项目平均集热效率为30.3%，太阳能保证率为17.99%，对于住宅冬季采暖，由于太阳能的间歇性，太阳能采暖只能作为辅助手段。供暖还是以常规供暖方式为主，太阳能采暖为辅。根据住户问卷调研，在初冬和初春的晴朗天气，太阳能采暖系统基本可以满足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

表4 性能指标计算结果

3 结论

1）监测期间，案例1 和案例2 的太阳能采暖系统供热效果良好，系统运行稳定，在初冬和初春的晴朗天气，可再生能源系统可以满足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

2）由于太阳能的间歇性，案例1 的太阳能+热泵系统保证率为15.66%，案例2 的太阳能保证率为17.99%，均比较低，只能作为常规采暖系统辅助手段。

3）本文只针对太阳能采暖系统进行了性能测试和评估，未考虑全年生活热水带来的收益。如果考虑全年提供生活热水的收益，此系统的经济性和实用性都会提高不少。