太阳能-空气源双能源复合供暖在严寒地区农村住宅中的应用研究

杜永恒，张亚南，杨 蕾，朱俊超

(河南省建筑科学研究院有限公司，郑州 450000)

0 引言

2020年9月22日，第75届联合国大会一般性辩论举行，在会议上，习近平主席明确表示，中国将努力采取更有效的措施，提高中国对气候变化的自主贡献，争取在2030年达到二氧化碳排放峰值(即碳达峰)，并在2060年实现碳中和[1](下文简称为“‘30•60’双碳目标”)。在国家“30•60”双碳目标下，清洁供暖的适用范围更加广泛，且实施需要本着“安全、高效、清洁、低碳、经济、智能”的原则。

1)安全：主要是指供暖过程中无事故发生，清洁供暖的第一要求永远是安全。

2)高效：是指最大限度地利用热源或保证低碳加热过程的节能。

3)清洁：是要求供暖对环境产生的不利影响最小化。

4)低碳：是要求供暖的碳排放应尽可能少。

5)经济：是要求以居民可承受的供暖成本保证其温暖过冬。

6)智能：是指热源的选择应当因地制宜，应本着“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热，宜柴则柴”的原则进行选择[2]，实现供暖过程的能源互补、品位对口、梯级利用、管理智能化。

总体而言，清洁供暖需要以技术可行、能耗低、环境友好无污染、经济合理的方式进行供暖设计。

目前，村镇的农村住宅清洁供暖仍是亟待解决的问题，需要充分考虑农村住宅自身供暖需求及特点，选取合适的分布式供暖方式。基于运行成本及便捷性等方面考虑，空气源热泵热风机在中国北方地区冬季供暖中的应用越来越广泛，成为北方地区农村清洁取暖改造的首选产品，但空气源热泵热风机仍面临在室外低温环境下供暖性能衰减、室内冬季取暖效果变差等问题。结合农村住宅本身楼间距较大且具有独立院子等优势，部分学者提出将太阳能与空气源热泵热风机相结合来提升低温情况下空气源热泵热风机的供暖性能。White等[3]对空气源热泵-太阳能集热器复合供暖系统进行了研究，研究结果显示：与传统供暖方式相比，该复合供暖系统不仅减少了供暖费用，还使室内温度始终保持在一个相对稳定舒适的水平。测试期间恰逢英国处于暖冬，该空气源热泵-太阳能集热器复合供暖系统的能效比(COP)为3.99，证明该复合供暖系统在英国用户家中使用具有积极效果。周光辉等[4]设计了以非同态双热源复合换热器为核心技术部件的太阳能辅助空气源复合热泵，并对该装置的性能进行了研究。研究结果表明：在冬季低温时，该复合热泵的供热性能明显优于单一空气源热泵的供热性能，在GB/T 7725—2004《房间空气调节器》规定的环境温度为-7℃的超低温工况下，该复合热泵的制热量较单一空气源热泵的制热量提高了24%，制热COP提高了25%以上。

为实现太阳能-空气源复合供暖，达到严寒地区高效供暖的目的，本文提出一种太阳能-空气源双能源复合高效集成装置，对该集成装置的技术原理和控制策略进行介绍，并以严寒地区的哈尔滨为例，对该集成装置的供暖效果进行模拟应用分析。该集成装置主要为可再生能源在农村住宅中的使用，可克服可再生能源各自的缺点，增加可再生能源利用的可靠性，实现农村住宅的清洁取暖，改善农村住宅的人居环境，同时可为未来可再生能源在村镇农村住宅的应用发展提供技术支持。

1 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的技术原理

本文提出的太阳能-空气源双能源复合高效集成装置是一种结合太阳能与低温空气源的双能源复合高效多功能集成装置，该集成装置由带蓄能芯的热风型太阳能集热器(直接式)、低温空气源热泵热风机(分为室内机和室外机)、风机组成。在冬季时，该集成装置既可以通过热风型太阳能集热器直接给用户端的室内供暖，又可以将太阳能集热器作为低温空气源热泵热风机的辅助热源，从而提高低温空气源热泵热风机在冬季供暖的能效，实现能源的互补，满足用户冬季的供暖需求，给用户的日常生活带来了极大便利。该集成装置采用热风型太阳能集热器，该集热器带有蓄能芯，可以解决热水型太阳能集热器冬季储存和防冻的问题，并能延长太阳能集热器模块供暖时长。太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的技术原理示意图如图1所示。

图1 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的技术原理示意图Fig. 1 Schematic diagram of technical principles of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

2 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的控制策略

本文设计的太阳能-空气源双能源复合高效集成装置共有3种工作模式，具体为：

1)工作模式1：热风型太阳能集热器单独运行，即太阳能集热器模块直供模式；

2)工作模式2：低温空气源热泵热风机单独运行；

3)工作模式3：热风型太阳能集热器与低温空气源热泵热风机联合运行。

为了更好地发挥太阳能-空气源双能源复合高效集成装置在农村住宅供暖中的应用优势，综合考虑提高设备运行性能后，提出该集成装置的控制策略，具体如图2所示。当室内温度低于14 ℃[5]时，启动太阳能集热器模块的风机，热风型太阳能集热器的出风温度大于等于35 ℃时[6]，该集成装置采用工作模式1运行；热风型太阳能集热器的出风温度小于35 ℃且其与室外环境温度相差小于5 ℃时，该集成装置采用工作模式2运行；热风型太阳能集热器的出风温度小于35 ℃且其与室外环境温度相差大于等于5 ℃时，该集成装置采用工作模式3运行。

图2 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的控制策略Fig. 2 Control strategy of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

3 模拟应用分析

为验证太阳能-空气源双能源复合高效集成装置在严寒地区农村住宅供暖中的应用效果，本文以哈尔滨地区为例，选取由单明团队提出的典型农村住宅模型[7]作为应用对象，对该集成装置的应用效果进行模拟分析，并主要对比分析分别采用该集成装置供暖与低温空气源热泵热风机供暖的效果。

该典型农村住宅模型共有3间房，职能房间包括客厅、卧室(考虑厨房一般不需要取暖，因此该模型忽略了厨房)，整个模型为坐北朝南，房间供暖总面积为79.2 m2，高度为3.3 m，屋顶为坡屋顶。该典型农村住宅模型的平面图如图3所示。严寒地区农村住宅围护结构的构造及参数如表1所示。

表1 严寒地区农村住宅围护结构的构造及参数Table 1 Construction and parameters of enclosure structure for rural residential buildings in severe cold regions

图3 某典型农村住宅模型的平面图Fig. 3 Plan view of a typical rural residential building model

3.1 负荷模拟分析

结合农村住宅冬季供暖室内热舒适性的需求，充分考虑哈尔滨地区的气象条件，利用TRNSYS软件建立该典型农村住宅的热负荷仿真模型，如图4所示。

图4 典型农村住宅的热负荷仿真模型Fig. 4 Simulation model of heat load of typical rural residential buildings

哈尔滨地区供暖季的时间为10月20日～次年4月20日，共计183天。利用该模型对典型农村住宅的冬季供暖热负荷进行模拟分析，得到其冬季供暖逐时热负荷模拟结果，如图5所示。

图5 典型农村住宅冬季供暖逐时热负荷模拟结果Fig. 5 Simulation results of hourly heat load for typical rural residential buildings heating in winter

从图5可以看出：整个供暖季，该典型农村住宅的逐时热负荷先升高后降低，供暖逐时热负荷峰值出现在12月，最大值为10.98 kW，根据完整数据表可知该值对应时间为12月28日的06:00。而供暖初期和末期由于室外环境温度较高，因此这两个阶段的室内供暖需求明显降低。整个供暖季该典型农村住宅的平均热负荷为5.85 kW。

根据模拟结果进行分析，初步选定在供暖季每天11:00～17:00仅采用集成装置的太阳能集热器模块直供模式。根据典型农村住宅供暖季这一时段内的逐时热负荷得到其负荷指标，如表2所示。

表2 供暖季典型农村住宅的负荷指标Table 2 Load indicators of typical rural residential buildings during the heating season

3.2 选型设计

3.2.1 太阳能集热器选型

根据模拟得到的供暖季11:00～17:00时段典型农村住宅的平均热负荷进行太阳能集热器选型。

直接式太阳能集热器面积Ac的计算式[8]为：

式中：QH为供暖季时建筑物的热负荷(即设计负荷)，W；Jτ为当地太阳能集热器采光面上的日平均太阳辐照量，J/(m2•d)；f为太阳能负荷率，%；ηcd为热风型太阳能集热器的平均集热效率，%；ηL为管路的热损失率，%，一般为20%～30%，本文取20%。

根据上文进行太阳能集热器选型，太阳能集热器安装倾角应选择有利于供暖的角度，即安装倾角需比当地纬度大10°。太阳能集热器参数如表3所示。

表3 太阳能集热器参数Table 3 Parameters of solar collector

根据GB 50495—2019《太阳能供热采暖工程技术标准》中表5.2.4的要求，太阳能集热器单位面积设计流量为36 m3/h，根据此数据进行太阳能集热器的风机配置，风机风量为936 m3/h，功率为0.2 kW。

3.2.2 低温空气源热泵热风机选型

根据供暖季典型农村住宅最大逐时热负荷进行低温空气源热泵热风机的选型。低温空气源热泵热风机在实际工况下的制热量Q的计算式为：

式中：q为低温空气源热泵热风机在标准工况下的制热量，kW；K1为干球温度修正系数，本文研究严寒地区，取0.8；K2为低温空气源热泵热风机融霜修正系数，本文取0.9[9]。

基于干球温度修正系数及低温空气源热泵热风机融霜修正系数修正后的设备选型如表4所示。

表4 低温空气源热泵热风机选型Table 4 Selection of air heater for low-temperature air source heat pump

3.2.3 空气源热泵与太阳能集热器连接装置

空气源热泵与太阳能集热器连接装置主要用于热风型太阳能集热器与低温空气源热泵热风机联合运行的工作模式，即热风型太阳能集热器将符合逻辑控制的温度送入空气源热泵与太阳能集热器连接装置后，连接装置可将热风均匀的送至低温空气源热泵热风机的回风面，提高低温空气源热泵热风机的回风温度，从而提高其供暖效果。根据低温空气源热泵热风机室外机的实际尺寸定制空气源热泵与太阳能集热器连接装置，如图6所示。

图6 空气源热泵与太阳能集热器连接装置Fig. 6 Connection device of air source heat pump and solar collector

3.3 计算模型

根据太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的技术原理及控制策略搭建该集成装置的供暖仿真模型，充分考虑计算准确性及计算时效性，仿真逻辑判别时间设定为0.125 h，该集成装置的供暖仿真模型如图7所示，低温空气源热泵热风机的供暖仿真模型如图8所示。

图7 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的供暖仿真模型Fig. 7 Heating simulation model of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

图8 低温空气源热泵热风机的供暖仿真模型Fig. 8 Heating simulation model of air heater for low-temperature air source heat pump

3.4 模拟结果及分析

供暖季中太阳能-空气源双能源复合高效集成装置逐月输入室内的热量如图9所示。

图9 供暖季中太阳能-空气源双能源复合高效集成装置逐月输入室内的热量Fig. 9 Monthly input of room heat of solar-air dual energy composite and efficient integrated device during heating season

从图9可以看出：供暖季中，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置逐月输入室内的热量存在差异，其中1月输入室内的热量最多，主要原因在于1月是哈尔滨地区最冷的月份，室内外温差大，农村住宅供暖的热负荷增大，导致该集成装置的供热量增大；10月及4月输入室内的热量较少，主要是因为这两个月份的室外环境温度较高且当月的供暖时间较短。

对供暖季分别采用太阳能-空气源双能源复合高效集成装置和低温空气源热泵热风机单独供暖的情况进行对比分析，不同供暖方式的逐月能耗如图10所示。

图10 供暖季不同供暖方式的逐月能耗Fig. 10 Monthly energy consumption of different heating methods during heating season

从图10可以看出：整个供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的能耗低于低温空气源热泵热风机单独供暖的能耗，这主要是因为该集成装置中太阳能集热器直供模式的耗电设备主要为风机，耗电量较小。能耗整体分布趋势与输入室内的热量分布趋势一致，两种供暖方式的最高能耗都出现在1月，且随着室外环境温度提高，两种供暖方式的能耗差值越大，这是由于室外环境温度高时，太阳能集热器接收的太阳辐射量较高，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置采用太阳能集热器直供模式的工作时间变长，从而减少了该集成装置的能耗。

供暖季不同供暖方式的逐月制热COP如图11所示。

图11 供暖季不同供暖方式的逐月制热COPFig. 11 Monthly heating COP of different heating methods during heating season

从图11可以看出：太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的制热COP明显高于低温空气源热泵热风机的制热COP，这是因为该集成装置中的太阳能集热器直供模式输入热量的占比较大且能耗较低。低温空气源热泵热风机的制热COP波动较小，整体趋势为先减小后升高，主要是受室外环境温度的影响。该集成装置的制热COP整体趋势为先减小后增大，其中4月时最高，达到13.95，主要是因为4月太阳能集热器直供模式输入热量的占比较大，受太阳能资源情况的影响较大。

太阳能-空气源双能源复合高效集成装置各供暖模块的逐月制热量和逐月能耗分别如图12、图13所示。

图12 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置各供暖模块的逐月制热量Fig. 12 Monthly heating capacity of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

图13 太阳能-空气源双能源复合高效集成装置各供暖模块的逐月能耗Fig. 13 Monthly energy consumption of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

从图12可以看出：太阳能-空气源双能源复合高效集成装置供暖过程中，低温空气源热泵热风机模块输入室内热量的占比较大，太阳能集热器模块输入室内热量的占比较小，这主要是因为采用太阳能集热器直供模式时，热风型太阳能集热器的工作时间受日出日落时间限制，且出风温度要达到大于等于35 ℃才能送入室内。4月时太阳能集热器模块输入室内热量的占比明显提升，主要是受太阳辐射量的影响。太阳能集热器模块输入室内热量占整个集成装置输入室内热量的比例随室外环境温度的降低而越低。

从图13可以看出：太阳能-空气源双能源复合高效集成装置供暖过程中，低温空气源热泵热风机模块的能耗占比大，太阳能集热器模块的能耗占比小，这是因为太阳能集热器直供模式仅有风机运行，能耗较小。各供暖模块的逐月能耗变化趋势与逐月输入室内的热量变化一致，而10月及4月由于室外环境温度较高，导致该集成装置的整体耗能较少。

整个供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置不同工作模式的工作时间及其占比如图14所示。

图14 整个供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置不同工作模式的工作时间及其占比Fig. 14 Working time and proportion of different operating modes of solar-air dual energy composite and efficient integrated device throughout the heating season

从图14可以看出：整个供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置采用太阳能集热器直供模式(工作模式1)的时间占22.36%，太阳能集热器与低温空气源热泵热风机联合运行模式(工作模式3)的时间占8.35%，其余69.29%的时间都为低温空气源热泵热风机单独运行(工作模式2)。工作模式1的日平均工作时间为5.37 h，工作模式3的日平均工作时间为2.00 h，工作模式2的日平均工作时间为16.63 h。

供暖季典型农村住宅采用不同供暖方式时的供暖参数如表5所示。

表5 供暖季典型农村住宅采用不同供暖方式时的供暖参数Table 5 Heating parameters of typical rural residential buildings using different heating methods during heating season

从表5可知：整个供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的系统总能耗比低温空气源热泵热风机单独供暖的系统总能耗降低了2034.8 kWh。

对太阳能-空气源双能源复合高效集成装置供暖方式进行能效提升分析，能效提升率η的计算式为：

式中：R0为低温空气源热泵热风机的制热COP；R1为太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的制热COP。

将表5的值带入式(3)，计算得到η=35.06%，即在哈尔滨地区农村住宅供暖季，太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的制热COP比低温空气源热泵热风机单独供暖的制热COP提升了35.06%。

4 结论

本文主要针对太阳能-空气源双能源复合供暖的应用进行了研究，提出了一种太阳能-空气源双能源复合高效集成装置，以哈尔滨地区的农村住宅为例，对其在供暖季的应用进行了分析，并利用TRNSYS软件对该集成装置供暖和低温空气源热泵热风机单独供暖进行了对比分析，得到的主要结论如下：

1)提出太阳能-空气源双能源复合高效集成装置的技术原理和控制策略，实现了太阳能与空气源两种能源更为合理的供暖时段匹配。其中，太阳能集热器直供模式的日平均工作时间为5.37 h，太阳能集热器与低温空气源热泵热风机联合运行模式的日平均工作时间为2.00 h，低温空气源热泵热风机单独供暖模式的日平均工作时间为16.63 h。

2)整个供暖季，该集成装置的系统总能耗比低温空气源热泵热风机的系统总能耗降低了2034.8 kWh。

3)该集成装置的制热COP比低温空气源热泵热风机的制热COP提升了35.06%。