王啟迪 劉劍

太陽(yáng)能-熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與模擬研究

王啟迪 劉劍

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所

本文提出了一種用于住宅采暖和提供生活熱水預(yù)熱的太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)。以上海地區(qū)一實(shí)驗(yàn)住宅為應(yīng)用對(duì)象搭建了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRNSYS軟件建立了系統(tǒng)模型，對(duì)該系統(tǒng)的地區(qū)適應(yīng)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在環(huán)境平均溫度為10.8℃的實(shí)驗(yàn)工況下，系統(tǒng)的性能參數(shù)COPS能夠達(dá)到8.8；該系統(tǒng)在北京、上海和贛州三個(gè)氣候不同的地區(qū)都能達(dá)到較高的太陽(yáng)能保證率，其中北京地區(qū)為63.3%。

太陽(yáng)能熱泵采暖

0引言

能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素,在目前的能源消耗中，建筑能耗約占社會(huì)總消耗的27.8%；并且隨著人們生活水平的日益提高，這一比例仍將持續(xù)增高[1]。在建筑冬季能耗中，80%以上的能源用于供暖和生活熱水的供應(yīng)[2]。因此，在滿足人們生活需求的情況下，研究減少建筑供暖所消耗的常規(guī)能源有著巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，太陽(yáng)能與建筑相結(jié)合已成為建筑節(jié)能的主要方向[3～5]。就太陽(yáng)能的熱利用而言，除了可以提供生活熱水還可用于采暖。而且我國(guó)有豐富的太陽(yáng)能資源，有2/3以上地區(qū)的年太陽(yáng)輻照量超過(guò)5000MJ/m2[6]，因此太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在我國(guó)將有非常好的適用性。但由于太陽(yáng)能本身具有能量密度低和波動(dòng)大的特點(diǎn)以及集熱器安裝面積的限制，現(xiàn)有的太陽(yáng)能采暖-熱水聯(lián)合系統(tǒng)大都需要配備較大的蓄熱水箱和輔助熱源，來(lái)保證熱量的穩(wěn)定供給[7]。因此，在輻照較差時(shí)需要消耗較多的電能或化石能源來(lái)維持蓄熱水箱的溫度。為此，很多學(xué)者提出了太陽(yáng)能和常規(guī)熱泵相耦合的太陽(yáng)能熱泵，其性能相對(duì)于單一的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)有很大改善[8]。

本文提出了一種太陽(yáng)能與空氣源熱泵相聯(lián)合的采暖系統(tǒng)，通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵的切換運(yùn)行來(lái)保證熱量的穩(wěn)定供給。文章搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。此外，文章建立了系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)該系統(tǒng)在不同氣候區(qū)的適用性做了模擬分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器陣列、熱泵、蓄熱水箱、工作水箱和室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管構(gòu)成。系統(tǒng)以蓄熱水箱的水溫為控制條件，運(yùn)行不同的熱源供熱模式，從而滿足室內(nèi)的采暖和生活熱水的需求：當(dāng)輻照良好，蓄熱水箱2中部的水溫大于45℃時(shí)，三通換向閥4和6聯(lián)動(dòng)切換到太陽(yáng)能集熱器側(cè)，運(yùn)行太陽(yáng)能供暖模式；當(dāng)輻照較差，預(yù)熱水箱和工作水箱的水溫都低于45℃時(shí)，三通換向閥4和6聯(lián)動(dòng)切換到熱泵側(cè)，運(yùn)行熱泵供暖模式。為避免水泵的頻繁啟停造成設(shè)備的損壞及系統(tǒng)的不穩(wěn)定：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中的循環(huán)水泵3采用溫差循環(huán)控制，即當(dāng)太陽(yáng)能集熱器的出口水溫和預(yù)熱水箱底部的溫差達(dá)到8℃以上時(shí)，循環(huán)水泵3開啟，當(dāng)兩者溫差小于4℃時(shí)，循環(huán)水泵3停止運(yùn)轉(zhuǎn)；在熱泵供暖模式下，當(dāng)工作水箱8的水溫低于45℃時(shí)，熱泵開始運(yùn)行，當(dāng)工作水箱8的水溫達(dá)到50℃時(shí)，熱泵停止運(yùn)行。室內(nèi)的采暖由工作水箱中的熱水經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)盤管散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖中9為混水閥，用于將經(jīng)過(guò)工作水箱加熱的熱水和市水相混合，以提供40℃左右的生活熱水。

圖1太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)原理圖

1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

本文所提出系統(tǒng)是搭建于上海地區(qū)的一套示范住宅。該住宅的總面積為90m2，其布局簡(jiǎn)圖如圖2所示，住宅的東立面、南立面以及北立面為外墻，西立面及地面與其他住宅區(qū)域相鄰，臥室A和臥室B的面積分別為19.2m2和16m2，衛(wèi)生間的面積為5m2，儲(chǔ)物間的面積為3m2。

圖2實(shí)驗(yàn)住宅布局圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器采用帶反射面的真空管集熱器。集熱器陣列（圖3）的總面積為40m2，安置位于實(shí)驗(yàn)住宅的屋面，南向放置，安裝傾角為30°。為了充分利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量并避免單一水箱升溫慢及熱泵運(yùn)行負(fù)荷過(guò)大等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用雙水箱，其中蓄熱水箱的容積為500L，水箱的中部和底部設(shè)有溫度傳感器，頂部設(shè)置工作壓力為7bar的安全閥以防止系統(tǒng)過(guò)熱。工作水箱為容積300L的搪瓷圓柱水箱，具有較好的保溫和分層效果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所采用的熱泵的額定制熱量是6kW，其中壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的額定輸入功率是2kW。熱泵的熱水流量設(shè)定為0.9m3/h，在這一流量下，其COP隨環(huán)境溫度的變化情況如圖4所示。

圖3太陽(yáng)能集熱器陣列

圖4熱泵的制熱COP隨環(huán)境溫度的變化

末端風(fēng)機(jī)盤管的性能參數(shù)如表1所示。

表1風(fēng)機(jī)盤管參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1系統(tǒng)性能參數(shù)

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有太陽(yáng)能保證率和系統(tǒng)COPS兩個(gè)性能參數(shù)。其中，太陽(yáng)能保證率f是太陽(yáng)能提供的熱量和系統(tǒng)總熱負(fù)荷的比值，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：QSC為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的總得熱量，kJ；Qload為系統(tǒng)的總熱負(fù)荷，kJ。

系統(tǒng)的能效比COPS是整個(gè)系統(tǒng)的總得熱量和總電耗的比值，其計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：Q為系統(tǒng)總得熱量，包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量和空氣源熱泵的制熱量?jī)刹糠郑琸J；W為系統(tǒng)總電耗，kJ。

其中，系統(tǒng)的總得熱量為實(shí)驗(yàn)開始至結(jié)束時(shí)預(yù)熱水箱和工作水箱的熱能增量和室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的散熱量之和，總電耗為空氣源熱泵、水泵及室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的電耗之和，其計(jì)算公式分別如式（3）和式（4）所示：

式中：QHT為蓄熱水箱的儲(chǔ)熱量增量，kJ；QOT為工作水箱的儲(chǔ)熱量增量，kJ；QFCU,tr為室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的散熱功率，kW；ρ為熱媒介水的密度，kg/m3；VHT和VOT分別為蓄熱水箱和工作水箱的容積，m3；THT0和THTτ分別為系統(tǒng)運(yùn)行起始和結(jié)束時(shí)刻蓄熱水箱的水溫，℃；TOT0和TOTτ分別為系統(tǒng)運(yùn)行起始和結(jié)束時(shí)刻工作水箱的水溫，℃；MFCU,tr為室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)熱媒介水的質(zhì)量流量，kg/s；TFCUi和TFCUo分別為室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的進(jìn)出口水溫，℃。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在冬季不同天氣條件下做了多組實(shí)驗(yàn)，下面選取冬季一組典型日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)太陽(yáng)能和熱泵聯(lián)合采暖模式的系統(tǒng)性能進(jìn)行說(shuō)明和分析。

圖5室外氣象數(shù)據(jù)與室內(nèi)溫度的變化

圖5所示為實(shí)驗(yàn)日00:00～24:00的室外氣象數(shù)據(jù)和室內(nèi)的溫度的變化情況。如圖所示，環(huán)境溫度的平均值為10.8℃，最高溫度和最低溫度分別為17.8℃和5.8℃；太陽(yáng)輻照在07:00～19:00之間的平均值為461 W/m2，在13:00達(dá)到峰值，為816W/m2。室內(nèi)溫度維持在設(shè)定值20℃左右。

系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換和狀況如圖6所示。在熱泵供暖模式下，工作水箱的進(jìn)口水溫為熱泵出口水溫；在太陽(yáng)能供暖模式下，工作水箱的進(jìn)口水溫為蓄熱水箱負(fù)荷側(cè)的出口水溫。如圖6所示：在00:00～08:00期間，蓄熱水箱的水溫較低，不能滿足供暖需求，系統(tǒng)運(yùn)行熱泵供暖模式，在此期間，混合熱泵出口水溫的平均值為50.2℃，室內(nèi)溫度的平均值為19.1℃；隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng)，蓄熱水箱的溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到模式切換的溫度設(shè)定之后，系統(tǒng)開始運(yùn)行太陽(yáng)能供暖模式，在8:00～20:00期間，蓄熱水箱負(fù)荷側(cè)的出口水溫的平均值為61.4℃且室內(nèi)溫度的平均值為19.5℃；伴隨著太陽(yáng)輻照的降低，蓄熱水箱的水溫也不斷降低，在20:00之后，系統(tǒng)再次切換到熱泵供暖模式，在此期間，混合熱泵出口水溫的平均值為49.1℃，室內(nèi)溫度的平均值為20.6℃。

圖6工作水箱和風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)口水溫

在系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行切換時(shí)，工作水箱的進(jìn)口水溫存在急劇下降的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谶\(yùn)行模式剛切換后，環(huán)路管道內(nèi)的起始水溫較低所引起的。同時(shí)，從圖中可以看出，在太陽(yáng)輻射和工作水箱的進(jìn)口水溫劇烈變化時(shí)，室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的進(jìn)口水溫變化相對(duì)平緩，使得室內(nèi)溫度并沒(méi)有隨著輻照條件和工作水箱進(jìn)口水溫的變化產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，這由于水箱的熱容起到了很好的溫度緩沖作用。

經(jīng)計(jì)算得出，系統(tǒng)運(yùn)行期間的總得熱量Q為566.97MJ，總電耗W為17.95kWh，所以這一工況下，熱泵和太陽(yáng)能聯(lián)合供暖模式的系統(tǒng)性能系數(shù)COPS的值為8.8。

3系統(tǒng)模型及適用性模擬分析

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和住宅的實(shí)際參數(shù)，以TRNSYS模擬軟件為平臺(tái)，搭建了系統(tǒng)的仿真模型。該系統(tǒng)模型主要包括氣象數(shù)據(jù)模塊、太陽(yáng)能集熱器模塊、空氣源熱泵模塊、水箱模塊、水泵模塊、風(fēng)機(jī)盤管模塊、控制器模塊和建筑模型模塊等，下面分別對(duì)主要模塊進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖7所示為系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖。

圖7系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖

3.1太陽(yáng)能集熱器模型

本文選取真空管太陽(yáng)能集熱器（Evacuated tube solar collector）模塊Type 71作為太陽(yáng)能集熱器陣列的模型。其中，太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率由不同實(shí)驗(yàn)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，從而保證了模型的準(zhǔn)確性，其瞬時(shí)效率ηSC的表達(dá)式為：

式中：tSCo為集熱器出口水溫，℃；tSCi為集熱器入口水溫，℃；tamb為環(huán)境溫度，℃；G為集熱器表面接收到的單位太陽(yáng)能輻照值，W/m2。

3.2空氣源熱泵模型

熱泵模型為系統(tǒng)中的另一重要部件，由于TRNSYS模塊庫(kù)中沒(méi)有可以直接使用的相關(guān)模塊，本文采用Fortran語(yǔ)言編程開發(fā)了空氣源熱泵模塊。由于熱泵運(yùn)行時(shí)的熱水流量為恒定值，因此，機(jī)組的耗電量只跟熱水的進(jìn)出口溫度和環(huán)境溫度有關(guān)，本文采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法得到機(jī)組耗電量的表達(dá)式如下：

式中：P為空氣源熱泵的實(shí)時(shí)耗電量，kW；Ta為環(huán)境溫度，-12℃＜Ta＜20℃；Tin為熱泵機(jī)組的熱水進(jìn)口水溫，25℃＜Tin＜55℃。

3.3建筑的熱負(fù)荷

1）室內(nèi)采暖負(fù)荷。本文以實(shí)驗(yàn)住宅實(shí)際熱工參數(shù)為依據(jù)，采用TRNBUILD對(duì)室內(nèi)采暖負(fù)荷進(jìn)行模擬。其中外墻傳熱系數(shù)為0.574W/(m2·K)，鄰墻傳熱系數(shù)為0.917W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.342W/(m2·K)，地面的傳熱系數(shù)為1.075W/(m2·K)，內(nèi)墻傳熱系數(shù)為1.563W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為2.830W/(m2·K)。

2）生活熱水負(fù)荷。本系統(tǒng)通過(guò)工作水箱內(nèi)的內(nèi)置換熱盤管對(duì)生活熱水進(jìn)行預(yù)熱，其目標(biāo)出水溫度為40℃；熱水用量模仿一家三口的日常生活熱水用量，其用量分布如圖8所示，每天的總熱水用量為191L。

圖8生活熱水用量分布圖

3.4水箱模型

由于水箱的溫度分層效果對(duì)水箱的性能有較大的影響，為保證水箱模型的準(zhǔn)確性，本文采用具有7個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的分層水箱模型，熱損失系數(shù)統(tǒng)一采用0.8W/(m2·K)。

3.5地區(qū)適用性分析

文章依據(jù)緯度分布，選取北京（緯度39.6°）、上海（緯度31.1°）和贛州（緯度25.5°）3個(gè)氣候不同的城市進(jìn)行分析，并以太陽(yáng)能保證率作為判定依據(jù)。其中，北京處于太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)，其年太陽(yáng)能輻照量為5400～6700MJ/(m2·a)；上海和贛州處于太陽(yáng)能資源一般地區(qū)，其年太陽(yáng)能輻照量為4200～5400MJ/(m2·a)。依次采用三個(gè)地區(qū)的典型年（TMY）氣象數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。圖9所示，為上述三個(gè)地區(qū)在采暖季的太陽(yáng)能保證率的分布，其中北京地區(qū)采暖季的分析時(shí)間段為11月至翌年的3月；上海和贛州的采暖季分析時(shí)間段選取11月至翌年的2月。

圖9不同地區(qū)的太陽(yáng)能保證率分布

如圖9所示，該研究系統(tǒng)在北京、上海和贛州三個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)能保證率分別為63.3%、61.4%和59.0%。雖然北京地區(qū)的緯度較高，但由于北京地區(qū)的太陽(yáng)能資源要比其他兩地區(qū)豐富，所以北京的太陽(yáng)能保證率要稍高于其他兩個(gè)地區(qū)。結(jié)合三個(gè)地區(qū)的緯度分布和太陽(yáng)能保證率情況，可以得出：本研究系統(tǒng)具有較大地區(qū)的適應(yīng)性。

4結(jié)論

本文提出了一種用于滿足住宅采暖需求和提供生活熱水預(yù)熱的太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試并運(yùn)用TRNSYS對(duì)系統(tǒng)的地區(qū)適應(yīng)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

1）系統(tǒng)可以根據(jù)不同的運(yùn)行工況，通過(guò)太陽(yáng)能供熱模式和熱泵供熱模式的切換運(yùn)行來(lái)滿足采暖和生活熱水預(yù)熱的需求。在環(huán)境平均溫度為10.8℃的實(shí)驗(yàn)工況下，系統(tǒng)的性能參數(shù)COPS能夠達(dá)到8.8。

2）對(duì)于本文所選取的3個(gè)不同緯度地區(qū)的典型城市，該系統(tǒng)在采暖季的太陽(yáng)能保證率都能達(dá)到60%左右，且在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，其太陽(yáng)能保證率更高。說(shuō)明該系統(tǒng)具有較好的地區(qū)適應(yīng)性，其可應(yīng)用的地區(qū)范圍廣。

3）相對(duì)于普通的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)和空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，本系統(tǒng)中同時(shí)采用了熱泵和太陽(yáng)能集熱器陣列，因而投資成本加大。但本系統(tǒng)具有顯著的環(huán)保和性能優(yōu)勢(shì)，可較快地收回投資成本，且隨著熱泵技術(shù)的進(jìn)一步完善和集熱器成本的降低，本系統(tǒng)將擁有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)性。

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Expe rim e nta l Pe rform a nc e a nd Re giona l Ada ptive Sim ula tion Studie s for a Sola r Ene rgy a nd He a t Pum p Inte gra te d Sys te m

WANG Qi-di,LIU Jian
Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University

A solar energy and heat pump integrated system used for residential heating and hot water preheating was proposed.Experiment system was set up in a residential building in Shanghai.In addition,a simulation model was built to study the adaptation of this system with TRNSYS.Results show that:COPSof the system could reach 8.8 when the average ambient temperature was 10.8℃;the solar fraction can be kept at a high level in Beijing,Shanghai and Ganzhou and it can hit 63.3%in Beijing.

solar energy,heat pump,heating

1003-0344（2014）05-001-5

2013-8-3

王啟迪（1987～），女，碩士研究生；上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所（200240）；E-mail:wangqidi@sjtu.edu.cn