郭藝丹，陶 欣

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安237011)

江淮地區(qū)指位于中國(guó)江蘇省、安徽省的淮河以南、長(zhǎng)江下游一帶(包括揚(yáng)州、泰州、鹽城、淮安、合肥等主要城市).江淮地區(qū)的氣候?qū)儆谙臒岫洌叶嗍菨窭涮鞖?，沒(méi)有集中供暖，當(dāng)?shù)鼐用穸嘤秒姴膳?，電采暖價(jià)格的昂貴使大多數(shù)居民不愿長(zhǎng)時(shí)間使用，多是分時(shí)域、分區(qū)域使用，這大大降低了家居的舒適性.

針對(duì)江淮地區(qū)冬季的濕冷天氣、月均日輻射時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)能普及率高的特點(diǎn)，本項(xiàng)目將太陽(yáng)能和空氣能有效的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供熱水、供暖系統(tǒng)，來(lái)解決江淮地區(qū)居民的生活熱水和冬季房間供暖問(wèn)題［1，2］.

1 控制系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能熱水器和空氣能熱水器分別以太陽(yáng)和空氣為熱源，因具有綠色、節(jié)能、環(huán)保、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)得以推廣應(yīng)用，能夠很好地解決人們所面臨的能源和環(huán)境兩大問(wèn)題［3］.

太陽(yáng)能和空氣能聯(lián)合供暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、空氣能熱泵、儲(chǔ)熱水箱、電輔助加熱、散熱器和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成［4］.自動(dòng)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為閉環(huán)控制和整機(jī)管理核心，房間供暖系統(tǒng)采用模糊PID雙閉環(huán)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠性和資源合理分配，即太陽(yáng)能、空氣能和輔助電加熱模塊采用并聯(lián)方式，根據(jù)供水溫度，采用先后順序開(kāi)啟設(shè)備.太陽(yáng)能和空氣能熱泵聯(lián)合供暖裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 太陽(yáng)能和空氣能熱泵聯(lián)合供暖裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)行成本分析

2.1 電供暖運(yùn)行成本分析

冬季房間供暖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為60W/m2，參考房間面積為15m2，一天按24小時(shí)計(jì)算該參考房間總需制熱量為Q=60×15×24=21600W=21.6kW，按每度電 0.7元計(jì)算，江淮地區(qū)居民目前的電采暖運(yùn)行成本約為 Y=21.6×0.7=15.1元.

2.2 太陽(yáng)能和空氣能聯(lián)合冬季供暖運(yùn)行成本分析

2.2.1 太陽(yáng)能運(yùn)行成本分析

表1 為安徽屯溪(北緯29°43′，東經(jīng)118°17′)12 個(gè)月份的月均日輻照量氣象資料.

表1月均日輻照量氣象資料

從表1可以看出，12月份和1月份月均日輻射量最低，分別為5.80MJ和6.44MJ，其次是11月份和2月份的日輻射量較低，考慮冬季房間供暖的月份為11月－2月共四個(gè)月，采用中科藍(lán)天平板太陽(yáng)能集熱器，集熱面積2.0m2.根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算.

其中，A為太陽(yáng)能集熱面積，J為月均輻照量，η1為集熱器集熱效率0.65，η2為系統(tǒng)熱損失率0.1.由公式(1)可得11月份、12月份、1月份、2月份的系統(tǒng)日得熱量分別為:

四個(gè)月的總得熱量為Q=Q11×30+Q12×31+Q1×31+Q2× 28=1037.296MJ，折算成千瓦時(shí)為 Q=1037.296/3.6=288.138kWh，日均得熱量為 Q日=288.138kWh/4/30=2.4kWh.

2.2.2 空氣能熱泵供暖效能分析

將冬季房間供暖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為60W/m2，參考房間面積為15m2，一天按24小時(shí)計(jì)算該參考房間總需制熱量為Q=60×15×24=21600W.以采用空氣能水循環(huán)主機(jī)ELKS98H為例，其最大輸入功率1250W，制熱量為3800W，所需空氣能熱泵運(yùn)行時(shí)數(shù)為房間每天所需的總制熱量除以空氣能熱泵的最大制熱量，即:21600/3800=5.68小時(shí)，則空氣能熱泵消耗的電能為 W=1250 ×5.68/1000=7.1 kWh.

將太陽(yáng)能和空氣能聯(lián)合供暖，平均每天所消耗的電能為W=7.1－2.4=4.7kWh，按每度電 0.7 元計(jì)算，則平均每天供暖所需成本為 Y=4.7 ×0.7=3.29 元.

可以看出，上述結(jié)果是按照空氣能最大制熱量和最大功率來(lái)計(jì)算，當(dāng)室內(nèi)溫度波動(dòng)小時(shí)，空氣能主機(jī)不需要開(kāi)到最大功率.另外，如果考慮用戶周一至周五上班，房間沒(méi)人，可以將空氣能熱泵關(guān)閉8－10個(gè)小時(shí)，下班后再開(kāi)啟.這意味著每天供暖所需的成本要小于3.29元.不可否認(rèn)，這個(gè)數(shù)據(jù)是理論計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行中供暖系統(tǒng)干擾因素較多，因此運(yùn)行成本需要在調(diào)試中進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析得到.

由表1可以看出，3月份至10月份日輻照量較充足，且房間不需要供暖.陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱水已經(jīng)能夠滿足用戶使用，如果是晚上和陰雨天氣，可通過(guò)微處理器自動(dòng)開(kāi)啟空氣能熱泵提供熱水.太陽(yáng)能和空氣能熱泵聯(lián)合供熱、供暖系統(tǒng)的成本較低，安全環(huán)保，便于安裝調(diào)試，適用于普通家庭的需要，也是國(guó)家大力推廣扶持的《中國(guó)住宅陽(yáng)光計(jì)劃》，符合新能源的發(fā)展方向.

3 結(jié)論

根據(jù)江淮地區(qū)的氣候，空氣能在室外溫度較低時(shí)結(jié)霜可能性較小，有利于提高空氣能的能效比;江淮地區(qū)太陽(yáng)能的應(yīng)用廣泛，在太陽(yáng)能供熱水的基礎(chǔ)上進(jìn)行空氣能聯(lián)合供暖改造成本低，安全、環(huán)保，可實(shí)施性強(qiáng).

太陽(yáng)能和空氣能聯(lián)合供暖系統(tǒng)無(wú)污染、安全高效，不僅能健康、舒適的供暖，還能提供熱水，讓居民舒舒服服過(guò)個(gè)溫暖的冬天.現(xiàn)階段，江淮地區(qū)乃至整個(gè)長(zhǎng)江流域的供暖問(wèn)題日益突出，該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用將給江淮地區(qū)居民帶來(lái)福音，同時(shí)也可能在建筑行業(yè)掀起一場(chǎng)技術(shù)革命.

［1］王宏偉，于鑫.太陽(yáng)能－地源熱泵系統(tǒng)供暖模式［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，(3):519－524.

［2］李恩云.淺析太陽(yáng)能采暖與生活熱水系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益［J］.價(jià)值工程，2014，(30):147－148.

［3］余麗霞，付祥釗，肖益民，等.空氣源熱泵在長(zhǎng)江流域的氣候適宜性研究［J］.暖通空調(diào)，2011，(6):96－99.

［4］楚軍田，申連喜.水地暖與電地暖應(yīng)用對(duì)比研究［J］.建筑節(jié)能，2014，(11):20－23.