賀舒 李遠(yuǎn)斌

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

隨著近幾年全國(guó)各地霧霾現(xiàn)象頻發(fā)， 煤改電已成為北方采暖發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)注低碳能源的開(kāi)發(fā)與利用，如何有效利用更清潔的能源將是解決能源與環(huán)保難題的重要手段。常規(guī)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)易受氣候影響，不能全天運(yùn)行。近幾年流行的空氣源熱泵作為一種高效節(jié)能裝置，將其與太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可彌補(bǔ)太陽(yáng)能供熱的不足。

本文針對(duì)天津地區(qū)典型住宅，綜合近 50 年天津地區(qū)局地氣候變化特征[1]， 提出一種太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合的供暖系統(tǒng)， 將二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)并利用蓄熱水箱的儲(chǔ)熱作用， 提出一種適用于寒冷地區(qū)供暖的系統(tǒng)形式—— —空氣源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)。

相比單一的冷熱源系統(tǒng)， 空氣源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能、 空氣能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。太陽(yáng)能集熱器對(duì)于蓄熱水箱的季節(jié)性蓄熱， 減小了空氣源熱泵機(jī)組在冬季的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約能源。空氣源熱泵機(jī)組在陰天時(shí)對(duì)蓄熱水箱的蓄熱功能， 保障了用戶(hù)一年四季的供暖需求。并且，空氣源熱泵能夠從空氣中吸取熱量， 大大減少了太陽(yáng)能集熱器以及蓄熱水箱的體積， 降低了太陽(yáng)能集熱器的初投資費(fèi)用。太陽(yáng)能集熱器的使用， 增加了空氣源熱泵的換熱效率， 解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下中容易結(jié)霜的難題[2]， 二者有機(jī)結(jié)合使得煤改電的策略得以順利進(jìn)行。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1，為空氣源熱泵- 太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)示意圖， 其中包括： 熱泵機(jī)組， 太陽(yáng)能系統(tǒng)以及用戶(hù)側(cè)裝置。 太陽(yáng)能系統(tǒng)連接空氣源熱泵機(jī)組以及用戶(hù)側(cè)裝置，太陽(yáng)能系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器， 蓄熱水箱以及太陽(yáng)能-蓄熱水箱側(cè)盤(pán)管。蓄熱水箱內(nèi)部有兩個(gè)盤(pán)管為其進(jìn)行加熱， 一個(gè)為太陽(yáng)能 -蓄熱水箱側(cè)盤(pán)管， 另一個(gè)為蓄熱水箱-末端側(cè)盤(pán)管。其中蓄熱水箱 - 末端側(cè)盤(pán)管為蓄熱水箱與末端或者是空氣源熱泵與蓄熱水箱換熱的加熱盤(pán)管?？諝庠礋岜脵C(jī)組包括冷凝器， 壓縮機(jī)， 電子膨脹閥， 補(bǔ)償器和蒸發(fā)器。其中補(bǔ)償器和蒸發(fā)器并聯(lián)布置， 用戶(hù)裝置的末端設(shè)備為地暖系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)示意圖

空氣源熱泵機(jī)組與用戶(hù)裝置由溫控閥與室外溫度進(jìn)行控制， 當(dāng)溫控閥低于某一設(shè)置溫度時(shí)， 則開(kāi)啟冷卻空氣蒸發(fā)器的空氣源熱泵系統(tǒng)。當(dāng)室外溫度低于某一設(shè)置溫度的時(shí)候， 則自動(dòng)開(kāi)啟冷卻液體載冷劑補(bǔ)償器的空氣源熱泵系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理

此空氣源熱泵與太陽(yáng)能供暖聯(lián)合系統(tǒng)主要通過(guò)閥門(mén)之間的轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式， 具有全年性、 多功能性等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些閥門(mén)的控制可實(shí)現(xiàn)5種運(yùn)行模式， 共有兩種供生活熱水模式， 兩種供熱模式， 一種制冷模式。

①太陽(yáng)能供生活熱水模式，當(dāng)太陽(yáng)光照充足時(shí)，太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)太陽(yáng)能-蓄熱水箱側(cè)盤(pán)管對(duì)蓄熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)存熱量并保存在水箱之中， 通過(guò)生活熱水給水管供給用戶(hù)生活熱水。

②空氣源熱泵、 太陽(yáng)能聯(lián)合供熱水模式， 當(dāng)連續(xù)陰雨天氣出現(xiàn)時(shí)， 僅依靠太陽(yáng)能加熱蓄熱水箱無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的生活熱水的需求時(shí)， 空氣源熱泵作為輔助熱源加熱蓄熱水箱供給用戶(hù)生活熱水。此時(shí)閥門(mén) V1、V2、 V4、 V6、 V9、 V10開(kāi)啟， V3、 V5關(guān)閉。

③空氣源熱泵供熱模式， 當(dāng)室內(nèi)溫度低于18℃并且蓄熱水箱中的溫度低于50 ℃，室外溫度高于 -5 ℃時(shí)， 空氣源熱泵自動(dòng)開(kāi)啟， 通過(guò)吸收環(huán)境空氣中的低位熱能， 利用量電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行供暖， 從而滿(mǎn)足農(nóng)宅冬季采暖的需求。 此時(shí)閥門(mén)V1、 V2、 V3、 V5開(kāi)啟，閥門(mén)V4、 V6、 V7、 V8、 V9、 V10關(guān)閉。

④太陽(yáng)能、 熱泵聯(lián)合供熱模式， 當(dāng)室外冬季溫度低于 -5 ℃時(shí)， 空氣源熱泵可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜、 運(yùn)行效率下降等一系列問(wèn)題， 而采暖效果不佳。因此， 導(dǎo)入太陽(yáng)能集熱器采集太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱水， 開(kāi)啟閥門(mén) V1， V2， V4，V6， V9， V10， 關(guān)閉閥門(mén) V3， V5， V7， V8， 使得空氣源熱泵的熱源轉(zhuǎn)變?yōu)樾顭崴渲械臒崴?使得熱泵機(jī)組可以在較高的溫度下運(yùn)行， 進(jìn)而使制冷劑在相對(duì)較高的溫度中吸熱蒸發(fā)， 提高供暖效果， 保證室內(nèi)溫度。

⑤供冷模式， 供冷模式為空氣源熱泵獨(dú)有， 在夏季， 空氣源熱泵壓縮機(jī)、 冷凝器、 蒸發(fā)器、 電子膨脹閥構(gòu)成空調(diào)制冷系統(tǒng)， 對(duì)房間進(jìn)行制冷。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及能耗分析

1） 太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算

平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要有兩種形式[3]， 一種是直接式系統(tǒng)， 一種是間接式系統(tǒng) （又稱(chēng)為二次循環(huán)系統(tǒng)）。本文供暖系統(tǒng)采用間接式系統(tǒng)形式 （圖 2）。

圖2 間接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

集熱器面積按照 《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB50494-2009） 3.3.3中規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

①間接系統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算公式則如下：

式中：ALN為太陽(yáng)能間接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；UL為集熱器總熱損失系數(shù)， 5 W/(m2· ℃)；Uhx為換熱器傳熱系數(shù)， 3090.2 W/(m2· ℃)；Ahx為太陽(yáng)能間接系統(tǒng)換熱器換熱面積，m2。

2） 水箱體積設(shè)計(jì)計(jì)算

水箱的體積計(jì)算式為[5]：

式中：AC為集熱器輪廓面積，m2；q為冬季單位面積太陽(yáng)能輻照量， MJ/m2；CP為水的定壓比熱容，C P=4.18kJ/(kg · ℃)；ρ為水的密度，kg/m3；tend為儲(chǔ)熱水箱內(nèi)上限溫度， ℃；tst為儲(chǔ)熱水箱初始溫度， ℃。

3） 空氣源熱泵機(jī)組及水路設(shè)備選型

空氣源熱泵機(jī)組按照室內(nèi)最大熱負(fù)荷進(jìn)行選型，應(yīng)滿(mǎn)足太陽(yáng)能集熱器不工作時(shí)的住宅供暖需求。換熱盤(pán)管， 循環(huán)泵的選型由太陽(yáng)能集熱器面積以及機(jī)組的大小計(jì)算確定 [4] 。由于模式③一般運(yùn)行在供暖初期， 所以本文蓄熱水箱-末端盤(pán)管按照最大熱負(fù)荷的 50%來(lái)選取。

為考察空氣源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在天津地區(qū)應(yīng)用的可行性， 本文選取天津地區(qū)典型住宅作為研究對(duì)象，圖 3 為天津氣候情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（據(jù)1961～2010年資料統(tǒng)計(jì)）。由圖可發(fā)知， 天津地區(qū)的平均最低氣溫出現(xiàn)在1月， 約為0 ℃左右， 其中最冷天的氣溫約為-15 ℃。

圖3 天津地區(qū)氣候情況統(tǒng)計(jì)圖

本文中， 所研究住宅占地面積 159m2， 供暖面積100m2左右， 供暖建筑布局如圖4所示。 當(dāng)?shù)毓┡跒楫?dāng)年11月15日至次年3月15日， 共120天。

圖4 住宅供暖建筑圖

為了考察熱泵機(jī)組及熱泵輔助太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的性能， 從 2015年 11月15日至2016年 3月15日對(duì)機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試， 共計(jì) 120 d。根據(jù)天津地區(qū)氣象參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)， 選取測(cè)試期間室外日平均溫度為 1.0℃， 室內(nèi)日平均溫度為 19.6 ℃， 室內(nèi)外日平均溫度平均溫差為18.6℃， 該空氣源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在天津冬季氣候條件下能夠滿(mǎn)足房間供暖的需求。在供暖工況下，測(cè)試期間的空氣源熱泵機(jī)組日平均 COP 為 4.29，供暖系統(tǒng)日平均綜合能效比為3.52， 熱泵機(jī)組 COP 大于系統(tǒng)綜合能效比， 該供暖系統(tǒng)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間 [5] 。測(cè)試期間單位建筑面積供暖系統(tǒng)日平均供熱量為50.77 W/m2，日平均太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為4.87%， 建筑物保溫效果， 用戶(hù)對(duì)室內(nèi)溫度要求的高低以及測(cè)試的具體時(shí)間都對(duì)供暖系統(tǒng)中的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率有重要影響。

圖5是通過(guò)測(cè)試顯示該住宅供暖時(shí)期逐時(shí)單位面積空調(diào)負(fù)荷， 由圖可以看得出來(lái)， 該住宅的最大熱負(fù)荷時(shí)指標(biāo)為 55 W/m2，總負(fù)荷為 55 W/m2乘以供暖面積100m2， 即最大供暖負(fù)荷為5.5 kW， 出現(xiàn)在 1月15日，在初冬即11月15日-12 月15日， 該住宅平均供負(fù)荷為 30 W/m2， 即初冬供熱平均日負(fù)荷為 3 kW， 約占最大熱負(fù)荷的55%。

圖5 供暖時(shí)期逐時(shí)單位面積空調(diào)負(fù)荷

系統(tǒng)中的主要設(shè)備型號(hào)參數(shù)及其初投資見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備型號(hào)參數(shù)及其初投資

為了考察空氣源熱泵 -太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性， 以北方農(nóng)宅原有普通煤爐 +太陽(yáng)能熱水器的方案進(jìn)行比較， 該方案的初投資由土煤爐燃煤費(fèi)用與太陽(yáng)能熱水器的費(fèi)用共同組成。其中普通煤爐的費(fèi)用為2700元，家用太陽(yáng)能熱水器的費(fèi)用為 1500元， 方案二還需要立式空調(diào)在夏季時(shí)進(jìn)行制冷， 此處需增加初投資約5000元， 合計(jì) 9200元。

表2比較了空氣源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)與普通煤爐 + 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的初投資及年運(yùn)行費(fèi)用， 其中方案一為空氣源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)，方案二為土煤爐+太陽(yáng)能熱水器的采暖方式?？諝庠礋岜脵C(jī)組根據(jù)其出廠技術(shù)銘牌，在合理運(yùn)行情況下，使用年限為15～20年， 此處選取使用年限為15年。而土煤爐根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合北方實(shí)際使用強(qiáng)度， 暫定年限為10年，夏季制冷空調(diào)使用年限同空氣源熱泵， 為15年。設(shè)費(fèi)用年限為初投資除以使用年限， 因此方案二制冷空調(diào)費(fèi)用年限為3.33元/m2， 由對(duì)比結(jié)果可知，雖然方案一的初投資看起來(lái)比方案二的初投資高將近8600 元， 但從運(yùn)行費(fèi)用上說(shuō)， 方案一的運(yùn)行費(fèi)用極低， 僅需要5.39 年就可以收回投資成本。因此在寒冷地區(qū)采用空氣源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性良好。

表2 經(jīng)濟(jì)性比較分析

由表 2 可知， 冬季采暖采用第一種方案熱源耗電量3840 kWh， 折合標(biāo)準(zhǔn)煤1382.4 kg。采用第二種方案為熱源消耗4168.1 kg， 折合標(biāo)準(zhǔn)煤3288.6 kg。由對(duì)比結(jié)果可知， 方案一的節(jié)能效果良好， 達(dá)到了 58%， 折合計(jì)算減少了 CO2排放量為 4.17 噸 / 年，SO2排放量為34.2 kg/年， 達(dá)到了 “煤改電” 的主要目的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)寒冷地區(qū)單一能源供應(yīng)不能滿(mǎn)足同時(shí)制冷制熱并供熱水的特點(diǎn)， 基于節(jié)能減排的目的， 本文提出了空氣源熱泵-太陽(yáng)能聯(lián)合供熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效解決了單一太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在陰天時(shí)能量不足的問(wèn)題，也同時(shí)解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行效率低、容易結(jié)霜的缺陷， 聯(lián)合系統(tǒng)COP較傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)高。在未來(lái)的住宅采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若能將太陽(yáng)能和空氣能等綠色新能源有機(jī)結(jié)合， 在保證供暖要求的同時(shí)， 只使用少量的電能， 就會(huì)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能、 環(huán)保效益， 節(jié)能減排， 利國(guó)利民。

參考文獻(xiàn)

[1] 高潤(rùn)祥.近50年天津地區(qū)局地氣候變化特征分析[J].氣候與環(huán)境研究,2011,(3):159-168

[2] 王林軍.寒冷地區(qū)低溫空氣源熱泵輻射供暖實(shí)驗(yàn)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,(2):77-82

[3] 胡文舉.北京地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].流體機(jī)械,2017,(7):58-61

[4] 王青平.農(nóng)村住宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)應(yīng)用與探討[J].制冷與空調(diào)；2017,(3):77-80

[5] 李曉磊.太陽(yáng)能-低溫?zé)峄厥湛諝庠礋岜寐?lián)合供暖系統(tǒng)集熱側(cè)設(shè)計(jì)計(jì)算方法[J].暖通空調(diào),2016,(10):99-103