李學(xué)媚，吳會軍,2，鄒銳婷，徐 濤，唐旭東

(1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院建筑節(jié)能研究院，廣州 510000；2. 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510000)

0 引言

降低建筑的運(yùn)行能耗及其碳排放已成為中國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略實(shí)施的當(dāng)務(wù)之急。供暖在冬季寒冷地區(qū)必不可少，造成大量的能源消耗和碳排放；另外長期以來，中國夏熱冬暖地區(qū)屬于非供暖地區(qū)，但隨著對熱環(huán)境舒適度要求的提高，夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時間的采暖需求也日益迫切。因此，如何在滿足人們采暖需求的同時盡量減少能源消耗和碳排放成為亟需解決的問題。其中，利用太陽能、空氣能等可再生能源供暖是降低建筑運(yùn)行碳排放的重要技術(shù)途徑。

太陽能是重要的可再生能源和清潔能源，目前太陽能熱利用技術(shù)已逐漸應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑采暖與熱水系統(tǒng)[1]?？諝庠礋岜檬墙鼛啄陙泶罅ν茝V的暖通技術(shù)，具有節(jié)能、使用便利、供暖效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其在工作過程中會消耗一定的電能[2]。許多研究學(xué)者對空氣源熱泵的運(yùn)行策略、系統(tǒng)性能等方面進(jìn)行了研究。洪曉強(qiáng)[3]對中國將空氣源熱泵納入可再生能源利用技術(shù)范圍的相關(guān)政策進(jìn)行了分析。金光等[4]在內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行及太陽能-空氣源熱泵雙熱源聯(lián)合運(yùn)行的供暖特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用太陽能蓄熱水箱與空氣源熱泵交替供暖可有效提高供熱效率。劉杰等[5]采用TRNSYS 軟件對蘭州地區(qū)某一幢別墅建筑的太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了計(jì)算分析，研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)相比，該太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)在太陽能集熱量、太陽能保證率等方面均有明顯改善。李楠等[6]測試了北京地區(qū)某農(nóng)村住宅的空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統(tǒng)，測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的日均太陽能貢獻(xiàn)率為4.87%。張井山等[7]對在寒冷地區(qū)應(yīng)用的一種與空氣源熱泵結(jié)合的太陽能采暖系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：雖然該太陽能采暖系統(tǒng)受太陽輻照的影響較大，但空氣源熱泵和太陽能的結(jié)合使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。Long 等[8]采用TRNSYS 軟件研究了西藏自治區(qū)某辦公建筑的太陽能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：在供暖季節(jié)，該供暖系統(tǒng)的太陽能貢獻(xiàn)率為43%。Ran 等[9]采用豎拇指模擬方法研究了太陽能-空氣能混合熱泵系統(tǒng)在成都、北京和沈陽地區(qū)的應(yīng)用，研究結(jié)果表明：在供暖季節(jié)，成都、北京和沈陽地區(qū)的太陽能-空氣能混合熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)分別為3.61、3.27 和2.45。金佳煜[10]以某熱水工程為對象，建立太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體模型，對系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、冬季結(jié)霜環(huán)境下熱泵機(jī)組采用電加熱除霜時的優(yōu)化等問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：優(yōu)化調(diào)度后系統(tǒng)的熱水供應(yīng)更穩(wěn)定，運(yùn)行效率也有較大提升；環(huán)境溫濕度是影響熱泵是否結(jié)霜及結(jié)霜快慢的重要因素。王宇等[11]在夏熱冬暖地區(qū)搭建了空氣源熱泵與太陽能復(fù)合熱水系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行了測試研究，測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可供應(yīng)不低于40 ℃的熱水。

基于夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時間的采暖需求，以及此類地區(qū)尚缺少太陽能供暖應(yīng)用性能數(shù)據(jù)，例如缺少太陽能貢獻(xiàn)率、可再生能源利用率等數(shù)據(jù)的情況，本文針對夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時間的采暖需求，以廣州市某建筑房間為供暖對象，通過實(shí)驗(yàn)測試對利用可再生能源的地暖系統(tǒng)，即太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行測試研究。

1 太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)測試方法

1.1 供暖房間的情況

以廣州市某建筑房間作為供暖對象，對太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。由于本實(shí)驗(yàn)在夏熱冬暖地區(qū)進(jìn)行，為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，在測試艙室周圍搭建了冷氣候模擬艙室，用于模擬室外溫度環(huán)境，其與測試艙室共同構(gòu)成實(shí)驗(yàn)測試的供暖房間。該供暖房間的俯視圖與剖視圖如圖1 所示。

圖1 供暖房間的俯視圖與剖視圖(單位：mm)Fig. 1 Top view and section view of heating room(Unit：mm)

該供暖房間的整體尺寸(長×寬×高)為2780 mm×2780 mm×2450 mm。測試艙室的尺寸(長×寬×高)為1880 mm×1650 mm×2450 mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彩鋼板-聚苯乙烯泡沫，厚度為77 mm，傳熱系數(shù)為0.44 W/(m2·K)；供暖的地暖模塊采用S 形布管，管道外徑為16 mm。

1.2 太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、空氣源熱泵和地暖模塊這3 個模塊組成，該太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Design drawing of solar-air source heat pump underfloor heating system

如設(shè)計(jì)圖所示，太陽能集熱器與空氣源熱泵采用并聯(lián)的方式連接，供熱水箱安裝于太陽能集熱器內(nèi)部。當(dāng)冬季天氣晴朗、太陽輻射量充足時，利用太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的控制面板對供熱水箱的溫度進(jìn)行設(shè)定；測試期間全程啟動太陽能集熱器吸收太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量傳輸至供熱水箱，對供熱水箱中的水進(jìn)行加熱，并儲存熱量。當(dāng)太陽能集熱器提供的熱量不足，即供熱水箱實(shí)際溫度與設(shè)定值之間的溫差達(dá)到2 ℃時，空氣源熱泵自動啟動進(jìn)行補(bǔ)熱，以達(dá)到滿足房間供暖要求的目的。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)中采用的主要設(shè)備及其型號或參數(shù)性能如表1 所示。

表1 主要設(shè)備及其型號或參數(shù)性能Table 1 Model or parameter performance of main equipments

1.3 供暖性能實(shí)驗(yàn)測試

供暖性能實(shí)驗(yàn)測試中，在供暖房間中測試艙室的不同高度處設(shè)置測溫點(diǎn)，對測試艙室內(nèi)不同位置的空氣溫度，以及熱水管道進(jìn)、出口水溫，供熱水箱進(jìn)、出口水溫，空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫進(jìn)行測量，并對水流量、耗電功率等參數(shù)進(jìn)行測試。供暖性能實(shí)驗(yàn)測試所用儀器及其參數(shù)如表2 所示，測試艙室中的測溫點(diǎn)布置示意圖如圖3 所示。

表2 供暖性能實(shí)驗(yàn)測試所用儀器及其參數(shù)Table 2 Instruments and parameters used for heating performance testing

圖3 測試艙室中的測溫點(diǎn)布置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of arrangement of temperature measurement point in the testing cabin

該供暖性能實(shí)驗(yàn)測試一共采用了20 個Type-T 型熱電偶，其中：測試艙室的地面均勻布置5 個熱電偶；測試艙室內(nèi)部距地面垂直高度1.1 m 的平面均勻布置5 個熱電偶；測試艙室中心位置距地面垂直高度分別為0.1 m、1.7 m 處各布置1 個熱電偶；測試艙室4 個墻面和屋頂各布置1 個熱電偶；冷氣候模擬艙室距地面垂直高度1.1 m 的平面布置3 個熱電偶。實(shí)驗(yàn)測試一共采用了6 個PT100 熱電阻，其中：熱水管道進(jìn)、出口，供熱水箱進(jìn)、出口，以及空氣源熱泵進(jìn)、出口各布置1 個熱電阻。所有布置的熱電偶數(shù)據(jù)與熱電阻數(shù)據(jù)均為實(shí)時采集，采集時間間隔為10 s。

供暖性能實(shí)驗(yàn)測試的測試時間為2021 年12月23—25 日，共72 h。測試期間，冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽輻照度的逐時變化情況如圖4 所示。

圖4 測試期間冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽輻照度的逐時變化情況Fig. 4 Hourly variation of outdoor solar irradiance and air temperature in cold climate simulation cabin during testing period

從圖4 可以看出：測試期間，冷氣候模擬艙室的平均空氣溫度為6.30 ℃，室外的太陽輻照度在0～691.58 W/m2之間；12 月24 日的平均太陽輻照度最強(qiáng)。

對供暖房間進(jìn)行供暖性能實(shí)驗(yàn)測試，測試主要步驟為：開啟太陽能集熱器，將供熱水箱的溫度設(shè)置為55 ℃；當(dāng)供熱水箱溫度不足時，自動啟動空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)熱；電表安裝在冷氣候模擬艙室，測試期間，每天24:00 時記錄一次電表數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到每天的耗電量；然后計(jì)算太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率，并對太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖效果及節(jié)能性能進(jìn)行評價。

1.4 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

系統(tǒng)性能評價指標(biāo)包括供熱量、耗電量、太陽能利用率、空氣熱能利用率、可再生能源利用率、太陽能貢獻(xiàn)率等。

供暖房間供熱量(即為太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)供熱量)QALL的計(jì)算式可表示為：

式中：CP為測試艙室的熱水比熱容，kg/(kJ·K)；v為測試艙室的熱水流速，m3/h；ρ為測試艙室的熱水密度，kg/m3；tin為測試艙室中熱水管道的進(jìn)口水溫，℃；tout為測試艙室中熱水管道的出口水溫，℃；τ為太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行時間，h。

空氣源熱泵供熱量Qair的計(jì)算式可表示為：

式中：CP′為空氣源熱泵的熱水比熱容，kg/(kJ·K)；v′為空氣源熱泵的熱水流速，m3/h；ρ′為空氣源熱泵的熱水密度，kg/m3；t′in為空氣源熱泵的進(jìn)口水溫，℃；t′out為空氣源熱泵的出口水溫，℃；τ′為空氣源熱泵的運(yùn)行時間，h。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率φREN的計(jì)算式可表示為：

式中：ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時地暖系統(tǒng)的運(yùn)行效率，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果，該值為0.7；ηcp為空氣源熱泵的平均發(fā)電效率，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果，該值為0.91；W為空氣源熱泵的耗電量，kWh。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的空氣熱能利用率φair的計(jì)算式可表示為：

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽能利用率φsol的計(jì)算式可表示為：

太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽能貢獻(xiàn)率f的計(jì)算式可表示為：

式中：Qj為太陽能集熱器的集熱量，MJ；Qz為太陽能集熱器的能耗，MJ。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)分析

供暖性能實(shí)驗(yàn)測試中，測試艙室內(nèi)不同高度處的空氣溫度如圖5 所示。

圖5 測試期間測試艙室內(nèi)不同高度處的空氣溫度Fig. 5 Air temperature at different heights in the testing cabin during testing period

對比圖4、圖5 可知：測試期間，測試艙室的空氣溫度與室外空氣溫度(即冷氣候模擬艙室的空氣溫度)的變化趨勢一致，而且測試艙室的日平均空氣溫度約為18.9 ℃，可滿足JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》與GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對冬季供暖房間空氣溫度的相關(guān)要求。

將測試艙室中熱水管道的進(jìn)口水溫設(shè)置為55 ℃，進(jìn)水流速設(shè)置為0.35 m3/h，測試期間測試艙室中熱水管道的進(jìn)、出口水溫變化情況如圖6 所示。從圖6 可以看出：測試期間，測試艙室中熱水管道的進(jìn)口水溫與出口水溫的變化波動幅度較小，日平均進(jìn)口水溫為54.64 ℃，日平均出口水溫為53.38 ℃，進(jìn)出口水溫的溫差在0.86～1.75 ℃之間。

圖6 測試期間測試艙室中熱水管道的進(jìn)、出口水溫的變化情況Fig. 6 Changes of inlet and outlet water temperatures of hot water pipelines in the testing cabin during testing period

測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如表3 所示，空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫和供熱水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況如圖7 所示。

表3 測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)Table 3 Operating parameters of solar-air source heat pump underfloor heating system during testing

圖7 測試期間空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫和供熱水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況Fig. 7 Changes in the inlet and outlet water temperature of air source heat pump and heating water tank during testing period

根據(jù)圖7，再結(jié)合圖4 和表3 可以看出：在太陽輻照度較強(qiáng)的時間段，空氣源熱泵的進(jìn)、出口水溫和供熱量明顯降低，這是由于太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)中太陽能利用率高，降低了空氣源熱泵的使用率。

2.2 可再生能源利用率的計(jì)算

可再生能源利用率是評價太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)節(jié)能性能的重要參數(shù)。測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率如表4 所示。

表4 測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of renewable energy utilization rate of solar-air source underfloor heating system during testing period

從表4 可以看出：測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率最高可達(dá)到57.6%，平均值為48.2%。通過計(jì)算可以得到太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽能貢獻(xiàn)率為11.4%。

3 結(jié)論

本文針對夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時間的采暖需求，將廣州市某建筑房間作為供暖對象，搭建了太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測試對該系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：

1)測試期間，在實(shí)驗(yàn)測試工況下，室外平均空氣溫度為6.3 ℃時，太陽能- 空氣源熱泵地暖系統(tǒng)可將供暖房間的日平均空氣溫度維持在約18.9 ℃，可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對冬季供暖房間空氣溫度的相關(guān)要求。

2)測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率平均值為48.2%，太陽能貢獻(xiàn)率為11.4%。該數(shù)據(jù)表明，太陽能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)在滿足了夏熱冬暖地區(qū)冬季部分時間供暖需求的同時，有效利用了可再生能源，減少了電能消耗和碳排放。

研究結(jié)果可為可再生能源供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評估提供數(shù)據(jù)參考。