农村地区太阳能与空气源热泵综合采暖项目测试研究

陈学文

宁夏建筑科学研究院股份有限公司，银川 750021

摘 要：文章分析了国内太阳能与空气源热泵综合利用技术的研究现状，通过对选定的典型试点项目进行检测和分析计算，探讨了技术应用的效果及存在的问题。

关键词：太阳能采暖系统；空气源热泵系统；整体式平板蒸发器+空气源热泵；间接供热

1. 背景

近年来，北方雾霾现象广受关注，尤其是冬季采暖期，持续中毒雾霾出现几率明显增加，影响交通安全，危机人体健康，造成严重的负面社会影响。据清华大学建筑节能研究中心《中国建筑节能年度发展研究报告（2016）》，煤炭等化石燃料采暖是造成北方地区采暖季空气污染的重要原因之一，因此清洁供暖迫在眉睫，更是关系广大人民群众生活的重大民生工程和民心工程。

近年来中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作，宁夏在农村建筑上进行了多项太阳能与热泵综合采暖技术应用，作者选取了其中一个示范项目进行测试，对其运行效果进行分析。太阳能辅助空气源热泵复合利用

2. 太阳能与空气源热泵综合利用技术

太阳能与空气源热泵联合供热，能够解决太阳能采暖易受时间及气候限制而空气源热泵冬季制热效率低的问题，国内有较多相关研究与应用项目，应用较多的多为二者综合利用的系统工程，集成设备较少^[1]。

太阳能与空气源热泵联合供热，以空气源热泵为供热主体，太阳能作为提升系统技术性能的附加措施，可分为直膨式和非直膨式两大类，前者以制冷剂为太阳能集热工质，太阳能集热器作为热泵蒸发器，非直膨式工质通常是水、空气或者防冻液等，这种形式又可分为串联、并联、双热源[1]。

直膨式系统制冷剂在集热/蒸发器中直接吸收太阳能蒸发，非直膨式（间接式）系统将太集热器技术与热泵技术结合，冬季采暖热泵可通过集热器提取热量，夏季阴天的时候可回收空调冷凝热制取热水，可实现单独太阳能（或空气源）供热、单独太阳能（或空气源）制热水、制冷兼制热水和单独制冷等多种功能^[1]。

直膨式系统相对简单，制冷剂直接吸收太阳能，热性能较高，蒸发器与集热器合二为一，减少了换热设备，且没有防冻需求。该技术最早于1955年提出，国内外相关研究均发现直膨式太阳能热泵COP高于传统风冷热泵^[2]。

从运行效果来看，非直膨式系统方面，王新如等^[3]结合太阳能热水与空气源热泵提升蒸发温度，提高空气源热泵冬季运行效率。研究发现综合利用系统制冷剂在冷凝器中的进出口温差提高了19℃，COP达到3.5，而空气源热泵为1.6。郭宏伟等^[4]建立了空气源热泵与太阳能集热器耦合系统，比价了单独供暖和综合供暖的运行效果，发现综合供暖运行能效提升了8.9%。

直膨式系统方面，刘宗江等^[1]基于空气源热泵，通过一种渗透性集热装置，与建筑结合对空气源热泵预热，通过较小的成本改善空气源热泵冬季工作条件，提升其地域适应性。通过模拟计算，蒸发器侧空气温度能够提高6.7℃，系统性能提高23.4%。在对传统蒸发器采用涂层进行改进的情况下，季杰等^[5]研究了改进后的空气源热泵与常规热泵的性能差别，研究发现，特定湿度及室外环境条件下，系统制热量增加了23%。蒋绿林等^[6]研究了数个集热蒸发器并联运行情况下制冷剂流量分配及吸热不均匀问题，测试发现系统能正常运行，且COP在5.0-6.0之间，效率提升明显，为该技术应用于大型项目提供了有益探索。在如何提升系统能效方面，李郁武等^[7]研究了影响系统性能的多个因素，为小型化系统提出了优化策略，指出压缩机的合理选配和集热器的优化设计是影响系统性能的关键因素。

作者所测试项目为直膨式系统，太阳能平板蒸发器与室外冷凝器并联，采暖期间系统根据太阳能平板蒸发器得热情况切换平板蒸发器与室外冷凝器。

系统原理如下图：

1. 测试项目系统图

3. 测试项目

3. 1. 项目概况

测试项目建筑为村部，系办公建筑，东西朝向，面积99.76m²。外墙粘贴60mm厚EPS保温板，外窗为塑料中空玻璃窗（6+12+6）mm。

热源为太阳能平板蒸发器辅助空气源热泵，末端为散热器，间接供热，防冻液作为介质。热泵额定制热量为10.83kW，平板蒸发器面积为4m²。

建筑内采暖散热器末端均开启，通常24h运行。

建筑平面图如下：

2. 建筑平面图

1. 2. 建筑计算能耗

采用Dest软件对测试项目进行采暖能耗计算，采暖温度设定为18℃，采暖季为11月1日至3月31日，气象参数采用《国建筑热环境分析专用气象数据集》中银川典型气象年数据。

计算该建筑采暖热负荷指标17.10 W/m²，最大热负荷指标188.57 W/m²，累计热负荷指标62.46 kWh/m²

4. 测试情况说明

2020年1月7日至2020年1月13日，作者对该项目进行了测试，测试参数包括采暖系统用电量、供热量、室内温湿度及室外气象参数。

1. 数据分析时间区间及对应气象参数

5. 测试结果

项目测试期间采暖系统耗电量数据如下：

2. 采暖系统电耗

测试期间采暖室内热环境：

3. 室内平均温度（℃）

依据项目测试数据，计算该建筑运行周期（8-18时）的平均采暖性能系数，该系统COP为2.1。

6. 系统运行费用

6. 1. 温频法

基于测试期间室外气象参数及系统供暖用电量，采用温频（BIN）法计算全年供暖电耗。

温频法是根据某地气象参数，将室外干球温度按照一定间隔（bin）进行均匀划分（一般取2℃），统计出不同温度段各自出现的小时数 ，根据不同温度频段下的建筑能耗，将计算结果乘以各频段的小时数，相加得到全年能耗量。

式中：

	——	供暖系统全年电耗（kWh）；
	——	温度频段内供暖系统电耗（kWh）；
	——	采暖期内第 温度频段数量。

依据《建筑节能气象参数标准》JGJ/T 346-2014 中银川市逐时气象数据，以2℃为间隔，在-20℃至20℃摄氏度之间统计温频对应的小时数。

1. 2. 电价

工商业（1000V以下）国电宁夏阶梯电价：

4. 阶梯电价

1. 3. 计算采暖系统耗电量

依据测试期间逐时电量及室外空气温度数据，该项目测试期间不同温频的用电量为：

年耗电量及运行费用计算如下：

5. 不同温频下系统耗电量及运行费用

7. 测试结果分析

1. 系统效率方面，测试期间采暖系统COP值为2.1。相关研究表明，热风型机组在设计工况下COP为1.8时，与采用矿物能燃烧供热的能源利用率基本相当，热水机组由于增加了热水的输送能耗，设计工况COP达到2.0才能与COP为1.8的热风型机组能耗相当。可见，系统运行效率优于矿物能燃烧供热的能源利用效率，此外到村部人员流动大，房屋热量散失较大，系统运行效率应高于2.1。

2. 采暖热舒适性方面，《农村居住建筑节能设计标准》GB/T 50824-2013中规定农村地区冬季采暖室内温度为14℃，项目测试期间室内平均温度达到了16.6℃， 能够满足热舒适性的要求。

3. 供暖系统经济性方面，建筑采暖技术的经济性除了与技术本身的特点有关，还与建筑本身的节能性能、运行管理等因素有关。相比农村地区传统燃煤采暖方式，电加热或电驱动热泵均没有价格优势，但在当前清洁供暖“煤改电”的政策背景下，电驱动热泵由于效率高，相比电加热，运行成本具有一定优势。利用测试期间室外逐时气象参数及采暖系统耗电量数据，通过温频法计算测试项目的年采暖电耗，基于阶梯电价计算项目年采暖费用，项目年采暖耗电量45.28kWh/m²，年采暖费用（不含税）26.93元/m²，实测单位面积采暖电耗0.43kWh/（m²·d），每天采暖费用0.26元/（m²·d）。

8. 存在问题

1. 太阳能与空气源热泵综合利用技术成熟，具有一定运行经济性，但由于该技术初投资相对较大，建议对采用该技术的农户给予一定投资补贴，并对建筑同步进行节能改造，降低设备初投资费用。

2. 该技术采暖系统相对复杂，运行维护技术要求高，从测试建筑来看，普遍没有配置专业人员进行设备维护，仅靠厂家对设备进行不定期检查。建议空气源热泵采暖在设计时应考虑用能单位的特点，在不能保证配置专业运行维护人员的前提下，尽量将热源机组小型化，尤其是针对间歇运行、部分房间采暖的村部，便于后期维护管理。

3. 测试项目采暖系统配置不尽合理，系统在白天日照较好条件下的效率较夜间没有明显提升。此外热泵供水温度为45℃，低温供水，而散热末端为普通散热器，热水供水温度与末端不匹配，系统有进一步改进优化的空间。

参考文献：

1. 1. 1. 刘宗江，贾春霞，李忠等.一种太阳能辅助空气源热泵设备研究[J]. 建筑节能,2018,46(325):44-48.

      2. 黄文竹，直接膨胀式太阳能热泵系统的理论和实验研究[D].合肥：中国科学技术大学,2017.

      3. 王新如，潘嵩，许传奇等.低温太阳能热水辅助空气源热泵系统的节能研究[J].制冷与空调,2015,15(10):16-19.

      4. 郭宏伟，王宇，高文学等.寒冷地区空气源热泵耦合太阳能集热器系统供暖季运行能效评价. 建筑科学[J],2018,34(8):37-43.

      5. 季杰，赵方亮，黄文竹等.直膨式太阳能热泵制热性能的对比研究[J]. 太阳能学报,2016,37(10):2578-2584.

      6. 蒋绿林，胡静，侯亚祥等.多太阳能集热蒸发器并联热泵系统的实验研究[J].太阳能学报,2018,39 (7):1822-1826.

      7. 李郁武，王如竹，王泰华等. 直膨式太阳能热泵热水器热力性能分析及优化设计[J]. 太阳能学报,2016,37(10):2578-2584.

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