地源熱泵輔助太陽能采暖系統(tǒng)的研究

王建輝，劉自強(qiáng)，劉 偉，周 泉，彭國輝

（河北省科學(xué)院能源研究所，河北石家莊 050081）

在中國，目前建筑能耗占到了全部能源消耗的30%左右，其中北方城鎮(zhèn)采暖能耗占全國建筑總能耗的36%，是建筑能源消耗的最大組成部分。

建筑采暖的方式對(duì)城市環(huán)境和居民生活質(zhì)量的影響很大。到目前為止，中國城市能源結(jié)構(gòu)中，燃煤仍占主要地位，分散式燃煤采暖在城市中還占有相當(dāng)大的比例。這是導(dǎo)致北方城市冬季大氣污染嚴(yán)重的主要原因。另外中國是人口大國，70%的人口生活在農(nóng)村，廣大農(nóng)村地區(qū)的能源消耗對(duì)于能源供求總量及其能源結(jié)構(gòu)都有著重要的影響。隨著北方農(nóng)村地區(qū)廣大人民群眾生活水平的提高，人們對(duì)住宅舒適性的要求日益提高，希望在冬季有適宜的采暖設(shè)備和方式［1］。由于農(nóng)村居民的建筑特點(diǎn)，不適宜集中供暖，單戶的燃油燃?xì)忮仩t又受到氣源、油源及運(yùn)行費(fèi)用的限制，也很難推廣。

為了適應(yīng)國家政策和能源結(jié)構(gòu)的要求，防止農(nóng)村用煤過量造成的環(huán)境污染，使用可再生能源（太陽能）解決北方農(nóng)村居民的采暖問題，是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量的好辦法。

本文探討了將太陽能技術(shù)與建筑物的地板輻射采暖技術(shù)結(jié)合起來，采用地源熱泵作為采暖的輔助熱源，提供一種高效、節(jié)能的采暖方式。制作了實(shí)驗(yàn)示范系統(tǒng)，選取實(shí)驗(yàn)用戶進(jìn)行了冬季采暖運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

1 太陽能采暖技術(shù)

太陽能每年輻射到地球表面的能量巨大，其利用潛力很大，且利用太陽能不會(huì)對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成污染。因此太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生環(huán)保能源。中國太陽能資源豐富，北方地區(qū)年日照時(shí)間一般在2 000h以上，屬太陽能利用較有利地區(qū)。

河北省地區(qū)屬太陽能資源較豐富區(qū)，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2 600～3 000h，年累計(jì)太陽能輻照量達(dá)到5 00～6 700MJ／m2，為河北省居民的太陽能利用提供了有利的自然條件。

太陽能供暖系統(tǒng)是以太陽能作為供暖系統(tǒng)的熱源，將分散的太陽能通過集熱器轉(zhuǎn)換成方便使用的熱水，然后把熱水輸送到發(fā)熱末端，提供房間采暖［2］。

太陽能供暖可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2種方式。被動(dòng)式太陽能供暖通過建筑的朝向和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，使建筑物在冬季能充分收集、存儲(chǔ)和分配太陽輻射熱。主動(dòng)式太陽能供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、末端供熱系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和其他能源輔助加熱、換熱設(shè)備集合構(gòu)成［3-4］，如圖1所示。與被動(dòng)式太陽能供暖相比，其供熱工況更加穩(wěn)定，但同時(shí)，投資費(fèi)用也增大，系統(tǒng)更加復(fù)雜。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，主動(dòng)式太陽能供暖開始大規(guī)模應(yīng)用。

由于太陽能供暖系統(tǒng)受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機(jī)因素影響較大，而且太陽能熱流密度低，導(dǎo)致各種形式的太陽能直接熱利用系統(tǒng)在應(yīng)用上都受到一定的限制［5］。僅利用太陽能系統(tǒng)供暖，需要較大的集熱面積和蓄能裝置，增加設(shè)備的初投資，全部使用太陽能供暖受到了限制。因此，太陽能供暖需要增加輔助熱源，來保證采暖的持續(xù)性。目前，其他能源輔助加熱方式多采用燃煤爐、生物質(zhì)爐、燃?xì)忮仩t電加熱等形式。

圖1 主動(dòng)式太陽能供暖示意圖Fig.1 Sketch map of active solar heating system

考慮可以利用地源熱泵與之聯(lián)合運(yùn)行，輔助供暖，當(dāng)太陽能系統(tǒng)的熱量不能滿足建筑熱負(fù)荷需求時(shí)，使用地源熱泵來滿足。太陽能與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)在于由太陽能供暖系統(tǒng)和地源熱泵供暖系統(tǒng)組成的復(fù)合式供暖系統(tǒng)，利用環(huán)保的可再生能源作為熱源，且2種系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高系統(tǒng)的COP值，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用［6-8］。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)地理位置、太陽輻射及氣候狀況說明

筆者在北京市平谷區(qū)北務(wù)鎮(zhèn)華北空管局職工別墅區(qū)選取了實(shí)驗(yàn)用戶，當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)為東經(jīng)116°47′，北緯40°03′，屬溫帶大陸性季風(fēng)性氣候，太陽輻射及氣候狀況如表1所示［9］，冬季各月采暖天數(shù)如表2所示。

表1 太陽輻射及室外平均溫度Tab.1 Amount of solar radiation and outdoor average temperature

表2 冬季各月采暖天數(shù)Tab.2 Effective heating days in winter

2.2 實(shí)驗(yàn)建筑情況說明

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在北京平谷區(qū)的華北空管局北務(wù)鎮(zhèn)職工家屬樓，該小區(qū)為3層別墅區(qū)，每戶建筑面積280m2，外墻為370mm黏土空心磚，外墻面采用60 mm厚聚苯保溫。供暖末端采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)。建筑平面如圖2所示。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16℃，室外設(shè)計(jì)溫度為-9℃，節(jié)能建筑采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為50W／m2，采暖期為120d。

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 建筑平面圖Fig.2 Plan of the structure

地源熱泵輔助太陽能采暖系統(tǒng)共分為太陽能集熱系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、供暖末端、控制系統(tǒng)4部分。太陽能集熱系統(tǒng)采用真空管集熱器，集熱面積40m2，儲(chǔ)熱水箱1 000L。地源熱泵系統(tǒng)為土壤源熱泵，地源井共4眼，單U管埋深100m。熱泵機(jī)組為上海美意空調(diào)公司生產(chǎn)的熱泵機(jī)組，型號(hào)為MSR-L072，制熱輸入功率5.83kW，制熱量21.8 kW。供暖末端采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)［10-11］。

2.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 熱泵輔助太陽能采暖系統(tǒng)圖Fig.3 Solar heating system assisted by heat pump

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，在2011年11月初到12月10日進(jìn)行了冬季供暖運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)過渡季、晴天和陰雪天天氣條件下的供暖進(jìn)行了一系列的測(cè)試、試驗(yàn)。測(cè)試了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)太陽能輻射值、水箱溫度，房間溫度、室外環(huán)境溫度，地板采暖末端進(jìn)出口溫度等各種參數(shù)。結(jié)果表明，本文的地源熱泵輔助太陽能供暖系統(tǒng)具有良好的供熱保障率，節(jié)能效果十分顯著。

3.1 過渡季實(shí)驗(yàn)

在2011年11月上旬供暖開始前做了過渡季太陽能供暖實(shí)驗(yàn)，不需要地源熱泵輔助，只利用太陽能供暖，分別測(cè)試了太陽能輻射、儲(chǔ)熱水箱溫度變化、地板采暖末端進(jìn)出口水溫變化以及室內(nèi)外溫度變化等，取得了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4—圖8為2011-11-10的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 太陽能輻射Fig.4 Solar radiation

圖5 太陽能輻射量Fig.5 Solar radiation value

圖6 水箱溫度Fig.6 Tank temperature

圖7 地板采暖進(jìn)出口溫度Fig.7 Inlet and outlet temperature in floor heating

由圖4、圖5可以看出，在初冬季節(jié)，晴天條件下，太陽輻射良好，太陽能輻射最高可達(dá)630W／m2左右，一天接受到太陽能輻射量達(dá)到12.817 MJ／m2。

由圖6可以看出，在一天內(nèi)，儲(chǔ)熱水箱的水溫可以由28.8℃升高到87.6℃，溫升為58.8℃。儲(chǔ)熱水箱容積為1 000L，則水箱系統(tǒng)的熱量為4.186 8×1 000×1 000×58.8＝246 183 840J＝246.18MJ。太陽能集熱系統(tǒng)面積為40m2，則系統(tǒng)接受到太陽能輻射量為12.817×40＝512.68MJ。太陽能系統(tǒng)的熱效率為246.18÷512.68＝48.02%。

由圖7可以看出，在18：00開始由太陽能儲(chǔ)熱水箱的水經(jīng)過換熱對(duì)地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，可以維持到24：00左右，水溫才降到初始溫度。

圖8 室內(nèi)外環(huán)境溫度Fig.8 Indoor and outdoor temperature

由圖8可以看出，室外平均溫度5.0℃，在采暖過渡季利用太陽能采暖，采暖房間室內(nèi)平均溫度17.8℃，達(dá)到采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)16℃以上，而非采暖房間平均溫度14.2℃，太陽能采暖的效果十分理想。

3.2 采暖季實(shí)驗(yàn)

在2011-11-15供暖開始后做了地源熱泵輔助太陽能供暖實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試了太陽能輻射、儲(chǔ)熱水箱溫度變化、地板采暖末端進(jìn)出口水溫變化以及室內(nèi)外溫度變化等。

3.2.1 晴天天氣地源熱泵輔助太陽能采暖

圖9—圖13為2011-12-10晴天天氣條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖9、圖10可以看出，在冬季，晴天條件下，太陽輻射良好，太陽能輻射最高可達(dá)550W／m2，一天接受到的太陽能輻射量達(dá)到11.126MJ／m2。

由圖11可以看出，在一天內(nèi)，儲(chǔ)熱水箱的水溫可以由25.1℃升到76.9℃，溫升為51.8℃。儲(chǔ)熱水箱容積為1 000L，則水箱系統(tǒng)的熱量為4.186 8×1 000×1 000×51.8＝216 876 240J≈216.88MJ。太陽能集熱系統(tǒng)面積為40m2，則系統(tǒng)接受到太陽能輻射量為11.126×40＝445.04MJ。太陽能系統(tǒng)的熱效率為216.88÷445.04＝48.73%。

圖9 太陽能輻射Fig.9 Solar radiation

圖10 太陽能輻射量Fig.10 Solar radiation value

圖11 水箱溫度Fig.11 Tank temperature

圖12 地板采暖進(jìn)出口溫度Fig.12 Inlet and outlet temperature in floor heating

當(dāng)晴天時(shí)，每天18：30開始利用水箱里的熱水循環(huán)加熱地板輻射盤管，為房間供暖，一直持續(xù)到22：30，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱里的水溫降到設(shè)定溫度以下時(shí)，則開始利用地源熱泵系統(tǒng)為房間供暖。

由圖12可以看出，地板采暖的進(jìn)出口溫度在太陽能熱水和地源熱泵的加熱作用下，一直保持在采暖要求范圍內(nèi)。

圖13 室內(nèi)外溫度Fig.13 Indoor and outdoor temperature

由圖13可以看出，室外平均溫度為-2.0℃，利用地源熱泵輔助太陽能采暖，采暖房間室內(nèi)平均溫度為18.9℃，超過16℃的采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)，而非采暖房間平均溫度3.0℃，顯示出利用地源熱泵輔助太陽能采暖的效果十分理想。

3.2.2 陰雪天情況采暖

圖14—圖18為2011-11-30陰天條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖14 太陽能輻射Fig.14 Solar radiation

圖15 太陽能輻射量Fig.15 Solar radiation value

圖16 水箱溫度Fig.16 Tank temperature

圖17 地板采暖進(jìn)出口溫度Fig.17 Inlet and outlet temperature in floor heating

由圖14—圖16可以看出，在冬季陰雪天條件下，太陽輻射很低，太陽能輻射量也很小，一天接受到太陽能輻射量才0.5MJ／m2。太陽能儲(chǔ)熱水箱的水溫溫升很少，不能滿足采暖的需要。

由圖17可以看出，在地源熱泵輔助采暖情況下，地板采暖的進(jìn)出口溫度一直保持在采暖要求范圍內(nèi)。

圖18 室內(nèi)外溫度Fig.18 Indoor and outdoor temperature

由圖18可以看出，在陰雪天條件下，室外平均溫度2.1℃，直接利用地源熱泵為房間供暖，采暖房間室內(nèi)平均溫度為19.3℃，達(dá)到采暖溫度標(biāo)準(zhǔn)，而非采暖房間平均溫度為4.3℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，太陽能集熱系統(tǒng)的熱效率分別為48.02%和48.73%，達(dá)到了45%的設(shè)計(jì)要求。

2）在實(shí)驗(yàn)期間，從2011年11月上旬過渡季采暖開始，一直到12月11日，室內(nèi)溫度始終保持在16℃以上，地源熱泵輔助太陽能采暖系統(tǒng)的供熱保障率保持在100%。

3）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，太陽能采暖系統(tǒng)適合供水溫度要求低的末端系統(tǒng)——地板采暖系統(tǒng)配套使用。

4 結(jié) 論

1）在經(jīng)濟(jì)許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費(fèi)的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運(yùn)行費(fèi)用最低，所以在經(jīng)濟(jì)許可的情況下，可適當(dāng)增大太陽集熱器的面積。

2）新能源應(yīng)用于節(jié)能建筑，以降低系統(tǒng)的初投資。太陽能的能流密度較低，即熱系統(tǒng)的價(jià)格在目前仍然偏高；地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，初投資也比較高。為了盡可能減少系統(tǒng)的初投資，必須保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合節(jié)能規(guī)范的要求，以降低供暖、制冷負(fù)荷。

3）與供水溫度要求低的末端系統(tǒng)配套使用。目前高溫型的地源熱泵機(jī)組COP較低，常規(guī)地源熱泵機(jī)組供熱時(shí)，出水溫度較低。同時(shí)，太陽集熱系統(tǒng)的集熱效率也與出水溫度有關(guān)，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖末端系統(tǒng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇供水溫度要求低的形式［12］，比如地板采暖系統(tǒng)。

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