香格里拉太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)熱泵功率與供暖面積的匹配研究

徐羅楠， 羅熙， 李明

(云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

香格里拉位于中國云南省迪慶藏族自治州，平均海拔3 459 m，年太陽輻射量超過5 000 MJ/m2，年平均氣溫為5.5 ℃，晝夜溫差較大[1-2]，冬季日照與非日照時間室外平均溫差為9～15 ℃[3]，全年日平均氣溫低于5 ℃天數(shù)為189～208 d(供暖期)，當?shù)匾詿窆┡癁橹饕┡绞?，不利于?jié)能環(huán)保.真空管式太陽能熱水系統(tǒng)[4]具備熱轉(zhuǎn)化效率高、成本較低的特點，廣泛用于民用住宅供熱水和供暖[5]，但此類供暖系統(tǒng)供暖效果受太陽輻照度影響較大，通常需配備燃煤鍋爐、電加熱或空氣源熱泵等輔助熱源[6-8].在香格里拉，使用單一集熱器系統(tǒng)長期供暖需配備較大面積的集熱器，占地面積過大；使用單一空氣源熱泵系統(tǒng)長期供暖則能耗較高，不利于節(jié)能環(huán)保，太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)可以較好地避免使用單一熱源產(chǎn)生的問題.

許多研究[9-12]分別使用實驗或模擬的方法對太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的供暖特性進行分析，具有較好的參考價值，為給香格里拉地區(qū)太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)提供參考，本文利用TRNSYS和TRNBuild軟件構(gòu)建香格里拉居民住房太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，得出熱泵功率與供暖面積的匹配關(guān)系.

1 系統(tǒng)概述

利用TRNSYS和TRNBuild建立太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)(如圖1)，系統(tǒng)分三個循環(huán)：集熱器循環(huán)在日照時間下依靠熱虹吸與水泵進行循環(huán)制熱，將熱水儲存在水箱；空氣源熱泵循環(huán)根據(jù)水箱溫度的變化加熱，當水箱溫度低于45 ℃時，熱泵開啟制熱；室內(nèi)供暖循環(huán)由水箱通過增壓水泵將熱水輸送給用戶.

圖1 香格里拉居民住房太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)圖

2 供暖匹配關(guān)系分析

模擬系統(tǒng)中集熱器和空氣源熱泵設(shè)計標準分別按照《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)評價標準GB/T 20604-2010》和《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機GB/T 21362-2008》設(shè)計.為滿足用戶的熱水和供暖需求，設(shè)計的系統(tǒng)制熱功率應(yīng)與供暖熱負荷相等，即有：

Pc+Pa=Qr+Qw

(1)

式中，Pc為集熱器制熱功率，單位為W；Pa為空氣源熱泵制熱功率，單位為W；Qr為房間熱負荷，單位為W；Qw是供應(yīng)熱水的熱量與平均日照時長(s)的比值，單位為W.

為方便計算，每戶人數(shù)設(shè)定為3人，根據(jù)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)評價標準GB/T 20604-2010》，集熱器供應(yīng)熱水量應(yīng)至少滿足供暖月日均熱水需求，即Pc=Qw.由表1可知1月份的日平均太陽輻射量最低，因此以滿足1月份日均熱水需求進行模擬，根據(jù)表2得出所需集熱器制熱功率為1 047.6 W，模擬過程中集熱器的平均熱轉(zhuǎn)換效率為68%，計算得出所需的集熱器有效集熱面積為3.27 m2.

表1 香格里拉供暖月氣象數(shù)據(jù)與熱水需求

表21月份太陽輻照度與熱水需求量

Table2SolarradiationandhotwaterdemandinJanuary

月份1月平均瞬時太陽輻照度/W?m-2471.6平均日照時長/h8.4日均供應(yīng)熱水所需熱量/MJ31.68

供應(yīng)熱水所需集熱器的有效集熱面積已計算得出，因此當熱泵制熱功率等于房間熱負荷，即Pa=Qr時可滿足房間供暖.由表1可知，香格里拉全年供暖月中1月份平均氣溫最低，根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB 50736-2012》，以滿足1月份的室內(nèi)供暖溫度18 ℃為標準來計算.房間熱負荷以香格里拉典型居民住房為計算對象，圍護結(jié)構(gòu)耗熱量、傳熱系數(shù)和冷風侵入耗熱量等參數(shù)參照GB 50736-2012標準.

香格里拉當?shù)鼐用褡》康拿娣e普遍為40～180 m2，對該供暖面積范圍在平均氣溫最低供暖月(1月份)的日平均房間熱負荷進行計算，并得到關(guān)系曲線(如圖2)，對曲線進行線性擬合后的方程為：

y=67.09x+1 239.52

(2)

圖2 供暖面積與房間熱負荷的關(guān)系

Fig.2Therelationshipbetweenheatingareaandroomheatload

由(2)式可得供暖面積40～180 m2所需的空氣源熱泵制熱功率范圍為4 076～13 364 W.對不同額定功率(1 P=735 W)的熱泵在環(huán)境溫度為-1.5 ℃的條件下進行模擬，計算得出各個額定功率熱泵的制熱功率(如圖3).其中2 P熱泵的制熱功率為3 072.3 W，低于所需功率最小值，因此額定功率≤2 P的熱泵不宜采用；6 P熱泵的制熱功率為13 494.6 W，略高于所需功率最大值，因此額定功率>6 P的熱泵也不宜采用.3、4、5 P和6 P熱泵的制熱功率滿足供暖面積范圍在40～180 m2的供暖需求，不同范圍的供暖面積對應(yīng)的熱泵功率如表3所示.

圖3不同額定功率熱泵在環(huán)境溫度為-1.5℃的制熱功率

Fig.3Theheatingpowerofdifferentratedpowersairsourceheatpumpsatambienttemperatureof-1.5℃

表3不同額定功率的熱泵對應(yīng)的供暖面積范圍

Table3Heatingareacoveredbyairsourceheatpumpsofdifferentpowers

熱泵功率/P對應(yīng)供暖面積范圍/m2340～68468～1025102～1406140～180

3 結(jié) 論

本文以香格里拉居民住房太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)為研究對象，利用 TRNSYS與TRNBuild對系統(tǒng)在平均氣溫最低的供暖月(1月份)進行模擬，研究了空氣源熱泵與供暖面積為40～180 m2的房間熱負荷的匹配關(guān)系，得出的如下結(jié)果：

(1)根據(jù)系統(tǒng)制熱功率與供暖熱負荷關(guān)系等式，以滿足平均太陽輻射量最低的1月份日均熱水需求標準，計算得出滿足1月份熱水需求所需的集熱器制熱功率為1 047.6 W，有效集熱面積為3.27 m2；

(2)模擬得出香格里拉居民住房供暖面積在40～180 m2范圍內(nèi)的房間熱負荷與供暖面積的關(guān)系曲線，線性擬合方程為：y=67.09x+1 239.52，以此確定不同供暖面積對應(yīng)的房間熱負荷；供暖面積在40～180 m2時所需的熱泵制熱功率范圍為4 076～13 364 W，額定功率為3、4、5 P和6 P的空氣源熱泵分別適用于40～68、68～102、102～140 m2和140～180 m2的供暖面積，該匹配關(guān)系可為香格里拉地區(qū)太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)設(shè)計提供參考.