蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱-空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的應(yīng)用研究*

上海理工大學(xué) 李亞倫 李保國(guó)上海筑能環(huán)境科技有限公司 蘇樹(shù)強(qiáng) 肖洪海

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1-2]。為此，國(guó)家“十三五”能源規(guī)劃提出大力促進(jìn)清潔能源利用。在我國(guó)寒冷地區(qū)，受年均供暖時(shí)間長(zhǎng)、供暖季環(huán)境溫度低、建筑熱負(fù)荷較大等因素的影響，太陽(yáng)能、地?zé)崮芎涂諝饽艿惹鍧嵞茉吹膽?yīng)用推廣受到限制，目前仍以燃煤供暖為主，越來(lái)越不適合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。研究適用于寒冷地區(qū)的清潔能源供暖方式成為熱點(diǎn)[3-5]。

太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)將太陽(yáng)能和空氣源熱泵結(jié)合，既彌補(bǔ)了太陽(yáng)能供暖技術(shù)受天氣影響的不足，又可改善熱泵性能，相對(duì)于傳統(tǒng)供暖方式，對(duì)節(jié)能減排具有重要作用[6]。為充分利用太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定性，傅杰等人建立了相變蓄能太陽(yáng)能熱泵試驗(yàn)臺(tái)，研究發(fā)現(xiàn)，在晴天工況下熱泵關(guān)閉后，相變蓄能罐仍可滿(mǎn)足室內(nèi)7 h的供暖需求[7]。Youssef等人對(duì)帶有相變蓄能換熱箱的混聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其與無(wú)蓄能箱的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相比，晴天和陰雨工況下的COP分別高6.1%和14%[8]。Diallo等人設(shè)計(jì)了一種具有相變蓄熱功能的三通換熱器，將其應(yīng)用在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中，使其綜合能效提高了28%[9]。Plytaria等人通過(guò)仿真的方法研究了相變材料對(duì)太陽(yáng)能熱泵地板供熱系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)相變材料的應(yīng)用可有效減小建筑的熱負(fù)荷，熱泵能耗可降低42%～67%[10]。太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)頻繁啟停、制熱量嚴(yán)重衰減、熱水溫度受限等問(wèn)題[11]。夏洪濤[12]、韓宗偉等人[13]提出設(shè)立地下蓄熱水池，利用土壤的保溫能力，將夏季多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存，用于冬季室內(nèi)供暖，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)，系統(tǒng)仍可滿(mǎn)足供暖需求，但該系統(tǒng)存在人工費(fèi)用較高、占地面積較大、水面蒸發(fā)導(dǎo)致漏熱等不足。劉寅等人設(shè)計(jì)了帶有肋片-套管復(fù)合式換熱器的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度低至-15 ℃時(shí),與空氣源熱泵相比，其COP和制熱量均可提高45%左右[14]。吳啟任等人將噴射器應(yīng)用到太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)溫度為-30 ℃時(shí)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生3.5 kW的制熱量，COP可達(dá)3.2[15]。劉業(yè)鳳等人通過(guò)仿真分析得出了帶有噴射器的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)熱泵系統(tǒng)的結(jié)論[16]。Chen等人提出了一種直膨式太陽(yáng)能輔助噴射-壓縮熱泵系統(tǒng)，研究表明，該新型系統(tǒng)比傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)COP提升25.07%[17]。Li等人通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，噴射式-復(fù)疊太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的性能得到顯著改善[18]。Fine等人設(shè)計(jì)了一種新型光伏復(fù)疊熱泵熱水系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，與單級(jí)熱泵系統(tǒng)相比，年均熱量輸出提升37%～68%[19]。Chaturvedi等人對(duì)直膨式復(fù)疊熱泵系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)疊系統(tǒng)所需要的集熱器面積更大，制熱性能得到顯著提升，可用于產(chǎn)生60～90 ℃的高溫?zé)崴甗20]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的蓄熱型空氣式太陽(yáng)能集熱-空氣源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng))，太陽(yáng)能可直接加熱循環(huán)水為室內(nèi)供暖，也可為熱泵蒸發(fā)器提供熱量，通過(guò)對(duì)熱能的梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)全天候高效供暖。在內(nèi)蒙古通遼市對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了該系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的供暖效果和運(yùn)行穩(wěn)定性，分析了其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，旨在為太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及水循環(huán)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)有3種工作模式：太陽(yáng)能供熱模式、太陽(yáng)能輔助熱泵供熱模式及熱泵供熱模式，工作原理如圖1所示。在太陽(yáng)能輻照度滿(mǎn)足室內(nèi)供暖需求時(shí)，太陽(yáng)能供熱模式啟動(dòng)，空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)進(jìn)風(fēng)聯(lián)箱進(jìn)入真空管，在真空管內(nèi)吸熱升溫后經(jīng)出風(fēng)聯(lián)箱導(dǎo)出，在換熱器中加熱循環(huán)水向室內(nèi)供熱，與此同時(shí)，設(shè)置在真空管中的相變蓄能芯儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能，當(dāng)太陽(yáng)輻照度減弱時(shí)，相變蓄能芯放出熱量加熱空氣，可保證供熱的穩(wěn)定性。當(dāng)太陽(yáng)能輻照度衰減至300 W/m2以下時(shí)，真空管的有效得熱量為零，相變蓄能芯儲(chǔ)存的熱量用于向室內(nèi)供熱，延長(zhǎng)太陽(yáng)能供熱時(shí)間，提高太陽(yáng)能利用率；當(dāng)相變蓄能芯的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵，由相變蓄能芯為熱泵蒸發(fā)器提供熱量，以保證室內(nèi)供暖的連續(xù)性。在夜晚或陰雨天無(wú)太陽(yáng)能時(shí)，啟動(dòng)熱泵供熱模式為室內(nèi)供熱。在系統(tǒng)供水回路上設(shè)有電加熱器，在惡劣工況下，電加熱器作為輔助熱源，保證用戶(hù)的舒適度。隨著熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，在蒸發(fā)器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥，將回水直接通往汽-水換熱器，利用回水余熱加熱集熱器內(nèi)的循環(huán)空氣，對(duì)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行除霜，以保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，除霜期間，啟動(dòng)電加熱保證室內(nèi)連續(xù)供暖的需求。

1.太陽(yáng)能集熱器；2.汽-水換熱器；3.風(fēng)機(jī)；4.電動(dòng)風(fēng)閥；5.肋片式蒸發(fā)器；6.熱力膨脹閥；7.干燥過(guò)濾器；8.殼管式冷凝器；9.壓縮機(jī)；10.氣液分離器；11.電動(dòng)三通閥；12.水泵；13.膨脹水箱；14.電加熱器；15.電磁流量計(jì)；16.散熱器；17.風(fēng)機(jī)盤(pán)管；t為測(cè)溫點(diǎn)處的溫度；p為測(cè)壓點(diǎn)處的壓力。圖1 空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)原理圖

1.2 空氣式太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器大都以水為傳熱介質(zhì)，需設(shè)置水箱儲(chǔ)存太陽(yáng)能，存在水垢堵塞、凍裂、泄漏等隱患，為此研發(fā)了空氣式太陽(yáng)能集熱器，如圖2所示。該太陽(yáng)能集熱器由雙通螺旋真空管、相變蓄能芯、進(jìn)風(fēng)聯(lián)箱、出風(fēng)聯(lián)箱組成。該集熱器以空氣為傳熱介質(zhì)，可避免出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞及充注液泄漏引起的污染和腐蝕等問(wèn)題，延長(zhǎng)集熱器的使用壽命；將太陽(yáng)能真空管改進(jìn)為雙通直流結(jié)構(gòu)，且將真空管末端設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)，可以防止真空管因熱脹冷縮引起的炸裂問(wèn)題，提高集熱器的安全性；在真空管內(nèi)放置相變蓄能芯，在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)儲(chǔ)存多余的熱量，在太陽(yáng)輻射不足時(shí)釋放熱量，減小集熱器內(nèi)部的溫度波動(dòng)，起到削峰填谷的作用，可以提高太陽(yáng)能利用率和供熱穩(wěn)定性。相變蓄能芯由鋁管封裝相變蓄能材料而成，蓄能材料為一種復(fù)合型無(wú)機(jī)鹽，熔點(diǎn)為100 ℃，凝固點(diǎn)為54.5 ℃。

圖2 空氣式太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 運(yùn)行模式及控制邏輯設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)各測(cè)溫點(diǎn)(如圖1所示)溫度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)行模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。控制邏輯如圖3所示，當(dāng)室內(nèi)溫度t9<20 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)太陽(yáng)能輻照度和集熱器內(nèi)部溫度t1，若太陽(yáng)能充足，集熱器內(nèi)部溫度t1>80 ℃，則由太陽(yáng)能單獨(dú)供熱滿(mǎn)足室內(nèi)供暖需求，風(fēng)閥和熱泵機(jī)組關(guān)閉，風(fēng)機(jī)和水泵啟動(dòng)，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥，由循環(huán)水通過(guò)汽-水換熱器吸收太陽(yáng)能熱量為室內(nèi)供熱，供水溫度t4>50 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)關(guān)閉，供水溫度t4<45 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行為室內(nèi)供熱；若集熱器內(nèi)部溫度t1<70 ℃，則熱泵機(jī)組啟動(dòng)，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥，使循環(huán)水經(jīng)冷凝器吸收熱量給室內(nèi)供熱，此時(shí)為太陽(yáng)能輔助熱泵供熱模式；若集熱器內(nèi)部溫度t1<環(huán)境溫度t10，則打開(kāi)電動(dòng)風(fēng)閥，熱泵吸收環(huán)境中的熱量為室內(nèi)供熱，供水溫度t4<42 ℃時(shí)，熱泵不能滿(mǎn)足室內(nèi)的熱量需求，電加熱啟動(dòng)，供水溫度t4>45 ℃時(shí)，電加熱關(guān)閉。當(dāng)熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度t6<-13 ℃時(shí)，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出現(xiàn)較厚霜層，熱泵機(jī)組關(guān)閉，電加熱啟動(dòng)，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥，利用回水余熱對(duì)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行除霜；當(dāng)蒸發(fā)器溫度t6>20 ℃時(shí)，除霜完成，壓縮機(jī)重新啟動(dòng)，電加熱關(guān)閉。

2 空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)應(yīng)用

在內(nèi)蒙古通遼市對(duì)空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究。通遼市太陽(yáng)能資源屬于Ⅱ(A)類(lèi)地區(qū)，全年太陽(yáng)總輻射為4 896～5 502 MJ/m2，年平均日照時(shí)間在2 800 h以上。通遼市的供暖時(shí)間為每年10月20日至次年4月20日，共計(jì)180 d，供暖期內(nèi)日均輻照量為16.075 MJ/(m2·d)，日均日照時(shí)間為7.52 h，供暖期平均氣溫為-5.1 ℃，設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度為20 ℃。

采用空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)代替原有的電鍋爐為某建筑供暖。根據(jù)通遼市的氣候特點(diǎn)，該系統(tǒng)由空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)建筑的主要熱負(fù)荷，太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱量作為熱泵系統(tǒng)的主要低溫?zé)嵩?，在無(wú)太陽(yáng)能時(shí)，熱泵系統(tǒng)也可從環(huán)境中吸取熱量，電加熱器作為輔助熱源，保障室內(nèi)供暖的連續(xù)性及舒適性。太陽(yáng)能集熱器、熱泵系統(tǒng)及其輔助設(shè)備放置在屋頂，供暖末端采用散熱器和風(fēng)機(jī)盤(pán)管。建筑為通遼油庫(kù)員工休息室，供暖面積為314.47 m2。

2.1 建筑負(fù)荷計(jì)算

該建筑屬老舊單體建筑，需全天24 h供暖，墻體無(wú)保溫措施，單個(gè)房間較大，且部分房間人流量較大，房門(mén)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)敞，供暖熱負(fù)荷相對(duì)較大。考慮到建筑保溫性能及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)Pn設(shè)計(jì)為80 W/m2。

圖3 空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)控制邏輯圖

系統(tǒng)總耗熱量Q為

(1)

式中S為供暖面積，m2；h為供暖時(shí)間，h。

計(jì)算得該建筑供暖總耗熱量Q為2 173.6 MJ/d。

2.2 主要部件選型

2.2.1太陽(yáng)能集熱器

建筑物供暖所需太陽(yáng)能集熱器總面積為

(2)

式中Ac為太陽(yáng)能集熱器面積，m2；f為太陽(yáng)能保證率，取60%；Jt為供暖季日均輻照量，MJ/(m2·d)，取16.075 MJ/(m2·d)；ηcd為太陽(yáng)能集熱器集熱效率，取46.5%；ηl為管路及貯熱裝置熱損失率，取20%。

根據(jù)計(jì)算及系統(tǒng)管路要求，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)需為建筑提供白天12 h供暖所需的熱量。設(shè)計(jì)并安裝28臺(tái)相變蓄能空氣式太陽(yáng)能集熱器，每臺(tái)集熱器集熱面積為4 m2，總集熱面積為112 m2。

根據(jù)GB/T 50364—2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，太陽(yáng)能系統(tǒng)全年使用時(shí)，集熱器的安裝傾角宜與當(dāng)?shù)鼐暥认嗟?；偏重于冬季使用時(shí)，傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°。該項(xiàng)目太陽(yáng)能集熱器傾角取45°。

2.2.2空氣源熱泵

在陰雨氣候條件下，空氣源熱泵需承擔(dān)建筑全部熱負(fù)荷，故熱泵機(jī)組應(yīng)根據(jù)建筑的最大供暖負(fù)荷25.15 kW進(jìn)行選型。熱泵機(jī)組的制熱量Qh計(jì)算式為

Qh=qhK2K3

(3)

式中qh為空氣源熱泵的名義制熱量，kW；K2為冬季熱泵計(jì)算溫度修正系數(shù)，取0.76；K3為機(jī)組化霜修正系數(shù)，每小時(shí)化霜1次取0.9，化霜2次取0.8。

計(jì)算得到所需熱泵的名義制熱量為36.78 kW，選取2臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組承擔(dān)建筑的主要熱負(fù)荷，壓縮機(jī)額定制熱量為21.2 kW，采用R507作為制冷劑，充注量為4.5 kg，其余各部件均與壓縮機(jī)相匹配。

2.2.3其他部件選型

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)，型號(hào)為CY180，軸功率為0.75 kW，最大風(fēng)量為27 m3/min；水循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置膨脹水箱，容積為200 L，用于為水循環(huán)回路補(bǔ)水和緩解管路壓力過(guò)高；水泵采用QDL型立式多級(jí)離心泵，輸入功率為0.55 kW，額定流量為2.0 L/s；配置的輔助電加熱的功率為18 kW，在惡劣氣候條件下，保障室內(nèi)供熱。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)間為2019年1月1日至3月31日，共計(jì)90 d。系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。1月環(huán)境溫度波動(dòng)較小，日平均溫度維持在-15～-1 ℃，系統(tǒng)的日均耗電量約為318.84 kW·h，平均COP為3.52；2月環(huán)境溫度顯著降低，系統(tǒng)的日均耗電量相對(duì)于1月略有升高，COP減小，這是由于建筑熱負(fù)荷增大，熱泵制熱量衰減，電加熱運(yùn)行比例增大；3月環(huán)境溫度出現(xiàn)明顯回升，系統(tǒng)的能耗減小，COP增大。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

3.1 運(yùn)行參數(shù)分析

系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)主要受環(huán)境溫度影響較大，選取2019年2月19日至3月20日共30 d的運(yùn)行數(shù)據(jù)(此期間的環(huán)境工況更接近于整個(gè)供暖季的平均水平)進(jìn)行分析。環(huán)境溫度波動(dòng)如圖4所示，日平均環(huán)境溫度在-3.1～11.9 ℃之間，溫度變化整體呈上升趨勢(shì)。圖5顯示了日平均供、回水溫度和室內(nèi)溫度變化，測(cè)試期間系統(tǒng)可產(chǎn)生平均溫度為42.6 ℃的熱水，整體呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，室內(nèi)溫度隨環(huán)境溫度變化略有波動(dòng)，可維持在21.3～24.1 ℃之間，平均為22.9 ℃，可滿(mǎn)足建筑的供暖需求。

圖4 測(cè)試期間日平均環(huán)境溫度

圖5 日平均供水、回水和室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化

圖6顯示了測(cè)試期間系統(tǒng)日供熱量和耗電量隨時(shí)間的變化。系統(tǒng)日供熱量和耗電量受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度降低，建筑熱負(fù)荷增大，系統(tǒng)供熱量和耗電量增大；相反環(huán)境溫度升高，建筑熱負(fù)荷減小，系統(tǒng)供熱量和耗電量降低。測(cè)試期間系統(tǒng)日均耗電量為263.9 kW·h，日均供熱量為946.4 kW·h。

圖6 系統(tǒng)日供熱量和耗電量隨時(shí)間的變化

圖7顯示了熱泵系統(tǒng)和電加熱器日供熱量的占比，熱泵日供熱量占比在79.9%～92.7%之間，電加熱器日供熱量占比為7.3%～20.1%。熱泵和電加熱器的日供熱量受氣候條件的影響，在晴天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱能作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，可提高熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，改善其運(yùn)行工況，熱泵日供熱量升高，電加熱器運(yùn)行時(shí)間縮短，系統(tǒng)能耗較低；在陰雨天無(wú)太陽(yáng)能時(shí)，熱泵系統(tǒng)吸收環(huán)境中的熱能，運(yùn)行工況不斷惡化，制熱量減小，電加熱器運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，系統(tǒng)能耗增加。

圖7 熱泵和電加熱器日供熱量隨時(shí)間的變化

圖8顯示了系統(tǒng)日平均COP隨時(shí)間的變化，測(cè)試期間系統(tǒng)COP最大為4.3，最小為2.6，平均為3.6，系統(tǒng)整體能效較高，節(jié)能效果顯著。系統(tǒng)運(yùn)行30 d，總耗電量為7 918.6 kW·h，總共可為室內(nèi)提供熱量102.2 GJ，其中空氣源熱泵供熱量為89.7 GJ，占總熱量的87.8%，建筑單位面積耗熱量為97.5 W/m2。

圖8 系統(tǒng)日平均COP隨時(shí)間的變化

3.2 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析

該空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)已運(yùn)行了一個(gè)供暖季，并未出現(xiàn)凍堵、炸裂和泄漏等問(wèn)題，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿(mǎn)足建筑的供暖需求。測(cè)試期間，系統(tǒng)可維持室內(nèi)平均溫度為22.33 ℃，日均耗電量為304.81 kW·h，平均COP為3.51。經(jīng)濟(jì)效益分析如表2所示，空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的初投資較高，但年運(yùn)行費(fèi)用顯著降低，且隨著系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，電供暖、燃煤鍋爐及燃?xì)忮仩t系統(tǒng)會(huì)逐漸老化，供暖效率將逐漸降低，系統(tǒng)需要定期維護(hù)，使得運(yùn)行費(fèi)用逐年增加，空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加顯著。

表2 經(jīng)濟(jì)效益分析

空氣式太陽(yáng)能供暖熱泵系統(tǒng)的回收期定義為相對(duì)于其他供暖系統(tǒng)增加的初投資除以每年節(jié)約的供暖費(fèi)用。

(4)

式中n為投資回收期，a；Sic、Oic分別為空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)和其他系統(tǒng)(電供暖、燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t)的初投資，萬(wàn)元；Soc、Ooc分別為空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元/a。

不計(jì)空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，且假定系統(tǒng)的使用壽命為15 a，與電供暖系統(tǒng)、燃煤鍋爐供暖及燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)相比，年運(yùn)行費(fèi)用可分別降低62.2%、49.1%、46.2%，回收期分別為4.7、9.8、10.3 a。

社會(huì)效益體現(xiàn)在系統(tǒng)整個(gè)供暖季節(jié)約的電能(折合成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量)，以及減少的溫室氣體和有害氣體排放量，以此對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱泵的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?？諝馐教?yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量可通過(guò)下式計(jì)算：

(5)

式中mc為節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量，kg；Qj為空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的節(jié)能量，MJ；qc為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29.3 MJ/kg；ηc為燃煤鍋爐的熱效率，取80%。

在測(cè)試期間，空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)總耗電量為27 218.8 kW·h，可為室內(nèi)提供熱量342.5 GJ，經(jīng)計(jì)算得到，為建筑提供相同的熱量所需的標(biāo)準(zhǔn)煤為14.6 t，系統(tǒng)的耗電量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為4.1 t，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤10.5 t。估算得到，該空氣式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖季可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤21 t，當(dāng)量減排CO254.6 t、粉塵0.31 t、SO20.51 t、NOx0.14 t，起到了保護(hù)環(huán)境的良好作用，節(jié)能減排效益突出。

4 結(jié)論

1) 在實(shí)驗(yàn)工況下，日平均環(huán)境溫度在-3.1～11.9 ℃之間，該系統(tǒng)可持續(xù)提供平均溫度為42.6 ℃的熱水，可維持室內(nèi)溫度在21.3～24.1 ℃，溫度較為穩(wěn)定，受環(huán)境影響顯著減小，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可滿(mǎn)足建筑的供暖需求。

2) 測(cè)試期間，該系統(tǒng)COP在2.6～4.3之間，COP變化受氣候條件及環(huán)境溫度影響較大，平均COP為3.6，相對(duì)于單一空氣源熱泵供暖，整體能效較高，節(jié)能效果顯著。

3) 經(jīng)濟(jì)效益分析表明，該系統(tǒng)在測(cè)試期間日均耗電量為304.81 kW·h，與電供暖、燃煤鍋爐供暖及燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)相比，年運(yùn)行費(fèi)用可分別降低62.2%、49.1%、46.2%，投資回收期分別為4.7、9.8、10.3 a。

4) 該系統(tǒng)已運(yùn)行一個(gè)供暖季，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的高效利用，減少了常規(guī)能源的消耗，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤21 t，當(dāng)量減排CO254.6 t、粉塵0.31 t、SO20.51 t、NOx0.14 t，起到了保護(hù)環(huán)境的良好作用，節(jié)能減排效益突出。