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案例分析 | 空气源热泵复合供暖

来源：www.klbeier.com 发布时间：2021-03-31

我国太阳能资源较为丰富，全国有三分之二以上的地区每年太阳辐射量都高于5000mj/m2以上，年日照时间在3000~3300小时之间。太阳能是一种可再生能源，与常规能源相比，太阳能具有以下优点：

第一，含量丰富。到目前为止太阳仅消耗了自身能量的2%，因此太阳能几乎是取之不尽、用之不竭的。

第二，方便获取。太阳能可就地开发—因此不存在运输问题，对交通不发达的偏远地区利用价值尤为突出。

第三，清洁、无污染。太阳能在开发和利用的过程中不会产生废渣、废水、废气，不会对生态环境造成破坏。

与此同时，太阳能的利用也存在一些不足之处：

第一，能流密度较低。地面上每平方米的面积所接受的太阳能只有1000w左右，因此太阳能热水系统中需要较大的集热器采光面积才能满足使用要求，増加了系统成本。

第二，间断性和不稳定性。由于受到地理纬度、海拔高度、季节更替、昼夜和阴雨天等因素的影响，太阳能热水系统必须增加辅助加热装置，才能保证系统的连续运行。

热泵系是一种能够通过消耗少量电能将热量从低温热源转移到高温热源的装置，具有高效节能的特点。但空气源热泵供暖系统在冬季使用时对环境温度有一定的要求。

根据太阳能热水系统自身的优势和缺陷，利用空气源热泵的特点作为辅助加热，有机的结合两个系统，组成太阳能辅助空气源热泵供暖系统。作为辅助加热的空气源热泵热水系统可以弥补太阳能热水供暖系统的缺陷，既克服了太阳能间歇性、不稳定的缺陷，延长了太阳能采暖的使用时间，又弥补了空气源热泵在寒冷季节效率问题的不足，因此能够实现有效、全天候运行，这对降低能源消耗，满足建筑节能、环保具有重要意义。

一、太阳能—空气源热泵的组成及工作原理

根据太阳能集热器中工作介质的不同，太阳能热泵系统可分为两大类：直膨胀式太阳能热泵供暖系统和非直接膨胀式太阳能热泵供暖系统。按照集热循环和热泵循环的连接方式的不同，非直接膨胀式太阳能热泵供暖系统，分为以下几种结构形式：串联式、并联式和双热源式等[2]。本文采用并联的方式。图1 太阳能—空气源热泵供暖系统图

图1是太阳能—空气源热泵供暖系统图。太阳能—空气源热泵供暖系统主要有三部分组成：（1）太阳能集热供暖系统；（2）空气源热泵供暖系统；（3）末端用户。太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、循环泵、蓄热水箱；空气源热泵系统主要包括冷凝器、压缩机、蒸发器、循环水泵、蓄热水箱等；末端用户主要包括地板辐射采暖等。太阳能—空气源热泵系统的运行模式主要包括：（1）在太阳辐射条件较好、建筑的热负荷较小的情况下，此时仅仅依靠太阳能集热供暖系统就能满足用户的供暖需求，不开启空气源热泵供暖系统。系统中的水流经太阳能集热器后流入到蓄热水箱中，换热结束后流回到太阳能集热器中进行加热。（2）在太阳辐射条件较差的情况下，这时仅仅依靠太阳能集热供暖系统不能满足用户侧的供暖要求，此时开启空气源热泵系统，太阳能供暖系统和空气源热泵系统联合运行为用户侧供暖。（3）在没有太阳辐射的条件下，例如夜间、阴雨天气等，关闭太阳能集热系统，开启空气源热泵供暖系统，此时由空气源热泵系统对用户进行供暖。

二、太阳能供暖系统的设计计算

2.1 模拟建筑负荷该别墅建筑面积为189m2，供暖期为11月15日到次年3月15日。首先在dest软件中，根据该别墅建筑的平面图搭建模拟所需要的三维立体图形，并按照不同类型房间的不同功能对每个房间进行参数设置，以保证模拟结果尽可能与实际工程相似。
图2是由dest软件模拟得出的该建筑供暖期的逐时负荷，由图可知，供暖期最大的热负荷出现在1月份，为7.2kw；供暖期平均热负荷为2.37kw。图2 供暖期建筑逐时负荷分布图

太阳能供暖系统的设计计算主要包括平板集热器面积的确定、集热系统流量的确定、集热循环水泵的选取和蓄热水箱的选择。2.2 平板集热器面积的计算太阳能系统集热器面积由下式计算[3]：

式中：ac为太阳能供热采暖系统的集热器总面积（m2）；qh为供暖负荷的日平均值（w）；jt为当地釆暖期在集热器安装倾斜面上的平均日太阳辐照量（j/m2）；f为太阳能保证率（%）；ηcd为系统使用期的平均集热效率；根据经验取值宜为0.2~0.5；ηl为管道及贮水箱的热损失率；根据经验取值宜为0.2~0.30。
上式中，qh为日平均负荷，为2365.1w。按照文献[3]的附录，査得当地采暖期在集热器安装倾斜面上的平均日太阳日照量为13.854mj/(m2·d)。ηcd与ηl根据经验值分别取0.35和0.2。表1是太阳能保证率在不同地区的推荐选用值范围。表1 太阳能供热采暖系统在不同地区的太阳能保证率经计算，平板集热器集热面积为15.8m2。

2.3 蓄热水箱体积计算蓄热系统应考虑太阳能集热系统的性能、投资、形式、太阳能保障率以及供热采暖负荷等因素通过技术经济性分析来进行选取。在粗略计算的情况下，可根据具体的太阳能供热采暖系统形式，査取单位面积集热器采光面积所对应的储热水箱、水箱容积范围，如表2。本文所研究的系统类型为短期蓄热的太阳能供热采暖系统，所以每平米集热器蓄热水箱的容积为100l/m2，蓄热水箱容积为1.6m3。

表2 蓄热水箱的容积范围2.4 系统流量的确定在部分情况下集热器生产厂家一般会给出影响太阳能集热系统流量的特性。若无相关技术参数可以查询，可采用估算的形式：平板型集热器可估算为0.02l/(s·m2)，真空型太阳能集热器可按照0.015~0.02l/(s·m2)估算。2.5 系统设备选型根据上述计算，太阳能—空气源热泵供暖系统主要设备选型型号和初投资的估算见表3。

表3 系统主要设备选型和初投资

三、系统的建立和模拟

3.1 trnsys系统模型的建立利用trnsys对太阳能—空气源热泵供暖系统建模，选择相应的模块。系统用到的模块有：平板集热器type1b、典型气象年数据资料type109、水泵type114、集水器type11b、分水器type11f、蓄热水箱type4c、负荷读取器type682、空气源热泵机组type505b、方程编辑器equa、在线绘图仪type65c、控制器type2b等。本文模拟的太阳能—空气源热泵供暖系统的连接方式如图3所示。图3 太阳能—空气源热泵系统图

其中，该系统的控制模式为：（1）在太阳能集热器出水温度为30℃以上时，只运行太阳能集热器循环系统，不开启空气源热泵系统。（2）在太阳能集热器出水温度为27℃以上，30℃以下时，同时运行太阳能集热器循环系统和空气源热泵系统为用户侧联合供暖。（3）在太阳能集热器出水温度为27℃以下时，不运行太阳能集热器循环系统，开启空气源热泵系统为用户侧供暖。

3.2 模拟结果分析用户侧供回水温度图4是供暖期用户侧的供回水温度，由图可以看出，用户侧的供水温度基本维持在32℃左右，供水温度比较稳定，符合地板采暖的供暖要求，提高了房间的舒适度。图4 用户侧供回水温度

图5是用户侧供回水温差与室外气温的关系。由图5可知，在室外气温比较高的情况下，用户侧的供回水温差比较小；随着气温的逐渐降低，温差也逐渐增大。图5 供回水温差与室外气温

根据图2和图5可知，一月份的室外气温很低，此时建筑的负荷也最大，用户侧的供回水温差也达到最大。当室外气温逐渐升高时，供回水的温差也逐渐减小。由图6可知，在整个采暖期，空气源热泵机组的cop在3.5左右，实际工程中的空气源热泵的cop在2~3左右，在复合能源系统中，空气源热泵机组的cop有所上升；在太阳能—空气源热泵供暖系统中，系统的cop达到了5.5，和热泵机组相比，cop大大提高，说明了太阳能—空气源热泵系统与单一空气源热泵相比，在相同能耗下，制热效率大大提高。图6 机组cop和系统cop

图7是太阳能—空气源热泵系统整个供暖期的耗电量，由图可知，整个供暖期，该系统的耗电量为865.84kw·h；单一空气源热泵的耗电量约为2747.41kw·h，节省电能74.8%。图7 太阳能—空气源热泵

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