國網山東節能服務有限公司      牛蔚然   魏姍姍   梁慧媛

山東建筑大學熱能工程學院      劉冉冉   刁乃仁

摘   要：針對我國北方地區的氣候特點，提出了雙熱源熱泵與太陽能聯合供暖系統形式，建立了雙熱源熱泵與太陽能聯合供暖系統及其太陽能集熱器、蓄熱水箱等主要裝置優化設計方法。以濟南某農宅為例，分析了該農宅采暖季的所需熱負荷，與原有煤爐采暖+太陽能熱水器供熱水方案進行比較，新系統運行費用大大降低，具有良好的環境效益，系統的投資回收期為6.7年,節能率為58%。通過TRNSYS模擬蓄熱水箱的出水溫度更加證實了該系統運行的可行性。

關鍵詞：雙熱源熱泵；太陽能；北方農宅；供暖

       0   引言

       近些年來北方城市的供暖得到了越來越好的發展，然而北方的農村地區供暖問題卻一直停滯不前，還是采用較為傳統普通煤爐進行采暖，衛生條件較差，生活質量得不到提升，而且長期的燃煤取暖造成了室外空氣質量越來越差，也是造成霧霾天氣的“真兇”之一 ^[1]。 因此，尋求一種適用于農村且節能、環保供暖方式是農村供暖問題的關鍵所在。

       冬季采暖化石能源燃燒是導致霧霾的主要原因之一，因此改變北方農村傳統的采暖方式–“煤改電”是改善空氣質量的必經之路。然而如果直接用電進行取暖，直接將高品位電力轉化為低品位熱量則會浪費資源。利用可再生能源進行供暖是暖通空調領域的重要方向， 也是研究熱點之一 ^[2]。其中采暖常用的可再生能源主要包括太陽能，淺層地熱能，空氣能等，由于北方天氣的一些特征，這些能源在單獨使用時會出現如下一些問題：

      （1）太陽能在北方地區較為豐富，也在該地區進行大量使用，但是由于北方冬季較為寒冷，如果僅采用太陽能作為熱源來為農宅進行供暖，則會導致集熱器面積過大，首先并沒有大量空間進行擺置，其次集熱器的價錢較為昂貴，經濟性不強。而且，太陽能對于氣候條件的依賴性過大，容易受到自然條件以及天氣條件的影響，圖1為山東濟南地區5個典型日日平均逐時輻射強度，由此可以發現太陽能的輻射強度是不穩定的，因此單一太陽能熱源進行采暖缺乏良好的經濟性和技術性，不可采用。

圖1   山東濟南地區5個典型日日平均逐時輻射強度

     （2）由于北方農宅主要以供暖為主，地源熱泵系統在使用期間，會因為冬季取熱與夏季放熱的不平衡問題而造成的土壤溫度的變化，以至于在以后的幾年中可能出現供熱能力下降的結果^[3]。而且地源熱泵系統由于初投資較高、系統較為復雜、維修困難，因此難以在北方農宅中進行推廣、宣傳和使用。

     （3）在北方冬天最冷溫度經常會達到-10℃以下，因此采用單一的空氣源熱泵系統會經常出現空調壓縮機的壓縮比急劇升高，會出現結霜、運行效率下降等一系列問題。因此在北方推廣單一的空氣源系統也是不可行的。

       基于上述所講的單一可再生能源對于北方農宅運行的不可行性，由于太陽能可以很好地保障農宅用戶的生活熱水的需求量，同時結合熱泵的供暖效果，本文將二者有機結合起來并利用蓄熱水箱的儲熱作用，提出了一種適用于北方供暖的系統形式–雙熱源熱泵與太陽能聯合供暖系統。

       相比較單一的冷熱源，雙熱源熱泵與太陽能聯合供暖系統實現了太陽能、水能、空氣能的優勢互補。太陽能集熱器對于蓄熱水箱的季節性蓄熱，減小了熱泵機組在冬季的運行時間，節約能源；熱泵機組在陰天時候對蓄熱水箱的蓄熱功能，保障了農宅用戶一年四季的供暖需求；空氣源熱泵從空氣中充分吸取熱量，大大減少了太陽能集熱器以及蓄熱水箱的體積，降低了太陽能集熱器的初投資費用；水源熱泵系統的使用，改善了機組的制熱性能系數^[4]，提高了換熱效率，解決了空氣源熱泵在供暖工程中容易結露，換熱效率低的難題，使得煤改電的策略得以順利進行。

       1   系統原理與構成

       圖2為農宅家用雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統示意圖，其中包括：熱泵機組，太陽能系統以及用戶側裝置。太陽能系統連接熱泵機組以及用戶側裝置，太陽能系統包括太陽能集熱器、蓄熱水箱以及太陽能–蓄熱水箱側盤管。蓄熱水箱內部有兩個盤管為其進行加熱，一個為太陽能–蓄熱水箱側盤管，另一個為蓄熱水箱–末端側盤管。其中蓄熱水箱–末端側盤管為蓄熱水箱與末端或者是空氣源熱泵與蓄熱水箱換熱的加熱盤管。熱泵機組包括熱泵冷凝器、熱泵壓縮機、熱泵膨脹閥和熱泵空氣源蒸發器、熱泵水源蒸發器，其中兩個蒸發器為并聯布置，因此該熱泵為雙熱源熱泵機組。用戶裝置的末端設備既可以為風機盤管系統，也可以為地暖系統。

       熱泵機組與用戶裝置由溫控閥與室外溫度進行控制，當溫控閥低于某一設置溫度時，則開啟冷卻空氣的蒸發器的空氣源熱泵系統；當室外溫度低于某一設置溫度的時候，則自動開啟冷卻液體載冷劑的蒸發器的水源熱泵系統。

圖2   系統示意圖

1–熱泵冷凝器；2–熱泵壓縮機；3–熱泵膨脹閥；4–熱泵空氣源蒸發器；5–熱泵水源蒸發器；6–太陽能集熱器；7–蓄熱水箱；8–太陽能-蓄熱水箱側盤管；9–蓄熱水箱-末端測盤管；10–補水管；11–生活熱水給水管；12–末端設備

       2   系統運行模式

       該系統通過閥門之間的轉換，實現了多種運行模式，具有全年性、多功能性等特點，通過對這些閥門的控制可實現6中運行模式，，共有兩種供生活熱水模式，三種供熱模式，1種制冷模式。

       （1）模式1：太陽能供生活熱水模式，晴天時太陽光照充足，太陽能集熱器將、從太陽中汲取的能量轉化為熱能，通過太陽能–蓄熱水箱側盤管對蓄熱水箱進行儲存熱量并保存在水箱之中，通過生活熱水給水管供給用戶生活熱水。

       （2）模式2：熱泵供熱水模式，當連續陰雨天氣出現時，僅依靠太陽能加熱蓄熱水箱無法滿足用戶的生活熱水的需求時，水源熱泵作為輔助熱源加熱蓄熱水箱供給用戶生活熱水。此時閥門V1、V2、V4、V6、V9、V10開啟，V3、V5關閉。

       （3）模式3：冬季蓄熱供熱模式，初冬供暖狀態：當室內溫度低于18℃并且蓄熱水箱中的溫度高于50℃時，此時室外溫度不是特別低，室內所需熱負荷不高，蓄熱水箱可以直接通過蓄熱水箱–末端測盤管對室內進行供暖，僅僅依靠蓄熱水箱就可以完全承擔室內負荷。此時閥門V7、V8開啟，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V9、V10關閉。

       （4）模式4：冬季空氣源熱泵供熱模式，當室內溫度低于18℃并且蓄熱水箱中的溫度低于50℃，室外溫度高于-5℃時，空氣源熱泵自動開啟，通過吸收環境空氣中的低位熱能，利通過少量電能驅動壓縮機運轉進行供暖，從而滿足農宅冬季采暖的需求。此時閥門V1、V2、V3、V5開啟，閥門V4、V6、V7、V8、V9、V10關閉。

       （5）模式5：冬季太陽能、熱泵聯合供熱模式，當室外冬季溫度低于-5℃時，鑒于在低溫環境下，空氣源熱泵可能會出現結霜、運行效率下降等一系列問題，而采暖效果不佳。則開啟閥門V1，V2，V4，V6，V9，V10，關閉閥門V3，V5，V7，V8，使得熱泵的熱源轉變為蓄熱水箱中的熱水，使得熱泵機組可以在較高的溫度下運行，進而使制冷劑在相對較高的溫度中吸熱蒸發，提高供暖效果，保證室內溫度。

       （6）模式6：夏季空氣源熱泵供冷模式，在夏季太陽能集熱器與蓄熱水箱組成一套循環系統為農宅用戶提供生活熱水，空氣源熱泵單獨為農宅供冷。

       3   系統設計計算

       （1）太陽能系統集熱器面積計算

       平板太陽能熱水系統主要有兩種系統，一種是直接式系統如圖3，一種是間接式系統（又稱為二次循環系統）如圖4。該供暖系統采用的是間接式系統。

圖3   直接式系統	圖4   間接式系統

       集熱器面積按照《太陽能供熱采暖工程技術規范》（GB 50494–2009）3.3.3中規定進行計算。

       直接系統太陽能系統集熱器面積：

       式中：A_c為系統集熱器總面積（m²）；QW為日均用水量（kg）；t_end為所需熱水溫度（℃）；t₁為冷水溫度（℃）；C為水的定壓比熱容（kJ/(kg·℃)）；J_T為濟南地區釆暖期在集熱器安裝傾斜面上的平均日太陽輻照量，13.167J；f為太陽能保證率（%），按工程經驗取30%；η_cd為系統使用期的平均集熱效率，根據經驗取值宜為0.2~0.5，系統設計采用U型管集熱器，集熱器的平均集熱效率根據工程經驗取50%；ηL為貯水箱和管道的熱損失率，根據經驗取值宜為0.2~0.30，本次取值0.2。

       間接系統太陽能系統集熱器面積：

       式中：A_IN為太陽能間接系統集熱器總面積（m²）；UL為集熱器總熱損失系數（5W/(m²·℃)）；Uhx為換熱器傳熱系數（3090.2W/(m²·℃)）；Ahx為太陽能間接系統換熱器換熱面積（m²）。

     （2）水箱體積設計計算

       水箱的體積計算為：

       式中：A_C為集熱器輪廓面積（m²）；q為冬季單位面積太陽能輻照量（MJ/m²）；CP為水的定壓比熱容，CP=4.18kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度（kg/m³）；tend為儲熱水箱內上限溫度（℃）；tst為儲熱水箱初始溫度（℃）。

     （3）熱泵機組及其他選型

       熱泵機組按照室內最大熱負荷進行選型，應滿足太陽能集熱器不工作的時候房間的供暖需求；換熱盤管 、循環泵的選型由太陽能集熱器面積以及機組的大小計算確定。由于模式④一般運行在供暖初期，所以9–蓄熱水箱–末端測盤管按照最大熱負荷的50%選取。

       為考察雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統在北方地區應用的可行性，本文選取山東濟南某農宅作為研究對象，其中圖5為濟南基本氣候情況（據1971~2000年資料統計）。由圖可發現濟南的平均最低氣溫出現在1月，約為0℃左右，其中最冷天氣的氣溫約為-15℃。

圖5   濟南基本氣候情況

       在濟南的農宅占地面積159m²，供暖面積100m²左右，供暖建筑布局如圖6所示。當地供暖期為11月15日至次年3月15日，共120天。圖7是通過軟件模擬該農宅供暖時期逐時單位面積空調負荷，由圖可以看得出來，該農宅的最大熱負荷為指標為55w/m²，總負荷為5.5kW，出現在 1月，其中在初冬時候即11月15日~12月左右負荷為30w/m²，總負荷為3kW，約占最大熱負荷的55%。

圖6   濟南市某農宅供暖建筑圖	圖7   供暖時期逐時單位面積空調負荷

       系統中的主要設備型號參數及其初投資見表1。

表1   主要設備型號參數及其初投資

       為了考察雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統的經濟性與節能性，以北方農宅原有普通煤爐+太陽能熱水器的方案進行比較，該方案的初投資由土煤爐燃煤費用與太陽能熱水器的費用共同組成。其中普通煤爐的費用為2700元，家用太陽能熱水器的費用為1500元，合計4200元。

       表2比較了雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統與普通煤爐+太陽能熱水器的方案的經濟性，其中方案1為雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統，方案二為土煤爐+太陽能熱水器的采暖方式。由對比結果可知，雖然方案一的初投資看起來比方案二的初投資要高很多，但是方案二還需要立式空調來為農宅進行制冷效果，所以方案二的初投資并沒有表中顯示的這么少；而且相比較運行費用，方案一的運行費用極低，僅需要6年多的時間甚至更短的時間就可以達到投資回收。因此在北方農宅采用雙熱源熱泵–太陽能聯合供暖系統的經濟性良好。

表2   經濟性比較分析

 

       表3比較了兩種方案的節能性，在農宅冬季采暖采用第一種方案為熱源耗電量kW·h。1kW·h折合標準煤0.36kg,該采暖方式折合標準煤（kg）；采用第二種方案為熱源消耗4168.1kg，折合標準煤3288.6kg。由對比結果可知，方案一的節能效果良好，達到了58%，減少了CO2、SO2 以及煙塵的排放量，為治理大氣污染做出了巨大貢獻，達到了“煤改電”的主要目的。

表3   環境性比較分析
  

       4   基于trnsys對蓄熱水箱全年的運行溫度進行模擬

       為了考察蓄熱水箱在該系統下的出水溫度，以濟南的標準天氣氣象參數連續運行至系統達到穩定運行后，利用trnsys軟件進行模擬，給出了室外溫度（圖8）在全年的溫度變化趨勢、太陽能集熱器與熱泵機組的出口溫度（圖9）以及蓄熱水箱的出口溫度（圖10）的全年溫度的變化。
圖9為太陽能集熱器與熱泵機組的出口溫度變化趨勢，其中紅色區域代表熱泵機組的出口溫度，黑色區域代表太陽能集熱器的出口溫度。可以明顯的看出太陽能集熱器所加熱熱水的出口溫度在冬季的部分時間在0℃以下，當僅靠太陽能集熱器對蓄熱水箱進行蓄熱時，不能滿足用戶的用水需求。熱泵機組的出水溫度即使在冬季也可以達到30℃以上，加熱需熱水箱完全沒有問題。因此熱泵與太陽能的聯合供暖，既能保證供暖的高效性，又能滿足農宅全年的供熱水需求。圖10為蓄熱水箱一年的水溫變化，其中該水箱分為4層，各層水溫的變化走向與室外溫度變化相一致，其中冬季與夏季的最頂層與最底層的溫差較大，但即使在1月份最低層水溫也在30℃以上，對于初冬需熱水箱直接對農宅進行供暖是完全沒有問題的。

圖8   農宅全年室外溫度變化	圖9   太陽能集熱器與熱泵機組的出口溫度

圖10   蓄熱水箱溫度變化曲線
 

       5   結語

       北方農宅雙熱源熱泵-太陽能復合供熱系統是在太陽能集熱系統和熱泵系統基礎上進行改進的和完善的。該系統有效解決了空氣源熱泵在低溫環境下運行效率低或無法運行的缺陷，系統COP較傳統的熱泵系統高，使用壽命較長；將太陽能和空氣能等綠色新能源有機結合，在保證供暖要求的同時，只使用少量的電能，具有良好的經濟效益和節能、環保效益，對環境的污染危害大大降低，環保節能。

參考文獻

       [1]霧霾成因之一：供暖結構和消費模式不合理,供冷制熱,2015.  

       [2]王玉超,可再生能源再暖通空調中的應用[J].產業論壇,2015,28:416.

       [3]曹馨雅,地源熱泵系統冷熱負荷不平衡對土壤溫度的影響[D].上海:東華大學,2012.

       [4] Ahmet Caglar,Cemil Yamal.Performance analysis of a solar-assisted heat pump with an evacuated tubular collector for domestic heating[J].Energy and Buildings 54 (2014):22–28.

       [5]周新龍,多能源復合采暖空調系統設計[J].科技,2016,71:74.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年3月刊總第19期。
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