地源熱泵輔助太陽能采暖系統的研究

王建輝，劉自強，劉 偉，周 泉，彭國輝

（河北省科學院能源研究所，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。

建筑采暖的方式對城市環境和居民生活質量的影響很大。到目前為止，中國城市能源結構中，燃煤仍占主要地位，分散式燃煤采暖在城市中還占有相當大的比例。這是導致北方城市冬季大氣污染嚴重的主要原因。另外中國是人口大國，70%的人口生活在農村，廣大農村地區的能源消耗對于能源供求總量及其能源結構都有著重要的影響。隨著北方農村地區廣大人民群眾生活水平的提高，人們對住宅舒適性的要求日益提高，希望在冬季有適宜的采暖設備和方式［1］。由于農村居民的建筑特點，不適宜集中供暖，單戶的燃油燃氣鍋爐又受到氣源、油源及運行費用的限制，也很難推廣。

為了適應國家政策和能源結構的要求，防止農村用煤過量造成的環境污染，使用可再生能源（太陽能）解決北方農村居民的采暖問題，是節約能源、保護環境、提高人民生活質量的好辦法。

本文探討了將太陽能技術與建筑物的地板輻射采暖技術結合起來，采用地源熱泵作為采暖的輔助熱源，提供一種高效、節能的采暖方式。制作了實驗示范系統，選取實驗用戶進行了冬季采暖運行實驗，并對實驗結果進行了分析討論。

1 太陽能采暖技術

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

河北省地區屬太陽能資源較豐富區，年日照時數達到2 600～3 000h，年累計太陽能輻照量達到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。

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

太陽能供暖可分為主動式和被動式2種方式。被動式太陽能供暖通過建筑的朝向和周圍環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結構構造的恰當選擇，使建筑物在冬季能充分收集、存儲和分配太陽輻射熱。主動式太陽能供暖系統主要由太陽能集熱系統、蓄熱系統、末端供熱系統、自動控制系統和其他能源輔助加熱、換熱設備集合構成［3-4］，如圖1所示。與被動式太陽能供暖相比，其供熱工況更加穩定，但同時，投資費用也增大，系統更加復雜。隨著經濟和社會的發展，主動式太陽能供暖開始大規模應用。

由于太陽能供暖系統受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響較大，而且太陽能熱流密度低，導致各種形式的太陽能直接熱利用系統在應用上都受到一定的限制［5］。僅利用太陽能系統供暖，需要較大的集熱面積和蓄能裝置，增加設備的初投資，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，來保證采暖的持續性。目前，其他能源輔助加熱方式多采用燃煤爐、生物質爐、燃氣鍋爐電加熱等形式。

圖1 主動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合運行，輔助供暖，當太陽能系統的熱量不能滿足建筑熱負荷需求時，使用地源熱泵來滿足。太陽能與地源熱泵系統聯合運行的優勢在于由太陽能供暖系統和地源熱泵供暖系統組成的復合式供暖系統，利用環保的可再生能源作為熱源，且2種系統取長補短，提高系統的COP值，節省運行費用［6-8］。

2 實驗系統

2.1 實驗地點地理位置、太陽輻射及氣候狀況說明

筆者在北京市平谷區北務鎮華北空管局職工別墅區選取了實驗用戶，當地坐標為東經116°47′，北緯40°03′，屬溫帶大陸性季風性氣候，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Tab.2 Effective heating days in winter

2.2 實驗建筑情況說明

實驗場地選在北京平谷區的華北空管局北務鎮職工家屬樓，該小區為3層別墅區，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。供暖末端采用低溫熱水地板輻射采暖系統。建筑平面如圖2所示。室內設計溫度為16℃，室外設計溫度為-9℃，節能建筑采暖設計熱負荷為50W／m2，采暖期為120d。

2.3 實驗系統設計

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共分為太陽能集熱系統、地源熱泵系統、供暖末端、控制系統4部分。太陽能集熱系統采用真空管集熱器，集熱面積40m2，儲熱水箱1 000L。地源熱泵系統為土壤源熱泵，地源井共4眼，單U管埋深100m。熱泵機組為上海美意空調公司生產的熱泵機組，型號為MSR-L072，制熱輸入功率5.83kW，制熱量21.8 kW。供暖末端采用低溫熱水地板輻射采暖系統［10-11］。

2.4 實驗系統原理圖

實驗系統圖如圖3所示。

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

3 實驗結果與分析

實驗系統安裝調試完畢后，在2011年11月初到12月10日進行了冬季供暖運行實驗，分別對過渡季、晴天和陰雪天天氣條件下的供暖進行了一系列的測試、試驗。測試了系統運行時太陽能輻射值、水箱溫度，房間溫度、室外環境溫度，地板采暖末端進出口溫度等各種參數。結果表明，本文的地源熱泵輔助太陽能供暖系統具有良好的供熱保障率，節能效果十分顯著。

3.1 過渡季實驗

在2011年11月上旬供暖開始前做了過渡季太陽能供暖實驗，不需要地源熱泵輔助，只利用太陽能供暖，分別測試了太陽能輻射、儲熱水箱溫度變化、地板采暖末端進出口水溫變化以及室內外溫度變化等，取得了一些實驗數據。圖4—圖8為2011-11-10的實驗數據。

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，晴天條件下，太陽輻射良好，太陽能輻射最高可達630W／m2左右，一天接受到太陽能輻射量達到12.817 MJ／m2。

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

由圖7可以看出，在18：00開始由太陽能儲熱水箱的水經過換熱對地板采暖系統進行循環，可以維持到24：00左右，水溫才降到初始溫度。

圖8 室內外環境溫度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，采暖房間室內平均溫度17.8℃，達到采暖溫度標準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 采暖季實驗

在2011-11-15供暖開始后做了地源熱泵輔助太陽能供暖實驗，分別測試了太陽能輻射、儲熱水箱溫度變化、地板采暖末端進出口水溫變化以及室內外溫度變化等。

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驗數據。

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550W／m2，一天接受到的太陽能輻射量達到11.126MJ／m2。

由圖11可以看出，在一天內，儲熱水箱的水溫可以由25.1℃升到76.9℃，溫升為51.8℃。儲熱水箱容積為1 000L，則水箱系統的熱量為4.186 8×1 000×1 000×51.8＝216 876 240J≈216.88MJ。太陽能集熱系統面積為40m2，則系統接受到太陽能輻射量為11.126×40＝445.04MJ。太陽能系統的熱效率為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 地板采暖進出口溫度Fig.12 Inlet and outlet temperature in floor heating

當晴天時，每天18：30開始利用水箱里的熱水循環加熱地板輻射盤管，為房間供暖，一直持續到22：30，當儲熱水箱里的水溫降到設定溫度以下時，則開始利用地源熱泵系統為房間供暖。

由圖12可以看出，地板采暖的進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。

圖13 室內外溫度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，采暖房間室內平均溫度為18.9℃，超過16℃的采暖溫度標準，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陰天條件下的實驗數據。

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，地板采暖的進出口溫度一直保持在采暖要求范圍內。

圖18 室內外溫度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，采暖房間室內平均溫度為19.3℃，達到采暖溫度標準，而非采暖房間平均溫度為4.3℃。

3.3 實驗結果分析

1）由實驗數據可以看出，太陽能集熱系統的熱效率分別為48.02%和48.73%，達到了45%的設計要求。

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

3）從實驗結果可以看出，太陽能采暖系統適合供水溫度要求低的末端系統——地板采暖系統配套使用。

4 結 論

1）在經濟許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用最低，所以在經濟許可的情況下，可適當增大太陽集熱器的面積。

2）新能源應用于節能建筑，以降低系統的初投資。太陽能的能流密度較低，即熱系統的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統與常規系統相比，初投資也比較高。為了盡可能減少系統的初投資，必須保證建筑圍護結構符合節能規范的要求，以降低供暖、制冷負荷。

3）與供水溫度要求低的末端系統配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組COP較低，常規地源熱泵機組供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統的集熱效率也與出水溫度有關，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時應優先選擇供水溫度要求低的形式［12］，比如地板采暖系統。

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