鄉村排屋太陽能熱泵冷熱暖聯供系統設計

賈少剛 魏翠琴 問朋朋 高志宏

鄉村排屋太陽能熱泵冷熱暖聯供系統設計

賈少剛1魏翠琴2問朋朋2高志宏2

（1.中國船級社質量認證公司青島分公司 青島 266071；2.湖州職業技術學院 湖州 313000）

開發利用新能源和高效節能技術是解決建筑物高能耗的重要途徑，以安吉縣鄉村排屋為研究對象，進行了熱負荷計算并優化設計了雙水箱并聯式太陽能熱泵冷熱暖聯供系統，該系統可滿足建筑物的冬季供暖、夏季制冷和生活熱水需求，并對其運行工況進行了分析，對系統中的關鍵部件進行了選型，可為同類設備的設計與應用提供參考。

新能源；熱負荷；太陽能；熱泵；運行工況

0 引言

能源與環境是當今突出的兩大問題，目前我國建筑能耗（采暖、制冷及熱水等）約占全社會總能耗的30%[1]，隨著發展這一比例會繼續上升。建筑能耗直接或間接地消耗了大量一次能源，因此開發利用新能源和節能技術來降低建筑能耗越來越受到重視，作為清潔能源的太陽能和高效節能的熱泵技術得到了極大的關注和應用[2,3]，目前國內學者對太陽能熱泵技術展開了積極的研究[4-9]。

浙江湖州地區冬季氣溫最低可達-5℃左右，安吉縣因地處山區冬季氣溫更低，因此鄉村住宅冬季供暖是亟需解決的問題。鑒于嚴峻的環保形式和政策要求，利用太陽能熱泵技術用于冬季供暖是合理可行的選擇，因此以安吉縣某鄉村排屋作為研究對象來設計太陽能熱泵冷熱暖聯供系統。

1 房屋冬季熱負荷需求計算

1.1 房屋冬季圍護結構熱負荷計算

該鄉村排屋的1層為雜物收儲室，2～4層為居住區域，其四周墻體是由標準紅磚壘砌的24墻，墻體厚度為240mm，樓層的長為10.54m，樓層的寬為7.6m，二層至四層高9.3m，房頂為鋼筋混凝土板與青瓦，厚度200mm，2～4層的建筑面積共計210m2。

采用《GB 50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的節能型住宅采暖熱負荷45W/m2進行房屋圍護結構熱負荷的計算，該房屋冬季圍護結構的熱負荷為9450W。因房間并不是全部使用，以此將房屋面積按照210m2、130m2、65m2這3種典型的使用情況進行房屋圍護結構日均耗熱量的計算，如表1所示。

由表1可知，若供暖面積為210m2，圍護結構的每天耗熱量Q1為817MJ；若供暖面積為130m2，每天耗熱量Q2為506MJ；若供暖面積為65m2，每天耗熱量Q3為253MJ。

表1 房屋冬季圍護結構日均耗熱量

1.2 生活新水加熱所需熱量計算

[10,11]表明，每天的生活用水需要量約為300L，則在一定初始水溫情況下將新水加熱至55℃所需要的熱量Q由式（1）計算，新水初溫取冬季期間環境溫度的平均值5℃即可，則每天加熱新水所需的熱量為62.5MJ。

式（1）中，0為水的密度，998.2kg/m3；C0為水的定壓比熱容，4.18×103J/(kg·℃)；0為新水的體積，m3；T為新水終溫，55℃；T為新水初溫，5℃。

2 太陽能熱泵系統設計與運行工況分析

2.1 系統結構設計

并聯式太陽能熱泵系統的組成簡潔且運行方式靈活，太陽能與熱泵可相互獨立工作，互為補充，兩者既可分別單獨運行，也可一起聯合運行，其對原有太陽能和熱泵裝置無需做很大改動即可組合使用，系統穩定性高，適合應用于向小型住宅供暖供水。因此結合鄉村排屋的供暖、生活熱水和制冷的需求，設計了雙水箱并聯式太陽能熱泵冷熱暖聯供系統，其結構如下圖1所示。

此系統中的太陽能采用閉式循環，集熱介質可采用丙二醇等特殊流體，冬季起到防凍作用，集熱介質由太陽能循環泵驅動循環往復加熱水箱1或者水箱2中的水。熱泵為冷暖兩用型空氣源熱泵，采用噴氣增焓型熱泵以提高熱泵的冬季制熱能力。水箱1是生活熱水供應水箱，以太陽能加熱為主，輔助以熱泵和電加熱。水箱2是供暖供冷水箱，由空氣源熱泵對水箱中的水進行加熱或制冷，再把水箱中的熱水或者冷水送往房間地暖盤管或者風機盤管起到供暖或者制冷作用。

2.2 系統運行工況分析

結合建筑物的需求，該太陽能熱泵冷熱暖聯供系統的運行工況分析如下：

（1）太陽能運行工況：太陽能集熱器進出口溫差≥5℃啟動太陽能循環泵；太陽能集熱器進出口溫差≤3℃停止太陽能循環泵；太陽能優先加熱水箱1中的水，當水箱1中的水達到上限值55℃后，關閉水箱1中換熱器閥門，讓太陽能加熱水箱2中的水；當水箱1中水溫低于40℃時，繼續由太陽能加熱水箱1中的水；夜間或者陰雨天太陽能無法運行時由熱泵來加熱水箱1中的水，保證其水溫正常。

（2）熱泵制熱工況：冬季熱泵加熱水箱2中的水用以供暖，當水箱2中水溫達到上限60℃時，熱泵停止運行；當水箱2的水溫達到下限45℃時，熱泵開啟運行；任何季節情況下夜間或者陰雨天無太陽能時采用熱泵來加熱來水箱1中的水。

（3）夏季熱泵制冷工況：夏季熱泵對水箱2中的水制冷用以向房間供冷，當水箱2水溫達到下限5℃時，熱泵停止運行；當水箱2水溫上升到上限15℃時，熱泵開啟運行。

（4）房間供暖工況：根據房間溫度或者人為設置是否開啟循環泵運行；冬季房間溫度設定為18℃～22℃，達到上限時關閉循環泵，達到下限時開啟循環泵；人為設置時可一直開啟循環泵。

（5）房間制冷工況：根據房間溫度或者人為設置是否開啟循環泵運行；夏季房間溫度設定為26℃～30℃，達到上限時開啟循環泵，達到下限時關閉循環泵；人為設置時可一直開啟循環泵。

圖1 太陽能熱泵系統結構示意圖

3 太陽能熱泵系統配置選型

根據房屋的冬季熱負荷需求，結合太陽能熱泵的結構形式，對太陽能熱泵系統的主要部件進行了配置選型，

3.1 太陽能集熱器面積選取

一般情況下太陽能供給的熱量占冬季供暖總熱量的20%比較適宜，過高的太陽能熱量供給會增加投資成本，且夏季太陽能會處于無用狀態，裝置的經濟性會下降，因此以太陽能供暖熱量占比為20%進行其集熱器面積的計算。

湖州地區冬季日均輻射總量為7.3MJ/m2[12,13]，式（2）為提供一定熱量所需太陽的計算公式，計算結果見表2所示。考慮到房屋并不總是處于全部使用狀態，故選取典型的供暖面積為130m2時的工況來選取太陽能集熱器的面積，此時所需的集熱器為25m2，此時太陽能冬季日均可提供101MJ的熱量，超過了生活熱水所需的熱量，太陽能的面積選取處于較為經濟的狀態。

式（2）中，A為集熱器面積，m2；Q為溫室一天的總耗熱量，MJ/d；I為單位面積平均每天總太陽輻射量，MJ/(m2·d)；η為真空管式集熱器平均集熱效率，55%。

表2 太陽能集熱器面積選取計算

3.2 熱泵選型

該房屋冬季供暖的平均熱負荷為9450W，性能較好的空氣源熱泵冬季COP約為2.5～3.0左右，按照COP為2.75進行計算，則熱泵壓縮機的功率為3436W，即選取大約為5P的熱泵機組可滿足供暖需求。

考慮到冬季工況下空氣源熱泵的能效比較低，建議選用帶有噴氣增焓技術的熱泵機組。噴氣增焓技術可顯著提高空氣源熱泵在冬季寒冷環境下的制熱性能，一般情況下帶有噴氣增焓的熱泵可實現環境溫度為-25℃時的較高COP的制熱運轉，其低溫下的制熱能力相較沒有采用噴氣增焓技術的熱泵可提高20%～50%，大大拓寬了熱泵在冬季的應用范圍。

3.3 供暖水箱容量選型

供暖水箱的容積決定其蓄熱能力大小，也影響熱泵運行時的啟停時間間隔，初步選擇水箱容積為500L，由式（3）進行計算，計算時相關條件為：①按照冬季1月份房屋平均熱負荷Q=9450W計算；②熱泵單獨運行，水箱水溫達到60℃后熱泵停運，待水溫降至45℃時再啟動。

計算結果為110min，即當熱泵將供暖水箱中的水加熱到60℃停止運行后再間隔110min后需再開啟運行，這是熱泵單獨運行時的間隔時間，也是水箱溫降15℃可以持續向210m2房屋供暖的時間，若太陽能同時工作則此時間會更長，不會造成熱泵頻繁啟動的狀況，500L的容積選擇合理可行。

綜上所述，按照房屋熱需求和太陽能熱泵系統的結構形式對系統的主要設備進行了選型，設備清單見表3所示。

表3 太陽能熱泵系統主要設備選型清單

4 結語

以安吉縣某鄉村排屋為研究對象，設計了雙水箱并聯式太陽能熱泵冷熱暖聯供系統，分析了系統的運行工況，結合房屋熱負荷對系統主要部件進行了計算選型，得到的結論如下：

（1）雙水箱并聯式太陽能熱泵冷熱暖聯供系統通過利用太陽能和空氣能，可以滿足房屋的供暖、生活熱水和制冷的需求，其環保效益良好，能較好地解決目前農村地區燃煤供暖的廢氣污染問題。

（2）對于建筑面積210m2的三層排屋，5P噴氣增焓型熱泵和25m2的太陽能集熱器面積可以滿足房屋冬季的供暖和生活熱水需求。

（3）雙水箱并聯式太陽能熱泵系統可以實現太陽能單獨運行、熱泵單獨運行、太陽能熱泵聯合運行三種形式，可針對不同要求靈活切換系統的運行方式，雙水箱的結構設計可盡量多的利用太陽能，提高了系統的經濟性。

（4）任何季節天氣條件下利用太陽能或者熱泵制取生活熱水，相比較電熱水器或者燃氣熱水器制取熱水均可實現較好的節能效果。

我國太陽能資源豐富，當前太陽熱泵的初投資費用較高限制了它的推廣應用，隨著太陽能熱泵技術的進一步發展和成熟，其應用前景十分廣闊，這對于緩解能源危機、減少環境污染和碳排放具有重要意義，可以創造良好的節能環保效益。

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Design of Solar-assisted Heat Pump with Supplying Combined Cooling Heating and Hot Water for Village Row House

Jia Shaogang1Wei Cuiqin2Wen Pengpeng2Gao Zhihong2

( 1.China Classification Society Certification Company Qingdao branch, Qigndao, 266071;2.Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

The utilization of new energy and excellent energy saving technology is the significant way to solve the problem of the high energy consumption on buildings. In this paper, the heat load of building is calculated with the village row house in Anji County as the research object, solar-assisted heat pump (SAHP) with double water tanks is designed optimally for supplying combined cooling heating and hot water. The SAHP can meet the needs of heating in winter, cooling in summer and domestic hot water, and its operation conditions are analyzed, the key components of SAHP are selected, which can provide reference for the design and application of SAHP.

new energy; heat load; solar energy; heat pump; operation conditions

1671-6612（2020）06-686-04

TK512

A

賈少剛（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：jsg.lq@163.com

2020-04-16