太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統的試驗研究

楊述星

摘要：選取蘭州地區典型年12月和1月的氣象資料，進行太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統的模擬試驗。研究表明：太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統比太陽能集熱器供暖系統對室內溫度的提升效果明顯;由于熱泵蒸發器的存在，減小了太陽輻射對室內溫度提升速度的影響，有利于維持室內溫度的恒定。所得結果為太陽能輔助空氣源熱泵在建筑供暖系統中的應用提供借鑒。

關鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;供熱

中圖分類號：TK51文獻標志碼：A

0引言

雖然我國大部分地區總體太陽能輻射量大，但輻射情況隨季節的變化大，研發一年四季可用于建筑物的太陽能供暖技術，這對實現節能減排意義重大。

隨著雙碳目標的提出，太陽能在住宅系統中的供暖越來越多的受到了關注。趙金秀等[1]對農宅中太陽能供暖系統與燃煤爐供暖系統進行了測試對比，得出農宅中采用太陽能供暖舒適性和經濟效益都更好。馬文生等⑵對主被動式太陽能暖房進行了現場測試，分析了外保溫、太陽能技術對室內熱性能的影響。卞峰等[3]利用DEST數值模擬軟件對民用建筑中太陽能輔助空氣源熱泵供暖體系的熱負荷效率開展了探討，得出該供暖系統具有很好的經濟性。王宏偉等[4]通過現場試驗提出了太陽能與地源熱泵聯合供暖體系，解決了這兩種體系單獨供暖時各自存在的缺陷。韓喜蓮等[5]提出了一種既能一年四季提供熱水，又能使熱泵系統循環條件得到改善的太陽能-空氣源熱泵體系。羅淑湘等[6]對平谷區一太陽能供暖建筑的能耗情況開展了長期監測，得出太陽能供暖系統可以滿足室內溫度要求。司鵬飛等[7]針對傳統太陽能供暖體系存在的問題，提出了有效太陽輻照度與有效集熱量，分析了拉薩地區的有效太陽輻射照度，并與日平均集熱量計算方法進行了對比分析。高蓬輝等[8]對設計的太陽能供熱系統進行了實驗研究，得出蓄熱式太陽能供暖系統供熱效果較好，針對徐州地區的氣候條件能滿足冬季的供暖要求。

目前，太陽能輔助空氣源熱泵技術在中國逐步進入了應用階段，但在改善熱環境效果方面還有待驗證。筆者通過蘭州地區一太陽能輔助空氣源熱泵暖房的現場測試，分析了太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統的優勢，并對實際應用效果進行了綜合評價。

1測試數據及分析

實驗期持續42 d，跨度為整個采暖期的28%，選取的典型氣象日包括晴天、陰雨天、冬季最冷日，測試數據如下。

1.1晴天

測試時段9：00～17：00，測試數據有：日累計總太陽輻射量H=19.3 MJ/II？、環境溫度片、太陽能集熱量，具體氣象參數如圖1所示。

由圖1知，在接近中午和中午時段10：30～15：00太陽輻射最高，太陽能累計輻射量累計為18.9 MJ/m2，在中午12：00～14：00的時間段內室外溫度最高，溫度達到-7.4℃;該室外溫度狀況占實驗時段的59.5%。

1.2陰雨天

陰雨天測試時段為9：00～ 17：00，測試天氣為小雪。計算機記錄的陰雨天測試數據有：日累計總太陽輻射量H=9.2 MJ/m2、環境溫度、太陽能集熱量，具體氣象參數如圖2所示。

由圖2可得，測試日11：00～15：00的時間段內太陽輻射最高，測得太陽能累計輻射量為9 MJ/m。，中午時段12：30～14：30室外溫度最高，室外平均溫度達到-8.7龍;實驗過程中有13 d類似的溫度狀況。

1.3冬季最冷日

1月3日9：00～17：00開展測試，天氣為陰。記錄的數據有：日累計總太陽輻射量H=12.9 MJ/、環境溫度、太陽能板集熱量，具體氣象參數如圖3所示。

由圖3可得，在10：20-14：50的時間段內太陽輻射最高，測得太陽能累計輻射量為18.9 MJ/m＼在中午時段12：15～13：45室外溫度最高，室外的日平均溫度為;類似的室外熱環境占實驗總共時間的9.5%。

2太陽能集熱板的性能

利用計算機控制系統收集到的太陽能集熱板上的相關數據，對其相關性能開展分析，得到蘭州市太陽能熱泵利用太陽能的狀況及該太陽能集熱設備的利用情況（具體如圖4所示）。從圖4可得，不同氣象條件下，在中午時段11：40～ 14：40太陽能集熱板收集的熱量最高。因而中午3 h的時間段是蘭州市太陽能集熱設備最佳采暖時間，輻射量的大小對集熱量影響最為顯著。

圖5記錄了最冷日太陽能輻射量與集熱器效率隨時間的變化情況。從圖5知太陽輻射量增加時集熱效率隨著增大，中午時段13：15達到最大值0.51，而后隨著太陽能輻射量的降低太陽能板集熱效率逐漸降低，在測試時段的最冷日集熱效率還能達到0.24～0.52，說明該太陽能集熱板相比其他集熱設備在集熱效率上有很大優勢，具有推廣必要性和較高的供暖效率。

3太陽能熱泵無水地暖的性能實驗與分析

在太陽能熱泵無水地暖系統中，熱泵即是循環過程的散熱設備、也是冷凝設備，地板的輻射熱采暖性能高低對整個系統的運行有直接影響。與常規散熱器相比地暖進出口的溫度要低，該較低的溫度狀況大大提高了太陽能熱泵無水地暖系統的供暖效率，節約了能源、降低了能耗。

圖6～ 8給出了在晴天、陰雨天、最冷日氣象環境下太陽能熱泵無水地暖系統采暖過程中的室外溫度、室內溫度及地板表面溫度隨時間的變化情況。對比不同氣象條件的采暖情況，可知在晴天太陽能輻射狀況下地板升溫速度最快，從上午9：00～9：50不到1小時的時段內地板溫度從3.9 ℃升高到20.9℃在最冷日氣候條件下9：00～10：30時段內地板溫度從3.5乞上升到20.1乞?？梢钥闯霾煌瑲庀髼l件下對應的太陽能輻射熱對太陽能熱泵無水地暖地板表面溫度的提升快慢起著絕對的作用。

通過分析晴天、陰雨天、最冷日氣象環境下室內溫度與地板表面溫度的關系，發現地板表面溫度和室內溫度皆隨著室外溫度的升高逐漸上升，并且可以發現升溫過程中地板溫度和室溫的差值保持為定值1～ 3℃;溫度升高達到定值后，太陽能熱泵無水地暖系統的地板溫度和室溫的溫差始終保持在3～ 6 ℃，這是由于室內溫度達到設定溫度后太陽能熱泵無水地暖控制系統降低了運行功率，儲存了部分熱能，以便后續太陽能集熱量下降后為室內的升溫提供保障。

4實驗供暖房熱環境的試驗與分析

通過試驗研究了供暖實驗房熱環境的逐時變化情況（具體如圖9所示），通過室外溫度、室內溫度、圍護結構及供暖實驗房系統消耗電量來反應供暖房熱環境的變化，得到供暖實驗房的需熱負荷和得熱情況，以此得出太陽能熱泵無水地暖的供暖性能（具體如圖10所示）。

從圖9可以看出，實驗房間得熱量的變化與太陽輻射量及環境溫度有關，室外熱環境越惡劣太陽能熱泵無水地暖系統的得熱量越小。太陽能熱泵無水地暖系統開始運行時，實驗房得熱量波動很大，一方面是因為集熱器初始運行中系統工況不穩定導致的，另外初始運行時需要熱量消除太陽能集熱器表面局部結霜消耗了部分熱量。

從圖9和圖10可以發現供暖熱量能夠滿足實驗房的熱負荷。從圖10不同熱環境下采暖房的逐時熱負荷得出蘭州市的熱負荷需求時段集中在早上11：30以前與下午16：30以后，室內熱負荷主要受環境溫度所決定。

5結論

對采暖期一模擬實驗房溫度的變化情況開展研究，得到的結論主要有：

（1）不同室外熱環境下，最冷日太陽能熱泵無水地暖集熱器的效率最高達到51%、最低可達24%，相比一般的太陽能集熱器在冬季建筑物供暖中太陽能熱泵無水地暖具有很大的優勢。

（2）供暖系統啟動后，室內溫度從3℃提升到16℃僅用了44min，太陽能熱泵無水地暖與一般的太陽能供暖系統相比溫度提升速度優勢明顯。

（3）通過對晴天、陰雨天、最冷日太陽能輻射量對供暖系統的影響研究，得出熱泵蒸發器使室內溫度的提升受太陽輻射量的影響減小，這對維持室內溫度的恒定具有重要意義。

參考文獻：

[1]趙金秀，任春立，溫翠玲，等.北方寒冷地區農宅太陽能供暖試驗研究[J].唐山學院學報，2020，32（6）：55-60.

[2]馬文生，劉景東，郭強，等.高寒地區主被動式太陽能暖房熱性能實測研究[J].太陽能學報，2020，41（11）：64-70.

[3]卞峰，梁慧媛，牛蔚然.空氣源熱泵輔助太陽能供暖技術經濟性分析[J].煤氣與熱力，2018，38（9）：19-23.

[4]王宏偉，于鑫.太陽能-地源熱泵系統供暖模式[J]就陽建筑大學學報（自然科學版），2013，29（3）：519-524.

[5]韓喜蓮，朱垚宇，李超，等.太陽能-空氣源熱泵供暖系統研究[J].低溫建筑技術，2018，40（11）：118-120.

[6]羅淑湘，徐晨輝，朱敦智，等.太陽能輔助供暖建筑能耗監測研究[J].建筑科學，2012，28（4）：25-28，81.

[7]司鵬飛，戎向陽，石利軍，等，太陽能供暖的有效集熱量與有效太陽輻照度[J].暖通空調，2020，50（2）：22-28.

[8]高蓬輝，紀紹斌，周國慶，等，太陽能蓄熱式供暖系統的實驗研究[J].節能，2012（2）：39-44.