太陽能-空氣源熱泵復合系統供暖性能研究

汪青青，王芳，劉登輝，王宇翔，何澤輝

（200093 上海市 上海理工大學 制冷及低溫研究所）

0 引言

建筑節能對于我國節能減排戰略具有重要意義。建筑節能需要因地制宜、順應地區氣候條件。傳統的集中供暖環境污染嚴重，資源利用率低，且上海地區缺少基礎的供暖管網系統，無法復制北方集中式供暖模式[1]。將太陽能集熱和空氣源熱泵有機結合，可避免單一太陽能利用受氣候環境影響，也改善了空氣源熱泵在環境溫度低時性能降低的弊端[2]。

太陽能熱利用的先驅者Jordan 和Therkeld[3-4]指出太陽能和熱泵聯合運行可以同時提高太陽能集熱器的效率和熱泵系統性能；Freeman[5]等人利用TRNSYS 軟件對串聯式、并聯式和混合式3 種非直膨式太陽能熱泵系統進行模擬研究。結果表明，在以空氣作為熱泵熱源的情況下,并聯式太陽能熱泵系統可能是最實用的系統，熱性能更優越；Poppi[6]等從經濟角度分析了太陽能與空氣源熱泵聯合運行系統的可行性，重點指出以太陽能和蒸汽壓縮循環產生的余熱來提高系統性能，該系統在制冷模式下相較傳統技術可節省50%～60%的能量，在制熱模式下，能耗則降低了3～4 倍。天津大學的趙軍[7]等設計搭建了串聯式太陽能熱泵熱水系統，運行結果表明，可滿足全年50 ℃的熱水供給，COP 在冬季可達2.64～2.85，夏季達到2.61～3.5；黃紫祺[8]等構建了一種直膨式太陽能空氣源復合熱泵系統。系統可滿足冷暖聯供，即在不同工作模式下產生熱水和冷凍水，其中在冬季，系統制生活熱水平均COP 為4.32。杜海存[9]等把空氣源熱泵、太陽能系統和地板輻射采暖結合，搭建一套太陽能-空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統，并在甘肅蘭州地區進行實驗，系統在晴天、陰天和雪天3 種天氣運行的平均COP 分別為3.4，2.6，3.1。室溫在20 ℃左右波動，故可滿足室內供暖和舒適性需求。

本文針對輻射地暖與風機盤管兩種不同供暖末端進行實驗對比，通過具體數據體現使用不同末端時房間內溫度情況，結合模擬證實可靠性，在上海地區進行太陽能、熱泵單獨供暖以及兩者聯合供暖實驗，對比各模式下的溫度變化和能量消耗，探尋太陽能熱泵復合系統在供暖時期的性能特性。

1 實驗原理及工作模式

本文設計的太陽能熱泵復合系統原理圖如圖1 所示，由太陽能集熱部分、空氣源熱泵以及室內換熱末端3 部分構成。選用非直膨并聯形可以保證熱泵模塊的相對獨立，具有更高的能效[10-12]，且并聯式系統對熱泵改動少，便于維護和修理。太陽能集熱模塊由太陽能集熱器、電磁閥、變頻循環泵和太陽能集熱水箱組成，空氣源熱泵主要由變頻壓縮機、四通換向閥、翅片管換熱器、電子膨脹閥以及內含換熱器的熱泵集熱水箱構成，主要作用是在太陽輻射不足的條件下完成制熱蓄熱供熱。此外，在供冷工況下通過四通換向閥改變制冷劑流向，從而實現制冷蓄冷供冷。室內換熱末端模塊主要由地暖盤管、風機盤管以及變頻循環泵構成，主要作用是完成與室內換熱工作，達到供暖供冷的目的。

圖1 太陽能空氣熱泵復合系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar assisted air-source heat pump system

依據GB/T 50364《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》，選取全玻璃真空管式集熱裝置，選用50 根規格為 58 mm×1 800 mm 的集熱管，收集總面積約17 m2，安裝角度30°。根據房間負荷計算并考慮熱損耗、熱儲存等實際情況，系統制熱量和制冷量不低于3 000 W，擬制取最低7 ℃、最高55 ℃的水溫，決定系統冷凝溫度取60 ℃、蒸發溫度取5 ℃，制冷工質R410A，參考相關設計標準并結合實際情況，得到設計制熱量3 600 W,理論輸氣量0.64 L/s，制冷劑流量0.021 kg/s。

系統有太陽能供暖、熱泵供暖以及聯合供暖3 種工作模式。太陽能模塊供暖模式：包括集熱水箱預熱模式和供暖模式，通過循環泵使水在集熱器和集熱水箱間循環流動從而加熱水箱，當水箱達到一定溫度時，開啟水箱與地暖盤管或風機盤管間的循環進行供暖；空氣源熱泵模塊供暖模式：進行熱泵循環，所生成的熱量通過集熱水箱內的換熱器（冷凝器）釋放加熱水源，進一步通過循環泵完成集熱水箱與地暖盤管或風機盤管間的熱水循環，實現供暖；聯合供暖模式：在有一定太陽輻照但不足以滿足供暖溫度需求時啟動該模式，先以太陽能集熱供暖，熱量缺口以熱泵模塊填補，相互配合完成供暖。

2 換熱末端對比

2.1 實驗對比

以空氣源熱泵作為供暖熱源時，有如圖2 所示的2 種常見的換熱末端：風機盤管和地暖輻射。風機盤管預熱速度快，但是房間溫度分布不均勻，氣流擾動劇烈，人體熱感覺差；地暖輻射時房間溫度分布均勻，人體熱感覺良好，但是房間預熱升溫速慢。在本實驗中，地暖盤管選取外徑為16 mm 的PE-X 管，采用單路回字式排布方式，管路間隔150 mm，管路總長50 mm。地暖結構由下至上依次為隔熱板、反射膜、地暖盤管、混凝土填充層、硅酸鹽水泥找平層以及瓷磚地板。風機盤管選取吊頂暗裝3 排盤管式，可實現3 擋風量，分別為680，520，380 m3/h，在流量為0.201 L/s 工況下，額定制冷量和額定制熱量分別為4 170，6 680 W。由于房間結構不宜暗裝，故為風機盤管設計風道，風道材質為聚苯乙烯硬泡沫板，風道進風口和回風口位于房間同面兩側高2.2 m 處，風道參數2.75 m×0.78 m×0.2 m。

圖2 不同供暖末端實物圖Fig.2 Different heating terminals

如圖3 所示，假定當房間0.9 m 處溫度維持在21 ℃時，視為房間預熱完成，此時，風機盤管進回水溫差維持在2 ℃左右，進回風溫差維持在5℃ 左右，5 個室內測點中最高溫度24.5 ℃，最低溫度18 ℃，溫差約為6.5 ℃。而地暖穩定在同樣工況下時，高低處溫差維持在1.6 ℃，地暖進出口溫差維持在4 ℃。

圖3 房間不同高度溫度Fig.3 Room temperature at different heights

2.2 模擬對比

選取實驗當日室外氣溫為7 ℃、室內初始氣溫為12 ℃，其他設置如地暖進水溫度、風機盤管出風溫度也靠近實驗設定值，房間初始溫度為285 K,各家具壁面視為絕熱，房間壁面厚度50 mm，導熱系數0.068 W/(m2·K)，對流換熱系數23 W/(m2·K)，外界環境溫度280 K；無地暖時地面邊界設絕熱壁面，有地暖時,地面邊界與上方空氣形成流固耦合開啟Coupled 模型；風道初始風速2 m/s，預熱完成后為1 m/s。水管壁面溫度308 K。

模擬結果如圖4 所示。由房間內部整體溫度場可以看出，當使用地暖供暖時，房間的整體溫度基本全部在18℃以上，且只有房間邊緣處靠墻壁溫度較低，在地暖盤管正上方的人體活動區，地面被加熱到26 ℃，房間空氣被加熱到20 ℃以上，達到人體需求的溫度范圍；當使用風機盤管時房間內出現溫度分層現象，房間上半部分空氣已被加熱到26 ℃以上，最底部卻只有18 ℃，溫度梯度明顯比地暖輻射供熱要大，出現此現象的原因是熱空氣無法到達房間下部，改進辦法是通過導風柵使出風方向更向下，或將出風口朝向人體活動區，但這無法改變熱空氣向上浮升的本質，且會增加人體的吹風不適感。

圖4 供暖時實驗房間溫度場Fig.4 Room temperature distribution with radiant

圖5 表示的是高度在1.2 m 的平面上的溫度分布圖。可以看出，當使用風機盤管供暖時，房間內的溫度分布不均勻，人體舒適感差；而使用地暖供暖時，雖然整體溫度比風機盤管的低，但是都處在人體舒適范圍（20～21.5℃）。

圖5 供暖 Z=1.2 m 處房間溫度分布Fig.5 Temperature distribution in Z=1.2 m with radiant

3 不同供暖模式

3.1 太陽能供暖

實驗當日室外平均氣溫約為8 ℃。實驗從早8 點開始，首先將真空管集熱器經太陽悶曬2 h 加熱內部水，然后打開循環泵啟動太陽能+地暖末端供暖模式，系統實測循環流量為0.58 m3/h。穩定后,測得集熱水箱溫度35 ℃，地暖出口溫度25 ℃。

圖6 顯示了實驗時間內被測房間平均溫度隨時間的變化。8 時～10 時房間雖還沒有供熱，但因室外氣溫的升高、太陽輻射進窗、室內設備運行等因素，房間溫度升高，10 時開始供暖循環，12 時房間內溫度已高于18 ℃，基本滿足房間供暖需求。13 時后,房間溫度逐漸平緩，隨后趨于緩慢下降。

圖6 一天內房間溫度變化Fig.6 Room temperature changes within a day

由太陽能單獨供暖實驗得出35 ℃的地暖進水可以滿足房間供暖需要，但要先有一定蓄熱量才適宜加入系統。水箱中溫度應不低于35 ℃，當需要穩定供熱時，應啟動熱泵輔助或單獨供暖。

3.2 熱泵供暖

在同樣的環境溫度下進行熱泵的供暖實驗。控制地暖進水溫度同樣為35 ℃運行2 h，由圖7表示的初始加熱水箱消耗功率隨加熱水溫的變化趨勢可以看出，因水溫升高導致系統冷凝溫度冷凝壓力升高，壓縮機耗能增加。在整個期間熱泵的耗能參數如表1 所示。

圖7 加熱水箱消耗功率Fig.7 Power consumption of heating water tank

表1 熱泵運行耗能參數Tab.1 Energy dissipation parameters of heat pump operation

3.3 聯合供暖

太陽能供暖適合于晴朗的上午10 時左右開啟，至下午4 時左右，太陽輻照度減弱不能維持室溫時開啟熱泵供暖，直到次日10 時，這樣可以最大程度地利用能源減少能耗。

實驗當日天氣多云，室外溫度最高9 ℃，最低3 ℃。實驗從當日8 時持續到次日8 時。由于本熱泵機組有設定溫度后自動啟停的控制邏輯，即水箱達到設定溫度時熱泵會停止工作，水箱溫度不足時會開始工作，故采用太陽能集熱器和熱泵兩熱源同時加熱熱泵集熱水箱，使整個供暖過程更流暢，本次實驗熱泵加熱溫度設定在35 ℃，太陽能集熱器9 時～16 時工作。

圖8 為不同位置溫度隨時間的變化趨勢。房間初始平均溫度11 ℃，到13 時，房間平均溫度升至22 ℃，之后緩慢下降，5 時為19 ℃，而地面溫度穩定后維持在28 ℃基本不變。水箱溫度先升后降，在13 時可達38 ℃，這是由于此時間段內集熱器集熱效果好。水箱內的熱量在不同時間內是來自不同熱源的，如在早上和傍晚，熱泵貢獻的熱量要大于太陽能，而在晚上則是完全由熱泵供熱，在太陽輻照充足的中午前后，集熱器則貢獻了大部分甚至全部的熱量。而地暖出水溫度和進水溫度溫差維持在8 ℃左右，在午夜溫差逐漸增加，這是由于室外溫度降低導致室內熱量需求增加，吸收地暖盤管熱量導致出水溫度下降。

圖8 不同位置溫度隨時間變化Fig.8 Temperature at different locations varies with time

圖9 為實驗不同時刻系統耗電量。10 時～15時太陽能提供熱量，沒有耗能，其余時刻由熱泵輔助或者完全提供熱量，隨著環境溫度的降低熱泵耗能逐漸增高，總耗能8.8 kW·h，故在實驗工況下完成對房間的全天供暖，計算得到每平米需耗能0.6 kW·h。

計算得到本次實驗熱泵貢獻熱量84 680 kJ，太陽能貢獻熱量38 500 kJ，熱泵單獨工作運行COP 為2.67，系統COP 為3.89，太陽能保證率為31.7%。

為比較該系統在不同天氣條件下性能及經濟性，選擇4 種不同天氣運行該系統進行供暖，上海市目前居民用戶第一電價為：波峰期（6 時～22 時）0.617 元/kW·h；波谷期（22 時～次日6 時）0.307 元/kW·h，對比結果見表2。

表2 不同工況下系統性能及經濟對比Tab.2 System performance and economic comparison under different working conditions

因被測日室外氣溫不同，熱泵用電谷期能耗有輕微的浮動。由表可知，太陽能熱泵復合系統供暖費用是熱泵獨立供暖費用的57.1%，聯合供暖相較熱泵單獨供暖在經濟性上有著明顯的優勢，除此之外，聯合供暖系統COP 也比熱泵單獨供暖COP 有明顯的上升，這充分證明了系統運行時的節能性、經濟性和高效性。

4 結論

本文在上海地區搭建了一套太陽能空氣源熱泵復合系統，供暖時針對不同的換熱末端進行了實驗對比，使用地暖盤管時的最大溫差比使用風機時最大溫差小5 ℃，并經過模擬驗證得出地暖輻射具有更優越的熱舒適性；太陽能熱泵聯合供暖時COP 由熱泵單獨供暖的2.67 提升至3.89，聯合供暖費用是熱泵獨立供暖費用的57.1%。在對比不同天氣下均證明，該系統在上海地區運行的可行性和經濟節能性為長三角地區供暖模式提供新的策略。