太陽能-空氣源雙能源復合供暖在嚴寒地區農村住宅中的應用研究

杜永恒，張亞南，楊 蕾，朱俊超

(河南省建筑科學研究院有限公司，鄭州 450000)

0 引言

2020年9月22日，第75屆聯合國大會一般性辯論舉行，在會議上，習近平主席明確表示，中國將努力采取更有效的措施，提高中國對氣候變化的自主貢獻，爭取在2030年達到二氧化碳排放峰值(即碳達峰)，并在2060年實現碳中和[1](下文簡稱為“‘30?60’雙碳目標”)。在國家“30?60”雙碳目標下，清潔供暖的適用范圍更加廣泛，且實施需要本著“安全、高效、清潔、低碳、經濟、智能”的原則。

1)安全：主要是指供暖過程中無事故發生，清潔供暖的第一要求永遠是安全。

2)高效：是指最大限度地利用熱源或保證低碳加熱過程的節能。

3)清潔：是要求供暖對環境產生的不利影響最小化。

4)低碳：是要求供暖的碳排放應盡可能少。

5)經濟：是要求以居民可承受的供暖成本保證其溫暖過冬。

6)智能：是指熱源的選擇應當因地制宜，應本著“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，宜柴則柴”的原則進行選擇[2]，實現供暖過程的能源互補、品位對口、梯級利用、管理智能化。

總體而言，清潔供暖需要以技術可行、能耗低、環境友好無污染、經濟合理的方式進行供暖設計。

目前，村鎮的農村住宅清潔供暖仍是亟待解決的問題，需要充分考慮農村住宅自身供暖需求及特點，選取合適的分布式供暖方式。基于運行成本及便捷性等方面考慮，空氣源熱泵熱風機在中國北方地區冬季供暖中的應用越來越廣泛，成為北方地區農村清潔取暖改造的首選產品，但空氣源熱泵熱風機仍面臨在室外低溫環境下供暖性能衰減、室內冬季取暖效果變差等問題。結合農村住宅本身樓間距較大且具有獨立院子等優勢，部分學者提出將太陽能與空氣源熱泵熱風機相結合來提升低溫情況下空氣源熱泵熱風機的供暖性能。White等[3]對空氣源熱泵-太陽能集熱器復合供暖系統進行了研究，研究結果顯示：與傳統供暖方式相比，該復合供暖系統不僅減少了供暖費用，還使室內溫度始終保持在一個相對穩定舒適的水平。測試期間恰逢英國處于暖冬，該空氣源熱泵-太陽能集熱器復合供暖系統的能效比(COP)為3.99，證明該復合供暖系統在英國用戶家中使用具有積極效果。周光輝等[4]設計了以非同態雙熱源復合換熱器為核心技術部件的太陽能輔助空氣源復合熱泵，并對該裝置的性能進行了研究。研究結果表明：在冬季低溫時，該復合熱泵的供熱性能明顯優于單一空氣源熱泵的供熱性能，在GB/T 7725—2004《房間空氣調節器》規定的環境溫度為-7℃的超低溫工況下，該復合熱泵的制熱量較單一空氣源熱泵的制熱量提高了24%，制熱COP提高了25%以上。

為實現太陽能-空氣源復合供暖，達到嚴寒地區高效供暖的目的，本文提出一種太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置，對該集成裝置的技術原理和控制策略進行介紹，并以嚴寒地區的哈爾濱為例，對該集成裝置的供暖效果進行模擬應用分析。該集成裝置主要為可再生能源在農村住宅中的使用，可克服可再生能源各自的缺點，增加可再生能源利用的可靠性，實現農村住宅的清潔取暖，改善農村住宅的人居環境，同時可為未來可再生能源在村鎮農村住宅的應用發展提供技術支持。

1 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的技術原理

本文提出的太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置是一種結合太陽能與低溫空氣源的雙能源復合高效多功能集成裝置，該集成裝置由帶蓄能芯的熱風型太陽能集熱器(直接式)、低溫空氣源熱泵熱風機(分為室內機和室外機)、風機組成。在冬季時，該集成裝置既可以通過熱風型太陽能集熱器直接給用戶端的室內供暖，又可以將太陽能集熱器作為低溫空氣源熱泵熱風機的輔助熱源，從而提高低溫空氣源熱泵熱風機在冬季供暖的能效，實現能源的互補，滿足用戶冬季的供暖需求，給用戶的日常生活帶來了極大便利。該集成裝置采用熱風型太陽能集熱器，該集熱器帶有蓄能芯，可以解決熱水型太陽能集熱器冬季儲存和防凍的問題，并能延長太陽能集熱器模塊供暖時長。太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的技術原理示意圖如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的技術原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of technical principles of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

2 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的控制策略

本文設計的太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置共有3種工作模式，具體為：

1)工作模式1：熱風型太陽能集熱器單獨運行，即太陽能集熱器模塊直供模式；

2)工作模式2：低溫空氣源熱泵熱風機單獨運行；

3)工作模式3：熱風型太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風機聯合運行。

為了更好地發揮太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置在農村住宅供暖中的應用優勢，綜合考慮提高設備運行性能后，提出該集成裝置的控制策略，具體如圖2所示。當室內溫度低于14 ℃[5]時，啟動太陽能集熱器模塊的風機，熱風型太陽能集熱器的出風溫度大于等于35 ℃時[6]，該集成裝置采用工作模式1運行；熱風型太陽能集熱器的出風溫度小于35 ℃且其與室外環境溫度相差小于5 ℃時，該集成裝置采用工作模式2運行；熱風型太陽能集熱器的出風溫度小于35 ℃且其與室外環境溫度相差大于等于5 ℃時，該集成裝置采用工作模式3運行。

圖2 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的控制策略Fig. 2 Control strategy of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

3 模擬應用分析

為驗證太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置在嚴寒地區農村住宅供暖中的應用效果，本文以哈爾濱地區為例，選取由單明團隊提出的典型農村住宅模型[7]作為應用對象，對該集成裝置的應用效果進行模擬分析，并主要對比分析分別采用該集成裝置供暖與低溫空氣源熱泵熱風機供暖的效果。

該典型農村住宅模型共有3間房，職能房間包括客廳、臥室(考慮廚房一般不需要取暖，因此該模型忽略了廚房)，整個模型為坐北朝南，房間供暖總面積為79.2 m2，高度為3.3 m，屋頂為坡屋頂。該典型農村住宅模型的平面圖如圖3所示。嚴寒地區農村住宅圍護結構的構造及參數如表1所示。

表1 嚴寒地區農村住宅圍護結構的構造及參數Table 1 Construction and parameters of enclosure structure for rural residential buildings in severe cold regions

圖3 某典型農村住宅模型的平面圖Fig. 3 Plan view of a typical rural residential building model

3.1 負荷模擬分析

結合農村住宅冬季供暖室內熱舒適性的需求，充分考慮哈爾濱地區的氣象條件，利用TRNSYS軟件建立該典型農村住宅的熱負荷仿真模型，如圖4所示。

圖4 典型農村住宅的熱負荷仿真模型Fig. 4 Simulation model of heat load of typical rural residential buildings

哈爾濱地區供暖季的時間為10月20日～次年4月20日，共計183天。利用該模型對典型農村住宅的冬季供暖熱負荷進行模擬分析，得到其冬季供暖逐時熱負荷模擬結果，如圖5所示。

圖5 典型農村住宅冬季供暖逐時熱負荷模擬結果Fig. 5 Simulation results of hourly heat load for typical rural residential buildings heating in winter

從圖5可以看出：整個供暖季，該典型農村住宅的逐時熱負荷先升高后降低，供暖逐時熱負荷峰值出現在12月，最大值為10.98 kW，根據完整數據表可知該值對應時間為12月28日的06:00。而供暖初期和末期由于室外環境溫度較高，因此這兩個階段的室內供暖需求明顯降低。整個供暖季該典型農村住宅的平均熱負荷為5.85 kW。

根據模擬結果進行分析，初步選定在供暖季每天11:00～17:00僅采用集成裝置的太陽能集熱器模塊直供模式。根據典型農村住宅供暖季這一時段內的逐時熱負荷得到其負荷指標，如表2所示。

表2 供暖季典型農村住宅的負荷指標Table 2 Load indicators of typical rural residential buildings during the heating season

3.2 選型設計

3.2.1 太陽能集熱器選型

根據模擬得到的供暖季11:00～17:00時段典型農村住宅的平均熱負荷進行太陽能集熱器選型。

直接式太陽能集熱器面積Ac的計算式[8]為：

式中：QH為供暖季時建筑物的熱負荷(即設計負荷)，W；Jτ為當地太陽能集熱器采光面上的日平均太陽輻照量，J/(m2?d)；f為太陽能負荷率，%；ηcd為熱風型太陽能集熱器的平均集熱效率，%；ηL為管路的熱損失率，%，一般為20%～30%，本文取20%。

根據上文進行太陽能集熱器選型，太陽能集熱器安裝傾角應選擇有利于供暖的角度，即安裝傾角需比當地緯度大10°。太陽能集熱器參數如表3所示。

表3 太陽能集熱器參數Table 3 Parameters of solar collector

根據GB 50495—2019《太陽能供熱采暖工程技術標準》中表5.2.4的要求，太陽能集熱器單位面積設計流量為36 m3/h，根據此數據進行太陽能集熱器的風機配置，風機風量為936 m3/h，功率為0.2 kW。

3.2.2 低溫空氣源熱泵熱風機選型

根據供暖季典型農村住宅最大逐時熱負荷進行低溫空氣源熱泵熱風機的選型。低溫空氣源熱泵熱風機在實際工況下的制熱量Q的計算式為：

式中：q為低溫空氣源熱泵熱風機在標準工況下的制熱量，kW；K1為干球溫度修正系數，本文研究嚴寒地區，取0.8；K2為低溫空氣源熱泵熱風機融霜修正系數，本文取0.9[9]。

基于干球溫度修正系數及低溫空氣源熱泵熱風機融霜修正系數修正后的設備選型如表4所示。

表4 低溫空氣源熱泵熱風機選型Table 4 Selection of air heater for low-temperature air source heat pump

3.2.3 空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置

空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置主要用于熱風型太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風機聯合運行的工作模式，即熱風型太陽能集熱器將符合邏輯控制的溫度送入空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置后，連接裝置可將熱風均勻的送至低溫空氣源熱泵熱風機的回風面，提高低溫空氣源熱泵熱風機的回風溫度，從而提高其供暖效果。根據低溫空氣源熱泵熱風機室外機的實際尺寸定制空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置，如圖6所示。

圖6 空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置Fig. 6 Connection device of air source heat pump and solar collector

3.3 計算模型

根據太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的技術原理及控制策略搭建該集成裝置的供暖仿真模型，充分考慮計算準確性及計算時效性，仿真邏輯判別時間設定為0.125 h，該集成裝置的供暖仿真模型如圖7所示，低溫空氣源熱泵熱風機的供暖仿真模型如圖8所示。

圖7 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的供暖仿真模型Fig. 7 Heating simulation model of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

圖8 低溫空氣源熱泵熱風機的供暖仿真模型Fig. 8 Heating simulation model of air heater for low-temperature air source heat pump

3.4 模擬結果及分析

供暖季中太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置逐月輸入室內的熱量如圖9所示。

圖9 供暖季中太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置逐月輸入室內的熱量Fig. 9 Monthly input of room heat of solar-air dual energy composite and efficient integrated device during heating season

從圖9可以看出：供暖季中，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置逐月輸入室內的熱量存在差異，其中1月輸入室內的熱量最多，主要原因在于1月是哈爾濱地區最冷的月份，室內外溫差大，農村住宅供暖的熱負荷增大，導致該集成裝置的供熱量增大；10月及4月輸入室內的熱量較少，主要是因為這兩個月份的室外環境溫度較高且當月的供暖時間較短。

對供暖季分別采用太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置和低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖的情況進行對比分析，不同供暖方式的逐月能耗如圖10所示。

圖10 供暖季不同供暖方式的逐月能耗Fig. 10 Monthly energy consumption of different heating methods during heating season

從圖10可以看出：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的能耗低于低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖的能耗，這主要是因為該集成裝置中太陽能集熱器直供模式的耗電設備主要為風機，耗電量較小。能耗整體分布趨勢與輸入室內的熱量分布趨勢一致，兩種供暖方式的最高能耗都出現在1月，且隨著室外環境溫度提高，兩種供暖方式的能耗差值越大，這是由于室外環境溫度高時，太陽能集熱器接收的太陽輻射量較高，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置采用太陽能集熱器直供模式的工作時間變長，從而減少了該集成裝置的能耗。

供暖季不同供暖方式的逐月制熱COP如圖11所示。

圖11 供暖季不同供暖方式的逐月制熱COPFig. 11 Monthly heating COP of different heating methods during heating season

從圖11可以看出：太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的制熱COP明顯高于低溫空氣源熱泵熱風機的制熱COP，這是因為該集成裝置中的太陽能集熱器直供模式輸入熱量的占比較大且能耗較低。低溫空氣源熱泵熱風機的制熱COP波動較小，整體趨勢為先減小后升高，主要是受室外環境溫度的影響。該集成裝置的制熱COP整體趨勢為先減小后增大，其中4月時最高，達到13.95，主要是因為4月太陽能集熱器直供模式輸入熱量的占比較大，受太陽能資源情況的影響較大。

太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置各供暖模塊的逐月制熱量和逐月能耗分別如圖12、圖13所示。

圖12 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置各供暖模塊的逐月制熱量Fig. 12 Monthly heating capacity of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

圖13 太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置各供暖模塊的逐月能耗Fig. 13 Monthly energy consumption of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

從圖12可以看出：太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置供暖過程中，低溫空氣源熱泵熱風機模塊輸入室內熱量的占比較大，太陽能集熱器模塊輸入室內熱量的占比較小，這主要是因為采用太陽能集熱器直供模式時，熱風型太陽能集熱器的工作時間受日出日落時間限制，且出風溫度要達到大于等于35 ℃才能送入室內。4月時太陽能集熱器模塊輸入室內熱量的占比明顯提升，主要是受太陽輻射量的影響。太陽能集熱器模塊輸入室內熱量占整個集成裝置輸入室內熱量的比例隨室外環境溫度的降低而越低。

從圖13可以看出：太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置供暖過程中，低溫空氣源熱泵熱風機模塊的能耗占比大，太陽能集熱器模塊的能耗占比小，這是因為太陽能集熱器直供模式僅有風機運行，能耗較小。各供暖模塊的逐月能耗變化趨勢與逐月輸入室內的熱量變化一致，而10月及4月由于室外環境溫度較高，導致該集成裝置的整體耗能較少。

整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置不同工作模式的工作時間及其占比如圖14所示。

圖14 整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置不同工作模式的工作時間及其占比Fig. 14 Working time and proportion of different operating modes of solar-air dual energy composite and efficient integrated device throughout the heating season

從圖14可以看出：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置采用太陽能集熱器直供模式(工作模式1)的時間占22.36%，太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風機聯合運行模式(工作模式3)的時間占8.35%，其余69.29%的時間都為低溫空氣源熱泵熱風機單獨運行(工作模式2)。工作模式1的日平均工作時間為5.37 h，工作模式3的日平均工作時間為2.00 h，工作模式2的日平均工作時間為16.63 h。

供暖季典型農村住宅采用不同供暖方式時的供暖參數如表5所示。

表5 供暖季典型農村住宅采用不同供暖方式時的供暖參數Table 5 Heating parameters of typical rural residential buildings using different heating methods during heating season

從表5可知：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的系統總能耗比低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖的系統總能耗降低了2034.8 kWh。

對太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置供暖方式進行能效提升分析，能效提升率η的計算式為：

式中：R0為低溫空氣源熱泵熱風機的制熱COP；R1為太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的制熱COP。

將表5的值帶入式(3)，計算得到η=35.06%，即在哈爾濱地區農村住宅供暖季，太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的制熱COP比低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖的制熱COP提升了35.06%。

4 結論

本文主要針對太陽能-空氣源雙能源復合供暖的應用進行了研究，提出了一種太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置，以哈爾濱地區的農村住宅為例，對其在供暖季的應用進行了分析，并利用TRNSYS軟件對該集成裝置供暖和低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖進行了對比分析，得到的主要結論如下：

1)提出太陽能-空氣源雙能源復合高效集成裝置的技術原理和控制策略，實現了太陽能與空氣源兩種能源更為合理的供暖時段匹配。其中，太陽能集熱器直供模式的日平均工作時間為5.37 h，太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風機聯合運行模式的日平均工作時間為2.00 h，低溫空氣源熱泵熱風機單獨供暖模式的日平均工作時間為16.63 h。

2)整個供暖季，該集成裝置的系統總能耗比低溫空氣源熱泵熱風機的系統總能耗降低了2034.8 kWh。

3)該集成裝置的制熱COP比低溫空氣源熱泵熱風機的制熱COP提升了35.06%。