北方农宅双热源热泵与太阳能联合供暖系统分析
国网山东节能服务有限公司 牛蔚然 魏姗姗 梁慧媛
山东建筑大学热能工程学院 刘冉冉 刁乃仁
摘 要：针对我国北方地区的气候特点，提出了双热源热泵与太阳能联合供暖系统形式，建立了双热源热泵与太阳能联合供暖系统及其太阳能集热器、蓄热水箱等主要装置优化设计方法。以济南某农宅为例，分析了该农宅采暖季的所需热负荷，与原有煤炉采暖+太阳能热水器供热水方案进行比较，新系统运行费用大大降低，具有良好的环境效益，系统的投资回收期为6.7年,节能率为58%。通过TRNSYS模拟蓄热水箱的出水温度更加证实了该系统运行的可行性。
关键词：双热源热泵；太阳能；北方农宅；供暖
0 引言
近些年来北方城市的供暖得到了越来越好的发展，然而北方的农村地区供暖问题却一直停滞不前，还是采用较为传统普通煤炉进行采暖，卫生条件较差，生活质量得不到提升，而且长期的燃煤取暖造成了室外空气质量越来越差，也是造成雾霾天气的“真凶”之一 [1]。 因此，寻求一种适用于农村且节能、环保供暖方式是农村供暖问题的关键所在。
冬季采暖化石能源燃烧是导致雾霾的主要原因之一，因此改变北方农村传统的采暖方式–“煤改电”是改善空气质量的必经之路。然而如果直接用电进行取暖，直接将高品位电力转化为低品位热量则会浪费资源。利用可再生能源进行供暖是暖通空调领域的重要方向， 也是研究热点之一 [2]。其中采暖常用的可再生能源主要包括太阳能，浅层地热能，空气能等，由于北方天气的一些特征，这些能源在单独使用时会出现如下一些问题：
（1）太阳能在北方地区较为丰富，也在该地区进行大量使用，但是由于北方冬季较为寒冷，如果仅采用太阳能作为热源来为农宅进行供暖，则会导致集热器面积过大，首先并没有大量空间进行摆置，其次集热器的价钱较为昂贵，经济性不强。而且，太阳能对于气候条件的依赖性过大，容易受到自然条件以及天气条件的影响，图1为山东济南地区5个典型日日平均逐时辐射强度，由此可以发现太阳能的辐射强度是不稳定的，因此单一太阳能热源进行采暖缺乏良好的经济性和技术性，不可采用。
图1 山东济南地区5个典型日日平均逐时辐射强度
（2）由于北方农宅主要以供暖为主，地源热泵系统在使用期间，会因为冬季取热与夏季放热的不平衡问题而造成的土壤温度的变化，以至于在以后的几年中可能出现供热能力下降的结果[3]。而且地源热泵系统由于初投资较高、系统较为复杂、维修困难，因此难以在北方农宅中进行推广、宣传和使用。
（3）在北方冬天最冷温度经常会达到-10℃以下，因此采用单一的空气源热泵系统会经常出现空调压缩机的压缩比急剧升高，会出现结霜、运行效率下降等一系列问题。因此在北方推广单一的空气源系统也是不可行的。
基于上述所讲的单一可再生能源对于北方农宅运行的不可行性，由于太阳能可以很好地保障农宅用户的生活热水的需求量，同时结合热泵的供暖效果，本文将二者有机结合起来并利用蓄热水箱的储热作用，提出了一种适用于北方供暖的系统形式–双热源热泵与太阳能联合供暖系统。
相比较单一的冷热源，双热源热泵与太阳能联合供暖系统实现了太阳能、水能、空气能的优势互补。太阳能集热器对于蓄热水箱的季节性蓄热，减小了热泵机组在冬季的运行时间，节约能源；热泵机组在阴天时候对蓄热水箱的蓄热功能，保障了农宅用户一年四季的供暖需求；空气源热泵从空气中充分吸取热量，大大减少了太阳能集热器以及蓄热水箱的体积，降低了太阳能集热器的初投资费用；水源热泵系统的使用，改善了机组的制热性能系数[4]，提高了换热效率，解决了空气源热泵在供暖工程中容易结露，换热效率低的难题，使得煤改电的策略得以顺利进行。
1 系统原理与构成
图2为农宅家用双热源热泵–太阳能联合供暖系统示意图，其中包括：热泵机组，太阳能系统以及用户侧装置。太阳能系统连接热泵机组以及用户侧装置，太阳能系统包括太阳能集热器、蓄热水箱以及太阳能–蓄热水箱侧盘管。蓄热水箱内部有两个盘管为其进行加热，一个为太阳能–蓄热水箱侧盘管，另一个为蓄热水箱–末端侧盘管。其中蓄热水箱–末端侧盘管为蓄热水箱与末端或者是空气源热泵与蓄热水箱换热的加热盘管。热泵机组包括热泵冷凝器、热泵压缩机、热泵膨胀阀和热泵空气源蒸发器、热泵水源蒸发器，其中两个蒸发器为并联布置，因此该热泵为双热源热泵机组。用户装置的末端设备既可以为风机盘管系统，也可以为地暖系统。
热泵机组与用户装置由温控阀与室外温度进行控制，当温控阀低于某一设置温度时，则开启冷却空气的蒸发器的空气源热泵系统；当室外温度低于某一设置温度的时候，则自动开启冷却液体载冷剂的蒸发器的水源热泵系统。
图2 系统示意图
1–热泵冷凝器；2–热泵压缩机；3–热泵膨胀阀；4–热泵空气源蒸发器；5–热泵水源蒸发器；6–太阳能集热器；7–蓄热水箱；8–太阳能-蓄热水箱侧盘管；9–蓄热水箱-末端测盘管；10–补水管；11–生活热水给水管；12–末端设备
2 系统运行模式
该系统通过阀门之间的转换，实现了多种运行模式，具有全年性、多功能性等特点，通过对这些阀门的控制可实现6中运行模式，，共有两种供生活热水模式，三种供热模式，1种制冷模式。
（1）模式1：太阳能供生活热水模式，晴天时太阳光照充足，太阳能集热器将、从太阳中汲取的能量转化为热能，通过太阳能–蓄热水箱侧盘管对蓄热水箱进行储存热量并保存在水箱之中，通过生活热水给水管供给用户生活热水。
（2）模式2：热泵供热水模式，当连续阴雨天气出现时，仅依靠太阳能加热蓄热水箱无法满足用户的生活热水的需求时，水源热泵作为辅助热源加热蓄热水箱供给用户生活热水。此时阀门V1、V2、V4、V6、V9、V10开启，V3、V5关闭。
（3）模式3：冬季蓄热供热模式，初冬供暖状态：当室内温度低于18℃并且蓄热水箱中的温度高于50℃时，此时室外温度不是特别低，室内所需热负荷不高，蓄热水箱可以直接通过蓄热水箱–末端测盘管对室内进行供暖，仅仅依靠蓄热水箱就可以完全承担室内负荷。此时阀门V7、V8开启，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V9、V10关闭。
（4）模式4：冬季空气源热泵供热模式，当室内温度低于18℃并且蓄热水箱中的温度低于50℃，室外温度高于-5℃时，空气源热泵自动开启，通过吸收环境空气中的低位热能，利通过少量电能驱动压缩机运转进行供暖，从而满足农宅冬季采暖的需求。此时阀门V1、V2、V3、V5开启，阀门V4、V6、V7、V8、V9、V10关闭。
（5）模式5：冬季太阳能、热泵联合供热模式，当室外冬季温度低于-5℃时，鉴于在低温环境下，空气源热泵可能会出现结霜、运行效率下降等一系列问题，而采暖效果不佳。则开启阀门V1，V2，V4，V6，V9，V10，关闭阀门V3，V5，V7，V8，使得热泵的热源转变为蓄热水箱中的热水，使得热泵机组可以在较高的温度下运行，进而使制冷剂在相对较高的温度中吸热蒸发，提高供暖效果，保证室内温度。
（6）模式6：夏季空气源热泵供冷模式，在夏季太阳能集热器与蓄热水箱组成一套循环系统为农宅用户提供生活热水，空气源热泵单独为农宅供冷。
3 系统设计计算
（1）太阳能系统集热器面积计算
平板太阳能热水系统主要有两种系统，一种是直接式系统如图3，一种是间接式系统（又称为二次循环系统）如图4。该供暖系统采用的是间接式系统。
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| 图3 直接式系统 | 图4 间接式系统 |
集热器面积按照《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB 50494–2009）3.3.3中规定进行计算。
直接系统太阳能系统集热器面积：
式中：Ac为系统集热器总面积（m2）；QW为日均用水量（kg）；tend为所需热水温度（℃）；t1为冷水温度（℃）；C为水的定压比热容（kJ/(kg·℃)）；JT为济南地区釆暖期在集热器安装倾斜面上的平均日太阳辐照量，13.167J；f为太阳能保证率（%），按工程经验取30%；ηcd为系统使用期的平均集热效率，根据经验取值宜为0.2~0.5，系统设计采用U型管集热器，集热器的平均集热效率根据工程经验取50%；ηL为贮水箱和管道的热损失率，根据经验取值宜为0.2~0.30，本次取值0.2。
间接系统太阳能系统集热器面积：
式中：AIN为太阳能间接系统集热器总面积（m2）；UL为集热器总热损失系数（5W/(m2·℃)）；Uhx为换热器传热系数（3090.2W/(m2·℃)）；Ahx为太阳能间接系统换热器换热面积（m2）。
（2）水箱体积设计计算
水箱的体积计算为：
式中：AC为集热器轮廓面积（m2）；q为冬季单位面积太阳能辐照量（MJ/m2）；CP为水的定压比热容，CP=4.18kJ/(kg·℃)；ρ为水的密度（kg/m³）；tend为储热水箱内上限温度（℃）；tst为储热水箱初始温度（℃）。
（3）热泵机组及其他选型
热泵机组按照室内最大热负荷进行选型，应满足太阳能集热器不工作的时候房间的供暖需求；换热盘管 、循环泵的选型由太阳能集热器面积以及机组的大小计算确定。由于模式④一般运行在供暖初期，所以9–蓄热水箱–末端测盘管按照最大热负荷的50%选取。
为考察双热源热泵–太阳能联合供暖系统在北方地区应用的可行性，本文选取山东济南某农宅作为研究对象，其中图5为济南基本气候情况（据1971~2000年资料统计）。由图可发现济南的平均最低气温出现在1月，约为0℃左右，其中最冷天气的气温约为-15℃。
图5 济南基本气候情况
在济南的农宅占地面积159m2，供暖面积100m2左右，供暖建筑布局如图6所示。当地供暖期为11月15日至次年3月15日，共120天。图7是通过软件模拟该农宅供暖时期逐时单位面积空调负荷，由图可以看得出来，该农宅的最大热负荷为指标为55w/m2，总负荷为5.5kW，出现在 1月，其中在初冬时候即11月15日~12月左右负荷为30w/m2，总负荷为3kW，约占最大热负荷的55%。
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| 图6 济南市某农宅供暖建筑图 | 图7 供暖时期逐时单位面积空调负荷 |
系统中的主要设备型号参数及其初投资见表1。
表1 主要设备型号参数及其初投资
为了考察双热源热泵–太阳能联合供暖系统的经济性与节能性，以北方农宅原有普通煤炉+太阳能热水器的方案进行比较，该方案的初投资由土煤炉燃煤费用与太阳能热水器的费用共同组成。其中普通煤炉的费用为2700元，家用太阳能热水器的费用为1500元，合计4200元。
表2比较了双热源热泵–太阳能联合供暖系统与普通煤炉+太阳能热水器的方案的经济性，其中方案1为双热源热泵–太阳能联合供暖系统，方案二为土煤炉+太阳能热水器的采暖方式。由对比结果可知，虽然方案一的初投资看起来比方案二的初投资要高很多，但是方案二还需要立式空调来为农宅进行制冷效果，所以方案二的初投资并没有表中显示的这么少；而且相比较运行费用，方案一的运行费用极低，仅需要6年多的时间甚至更短的时间就可以达到投资回收。因此在北方农宅采用双热源热泵–太阳能联合供暖系统的经济性良好。
表2 经济性比较分析
表3比较了两种方案的节能性，在农宅冬季采暖采用第一种方案为热源耗电量kW·h。1kW·h折合标准煤0.36kg,该采暖方式折合标准煤（kg）；采用第二种方案为热源消耗4168.1kg，折合标准煤3288.6kg。由对比结果可知，方案一的节能效果良好，达到了58%，减少了CO2、SO2 以及烟尘的排放量，为治理大气污染做出了巨大贡献，达到了“煤改电”的主要目的。
表3 环境性比较分析
4 基于trnsys对蓄热水箱全年的运行温度进行模拟
为了考察蓄热水箱在该系统下的出水温度，以济南的标准天气气象参数连续运行至系统达到稳定运行后，利用trnsys软件进行模拟，给出了室外温度（图8）在全年的温度变化趋势、太阳能集热器与热泵机组的出口温度（图9）以及蓄热水箱的出口温度（图10）的全年温度的变化。
图9为太阳能集热器与热泵机组的出口温度变化趋势，其中红色区域代表热泵机组的出口温度，黑色区域代表太阳能集热器的出口温度。可以明显的看出太阳能集热器所加热热水的出口温度在冬季的部分时间在0℃以下，当仅靠太阳能集热器对蓄热水箱进行蓄热时，不能满足用户的用水需求。热泵机组的出水温度即使在冬季也可以达到30℃以上，加热需热水箱完全没有问题。因此热泵与太阳能的联合供暖，既能保证供暖的高效性，又能满足农宅全年的供热水需求。图10为蓄热水箱一年的水温变化，其中该水箱分为4层，各层水温的变化走向与室外温度变化相一致，其中冬季与夏季的最顶层与最底层的温差较大，但即使在1月份最低层水温也在30℃以上，对于初冬需热水箱直接对农宅进行供暖是完全没有问题的。
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| 图8 农宅全年室外温度变化 | 图9 太阳能集热器与热泵机组的出口温度 |
图10 蓄热水箱温度变化曲线
5 结语
北方农宅双热源热泵-太阳能复合供热系统是在太阳能集热系统和热泵系统基础上进行改进的和完善的。该系统有效解决了空气源热泵在低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷，系统COP较传统的热泵系统高，使用寿命较长；将太阳能和空气能等绿色新能源有机结合，在保证供暖要求的同时，只使用少量的电能，具有良好的经济效益和节能、环保效益，对环境的污染危害大大降低，环保节能。
参考文献
[1]雾霾成因之一：供暖结构和消费模式不合理,供冷制热,2015.
[2]王玉超,可再生能源再暖通空调中的应用[J].产业论坛,2015,28:416.
[3]曹馨雅,地源热泵系统冷热负荷不平衡对土壤温度的影响[D].上海:东华大学,2012.
[4] Ahmet Caglar,Cemil Yamal.Performance analysis of a solar-assisted heat pump with an evacuated tubular collector for domestic heating[J].Energy and Buildings 54 (2014):22–28.
[5]周新龙,多能源复合采暖空调系统设计[J].科技,2016,71:74.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年3月刊总第19期。
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