太陽能-熱泵聯合供暖系統的實驗與模擬研究

王啟迪 劉劍

太陽能-熱泵聯合供暖系統的實驗與模擬研究

王啟迪 劉劍

上海交通大學制冷與低溫工程研究所

本文提出了一種用于住宅采暖和提供生活熱水預熱的太陽能與熱泵聯合供熱系統。以上海地區一實驗住宅為應用對象搭建了該實驗系統，對該系統進行了性能測試。在此基礎上，運用TRNSYS軟件建立了系統模型，對該系統的地區適應性進行了分析。結果表明：在環境平均溫度為10.8℃的實驗工況下，系統的性能參數COPS能夠達到8.8；該系統在北京、上海和贛州三個氣候不同的地區都能達到較高的太陽能保證率，其中北京地區為63.3%。

太陽能熱泵采暖

0引言

能源是經濟社會發展的重要制約因素,在目前的能源消耗中，建筑能耗約占社會總消耗的27.8%；并且隨著人們生活水平的日益提高，這一比例仍將持續增高[1]。在建筑冬季能耗中，80%以上的能源用于供暖和生活熱水的供應[2]。因此，在滿足人們生活需求的情況下，研究減少建筑供暖所消耗的常規能源有著巨大的社會和經濟效益。目前，太陽能與建筑相結合已成為建筑節能的主要方向[3～5]。就太陽能的熱利用而言，除了可以提供生活熱水還可用于采暖。而且我國有豐富的太陽能資源，有2/3以上地區的年太陽輻照量超過5000MJ/m2[6]，因此太陽能供暖系統在我國將有非常好的適用性。但由于太陽能本身具有能量密度低和波動大的特點以及集熱器安裝面積的限制，現有的太陽能采暖-熱水聯合系統大都需要配備較大的蓄熱水箱和輔助熱源，來保證熱量的穩定供給[7]。因此，在輻照較差時需要消耗較多的電能或化石能源來維持蓄熱水箱的溫度。為此，很多學者提出了太陽能和常規熱泵相耦合的太陽能熱泵，其性能相對于單一的太陽能采暖系統有很大改善[8]。

本文提出了一種太陽能與空氣源熱泵相聯合的采暖系統，通過太陽能集熱系統和熱泵的切換運行來保證熱量的穩定供給。文章搭建了實驗系統，并對其進行實驗研究。此外，文章建立了系統的仿真模型，對該系統在不同氣候區的適用性做了模擬分析研究。

1 實驗系統

1.1系統的構成及原理

太陽能與熱泵聯合采暖系統的原理圖如圖1所示。該系統主要由太陽能集熱器陣列、熱泵、蓄熱水箱、工作水箱和室內風機盤管構成。系統以蓄熱水箱的水溫為控制條件，運行不同的熱源供熱模式，從而滿足室內的采暖和生活熱水的需求：當輻照良好，蓄熱水箱2中部的水溫大于45℃時，三通換向閥4和6聯動切換到太陽能集熱器側，運行太陽能供暖模式；當輻照較差，預熱水箱和工作水箱的水溫都低于45℃時，三通換向閥4和6聯動切換到熱泵側，運行熱泵供暖模式。為避免水泵的頻繁啟停造成設備的損壞及系統的不穩定：太陽能集熱系統中的循環水泵3采用溫差循環控制，即當太陽能集熱器的出口水溫和預熱水箱底部的溫差達到8℃以上時，循環水泵3開啟，當兩者溫差小于4℃時，循環水泵3停止運轉；在熱泵供暖模式下，當工作水箱8的水溫低于45℃時，熱泵開始運行，當工作水箱8的水溫達到50℃時，熱泵停止運行。室內的采暖由工作水箱中的熱水經過風機盤管散熱來實現。圖中9為混水閥，用于將經過工作水箱加熱的熱水和市水相混合，以提供40℃左右的生活熱水。

圖1太陽能與熱泵聯合采暖系統原理圖

1.2實驗系統的搭建

本文所提出系統是搭建于上海地區的一套示范住宅。該住宅的總面積為90m2，其布局簡圖如圖2所示，住宅的東立面、南立面以及北立面為外墻，西立面及地面與其他住宅區域相鄰，臥室A和臥室B的面積分別為19.2m2和16m2，衛生間的面積為5m2，儲物間的面積為3m2。

圖2實驗住宅布局圖

該實驗系統的太陽能集熱器采用帶反射面的真空管集熱器。集熱器陣列（圖3）的總面積為40m2，安置位于實驗住宅的屋面，南向放置，安裝傾角為30°。為了充分利用太陽能集熱系統的得熱量并避免單一水箱升溫慢及熱泵運行負荷過大等問題，實驗系統采用雙水箱，其中蓄熱水箱的容積為500L，水箱的中部和底部設有溫度傳感器，頂部設置工作壓力為7bar的安全閥以防止系統過熱。工作水箱為容積300L的搪瓷圓柱水箱，具有較好的保溫和分層效果。實驗系統中所采用的熱泵的額定制熱量是6kW，其中壓縮機和風機的額定輸入功率是2kW。熱泵的熱水流量設定為0.9m3/h，在這一流量下，其COP隨環境溫度的變化情況如圖4所示。

圖3太陽能集熱器陣列

圖4熱泵的制熱COP隨環境溫度的變化

末端風機盤管的性能參數如表1所示。

表1風機盤管參數

2實驗結果及討論

2.1系統性能參數

本文的實驗系統主要有太陽能保證率和系統COPS兩個性能參數。其中，太陽能保證率f是太陽能提供的熱量和系統總熱負荷的比值，其計算公式如式（1）所示：

式中：QSC為太陽能集熱系統的總得熱量，kJ；Qload為系統的總熱負荷，kJ。

系統的能效比COPS是整個系統的總得熱量和總電耗的比值，其計算公式如式（2）所示：

式中：Q為系統總得熱量，包括太陽能集熱系統的得熱量和空氣源熱泵的制熱量兩部分，kJ；W為系統總電耗，kJ。

其中，系統的總得熱量為實驗開始至結束時預熱水箱和工作水箱的熱能增量和室內風機盤管的散熱量之和，總電耗為空氣源熱泵、水泵及室內風機盤管的電耗之和，其計算公式分別如式（3）和式（4）所示：

式中：QHT為蓄熱水箱的儲熱量增量，kJ；QOT為工作水箱的儲熱量增量，kJ；QFCU,tr為室內風機盤管的散熱功率，kW；ρ為熱媒介水的密度，kg/m3；VHT和VOT分別為蓄熱水箱和工作水箱的容積，m3；THT0和THTτ分別為系統運行起始和結束時刻蓄熱水箱的水溫，℃；TOT0和TOTτ分別為系統運行起始和結束時刻工作水箱的水溫，℃；MFCU,tr為室內風機盤管內熱媒介水的質量流量，kg/s；TFCUi和TFCUo分別為室內風機盤管的進出口水溫，℃。

2.2實驗結果及分析

本文在冬季不同天氣條件下做了多組實驗，下面選取冬季一組典型日的實驗結果對太陽能和熱泵聯合采暖模式的系統性能進行說明和分析。

圖5室外氣象數據與室內溫度的變化

圖5所示為實驗日00:00～24:00的室外氣象數據和室內的溫度的變化情況。如圖所示，環境溫度的平均值為10.8℃，最高溫度和最低溫度分別為17.8℃和5.8℃；太陽輻照在07:00～19:00之間的平均值為461 W/m2，在13:00達到峰值，為816W/m2。室內溫度維持在設定值20℃左右。

系統運行模式的切換和狀況如圖6所示。在熱泵供暖模式下，工作水箱的進口水溫為熱泵出口水溫；在太陽能供暖模式下，工作水箱的進口水溫為蓄熱水箱負荷側的出口水溫。如圖6所示：在00:00～08:00期間，蓄熱水箱的水溫較低，不能滿足供暖需求，系統運行熱泵供暖模式，在此期間，混合熱泵出口水溫的平均值為50.2℃，室內溫度的平均值為19.1℃；隨著太陽輻射的加強，蓄熱水箱的溫度不斷升高，當達到模式切換的溫度設定之后，系統開始運行太陽能供暖模式，在8:00～20:00期間，蓄熱水箱負荷側的出口水溫的平均值為61.4℃且室內溫度的平均值為19.5℃；伴隨著太陽輻照的降低，蓄熱水箱的水溫也不斷降低，在20:00之后，系統再次切換到熱泵供暖模式，在此期間，混合熱泵出口水溫的平均值為49.1℃，室內溫度的平均值為20.6℃。

圖6工作水箱和風機盤管進口水溫

在系統的運行模式進行切換時，工作水箱的進口水溫存在急劇下降的現象，這是因為在運行模式剛切換后，環路管道內的起始水溫較低所引起的。同時，從圖中可以看出，在太陽輻射和工作水箱的進口水溫劇烈變化時，室內風機盤管的進口水溫變化相對平緩，使得室內溫度并沒有隨著輻照條件和工作水箱進口水溫的變化產生劇烈的波動，這由于水箱的熱容起到了很好的溫度緩沖作用。

經計算得出，系統運行期間的總得熱量Q為566.97MJ，總電耗W為17.95kWh，所以這一工況下，熱泵和太陽能聯合供暖模式的系統性能系數COPS的值為8.8。

3系統模型及適用性模擬分析

本文根據實驗系統和住宅的實際參數，以TRNSYS模擬軟件為平臺，搭建了系統的仿真模型。該系統模型主要包括氣象數據模塊、太陽能集熱器模塊、空氣源熱泵模塊、水箱模塊、水泵模塊、風機盤管模塊、控制器模塊和建筑模型模塊等，下面分別對主要模塊進行詳細說明。圖7所示為系統模型簡圖。

圖7系統模型簡圖

3.1太陽能集熱器模型

本文選取真空管太陽能集熱器（Evacuated tube solar collector）模塊Type 71作為太陽能集熱器陣列的模型。其中，太陽能集熱器瞬時效率由不同實驗工況下的實驗數據擬合得到，從而保證了模型的準確性，其瞬時效率ηSC的表達式為：

式中：tSCo為集熱器出口水溫，℃；tSCi為集熱器入口水溫，℃；tamb為環境溫度，℃；G為集熱器表面接收到的單位太陽能輻照值，W/m2。

3.2空氣源熱泵模型

熱泵模型為系統中的另一重要部件，由于TRNSYS模塊庫中沒有可以直接使用的相關模塊，本文采用Fortran語言編程開發了空氣源熱泵模塊。由于熱泵運行時的熱水流量為恒定值，因此，機組的耗電量只跟熱水的進出口溫度和環境溫度有關，本文采用實驗數據擬合的方法得到機組耗電量的表達式如下：

式中：P為空氣源熱泵的實時耗電量，kW；Ta為環境溫度，-12℃＜Ta＜20℃；Tin為熱泵機組的熱水進口水溫，25℃＜Tin＜55℃。

3.3建筑的熱負荷

1）室內采暖負荷。本文以實驗住宅實際熱工參數為依據，采用TRNBUILD對室內采暖負荷進行模擬。其中外墻傳熱系數為0.574W/(m2·K)，鄰墻傳熱系數為0.917W/(m2·K)，屋面傳熱系數為0.342W/(m2·K)，地面的傳熱系數為1.075W/(m2·K)，內墻傳熱系數為1.563W/(m2·K)，外窗傳熱系數為2.830W/(m2·K)。

2）生活熱水負荷。本系統通過工作水箱內的內置換熱盤管對生活熱水進行預熱，其目標出水溫度為40℃；熱水用量模仿一家三口的日常生活熱水用量，其用量分布如圖8所示，每天的總熱水用量為191L。

圖8生活熱水用量分布圖

3.4水箱模型

由于水箱的溫度分層效果對水箱的性能有較大的影響，為保證水箱模型的準確性，本文采用具有7個溫度節點的分層水箱模型，熱損失系數統一采用0.8W/(m2·K)。

3.5地區適用性分析

文章依據緯度分布，選取北京（緯度39.6°）、上海（緯度31.1°）和贛州（緯度25.5°）3個氣候不同的城市進行分析，并以太陽能保證率作為判定依據。其中，北京處于太陽能資源豐富地區，其年太陽能輻照量為5400～6700MJ/(m2·a)；上海和贛州處于太陽能資源一般地區，其年太陽能輻照量為4200～5400MJ/(m2·a)。依次采用三個地區的典型年（TMY）氣象數據作為輸入，對系統的性能參數進行了模擬分析。圖9所示，為上述三個地區在采暖季的太陽能保證率的分布，其中北京地區采暖季的分析時間段為11月至翌年的3月；上海和贛州的采暖季分析時間段選取11月至翌年的2月。

圖9不同地區的太陽能保證率分布

如圖9所示，該研究系統在北京、上海和贛州三個地區的太陽能保證率分別為63.3%、61.4%和59.0%。雖然北京地區的緯度較高，但由于北京地區的太陽能資源要比其他兩地區豐富，所以北京的太陽能保證率要稍高于其他兩個地區。結合三個地區的緯度分布和太陽能保證率情況，可以得出：本研究系統具有較大地區的適應性。

4結論

本文提出了一種用于滿足住宅采暖需求和提供生活熱水預熱的太陽能與熱泵聯合供熱系統。通過實驗對系統的性能進行了測試并運用TRNSYS對系統的地區適應性進行了分析。結果表明：

1）系統可以根據不同的運行工況，通過太陽能供熱模式和熱泵供熱模式的切換運行來滿足采暖和生活熱水預熱的需求。在環境平均溫度為10.8℃的實驗工況下，系統的性能參數COPS能夠達到8.8。

2）對于本文所選取的3個不同緯度地區的典型城市，該系統在采暖季的太陽能保證率都能達到60%左右，且在太陽能資源豐富的地區，其太陽能保證率更高。說明該系統具有較好的地區適應性，其可應用的地區范圍廣。

3）相對于普通的太陽能采暖系統和空氣源熱泵采暖系統，本系統中同時采用了熱泵和太陽能集熱器陣列，因而投資成本加大。但本系統具有顯著的環保和性能優勢，可較快地收回投資成本，且隨著熱泵技術的進一步完善和集熱器成本的降低，本系統將擁有廣闊的應用前景和經濟性。

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Expe rim e nta l Pe rform a nc e a nd Re giona l Ada ptive Sim ula tion Studie s for a Sola r Ene rgy a nd He a t Pum p Inte gra te d Sys te m

WANG Qi-di,LIU Jian
Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University

A solar energy and heat pump integrated system used for residential heating and hot water preheating was proposed.Experiment system was set up in a residential building in Shanghai.In addition,a simulation model was built to study the adaptation of this system with TRNSYS.Results show that:COPSof the system could reach 8.8 when the average ambient temperature was 10.8℃;the solar fraction can be kept at a high level in Beijing,Shanghai and Ganzhou and it can hit 63.3%in Beijing.

solar energy,heat pump,heating

1003-0344（2014）05-001-5

2013-8-3

王啟迪（1987～），女，碩士研究生；上海交通大學制冷與低溫工程研究所（200240）；E-mail:wangqidi@sjtu.edu.cn