太陽能熱泵在西部高海拔地區應用的試驗研究

崔玉 高理福*

西南科技大學土木工程與建筑學院

作為可再生能源利用之一的太陽能熱泵系統，在嚴寒（寒冷）而太陽能資源豐富地區用于解決冬季供熱、夏季生活熱水方面具有極大的優勢。位于四川省西部的甘孜州，南北方向上年均氣溫相差達17℃以上[1]。當地冬季氣溫低但日照多，常年日照時數一般為1900～2600 h，年總輻射量多為 120～160 kcal/cm2[2]。此外，當地水電資源豐富、天然氣能源匱乏、經濟發展嚴重滯后。本文在充分上述考慮地區特點基礎上，針對該地某一項目進行方案擬定，采用太陽能輔助空氣源熱泵系統，在白天，空氣源熱泵獨立運行；在夜間，系統利用白天收集的太陽能進行聯合供暖。本系統既能充分利用當地可再生能源，顯著提高系統能效，又符合當地經濟發展水平，適宜在該地區大力推廣。

1 項目概況

項目位于四川甘孜州康定縣，該建筑為辦公樓，建筑面積為450 m2，地上兩層，一樓為辦公室，二樓為職工宿舍，全框架結構，常駐人員約10人，冬季供暖熱負荷為37.4 kW；熱水負荷20 kW。不考慮夏季制冷，冬季室內設計溫度為18～20℃。當地太陽能資源、氣候條件等見表1～2。從表中可以看出：該地區冬季（11月～3月）水平面上日平均輻射量為4.26 kWh/m2，月平均日照時數為221.8 h（日均7.4 h），屬太陽能資源豐富地區；冬季日間平均氣溫4～8℃，夜間平均氣溫-3～-9℃，晝夜溫差大，夜間負荷占負荷總數的66.7%。

表1 康定縣水平面上太陽輻照強度及日照時數

表2 康定縣氣候條件

2 系統設計及控制運行策略

根據當地太陽能資源、氣溫條件等因素及當地經濟情況綜合考慮，方案擬采用太陽能—空氣源熱泵聯合系統來滿足用戶冬季供暖，四季提供生活熱水。

2.1 工作原理與運行模式

系統原理圖如圖1所示，根據季節和天氣等影響因素，主要分為以下2種運行模式：

1）冬季白天的平均氣溫為4～8℃，系統按照常規系統運行，即閥門2關閉，閥門3開啟，太陽能集熱器集熱儲水，遇低溫天氣時，利用太陽能輔助除霜（即由常規蒸發器7自動切換到太陽能蒸發器運行，常規蒸發器自然除霜）；冬季夜間運行太陽能蒸發器，保證在低溫情況下機組的COP。

2）其余季節：空氣源熱泵處于關閉狀態，太陽能系統供應熱水。

圖1 太陽能熱泵系統原理圖

采用這種運行模式的優勢在于：該地區冬季晝夜溫差大，白天日照充分，室外平均氣溫一般在4～8℃之間，白天直接運行空氣源熱泵，能效相對較高；而在夜間，其溫度平均在-3～-9℃之間，此時，利用白天儲存的太陽能熱水作為熱源，能有效提高熱泵的能效。

2.2 系統設計及運行控制

熱源選用具有補氣增焓技術的空氣源熱泵、該類型熱泵可在室外較低溫度下具有相對較高的COP（如圖2）。用于保證系統白天運行的COP。常規熱泵系統需3臺15 kW機組并聯運行，本系統可選用2臺機組運行，制熱額定輸入功率為3.9 kW，機組可根據負荷情況自動調節。

圖2 某補氣增焓機組的溫度-性能曲線

太陽能集熱系統設計按照僅提供冬季夜間運行所需的熱量、生活熱水量所需熱量。由于極端氣候所需熱量和除霜所需熱量無法精確計算，所以本設計中利用生活熱水富余量及太陽強輻照日的富余量，采用自動控制方式彌補。

2.2.1 太陽能集熱器設計計算：

1）滿足太陽能蒸發器的太陽能集熱器設計計算

根據白天、夜間的室內外溫差對熱負荷進行分配，夜間和白天熱負荷分別為24.9 kW、12.5 kW；根據機組性能曲線，理論上白天機組的COP在3.4左右，夜間利用太陽能熱水作為蒸發源，其原理相當于水源熱泵機組，因此，暫定COP為5.0，而夜間按照（圖2）常規熱泵運行的機組COP為2.4，以COP差值為設計依據設計所需太陽能集熱器面積。由計算得知：為滿足以上條件，太陽能集熱器需要提供的熱量為：承擔宿舍負荷10.0 kW，承擔夜間辦公區域值班采暖負荷4.8 kW，夜間總負荷為14.8 kW。供暖時間為16.6 h（冬季平均日照時間為7.4 h/d），所需總熱量為Qf=884.4 MJ。根據該地區的（傾角為 33°傾斜面）輻射量JT=22.6×106J/(m2d)，集熱器平均集熱效率 ηcd=0.6，管路系統熱損失率ηL=0.18，最后由式（1）可得太陽能集熱器面積[4]。

式中：Ac1為直接系統集熱器總面積，m2；Qf為夜間太陽能集熱系統需提供熱量，MJ；JT為當地集熱器采光面上的冬季平均日太陽輻照量，22.6 MJ/(m2d)；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，60%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，18%。

由式（1）得：Ac1=79.5 m2。

2）滿足生活熱水及除霜期熱水量的太陽能集熱器面積設計計算

按照衛生器具用水定額得到耗熱量為QH=701 34.6 kJ。太陽能集熱器總面積可按下式計算：

式中：Ac2為直接系統集熱器總面積，m2；QH為衛生熱水耗熱量，701 34.6 kJ；JT為當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，22.6 MJ/m2·d；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，60%；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，18%。

利用式（2）可求得：Ac1=6.3 m2

集熱器面積Ac最后設計為100 m2。

3）儲熱水箱設計

系統所需總熱量為采暖（夜間）及生活熱水總熱量QF及QH之和，即為Q=954.4 MJ，設定儲熱水箱內水由7℃升溫至55℃，根據公式：

式中：m 為儲熱水箱水量，kg；Q 為總耗熱量，MJ；Cw為水的定壓比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)；Δt為水的溫差，48℃。

根據式（3）可求得水箱有效容積為4.7 m3，考慮到內置換熱器所占面積，實際設計為6.0 m3。

2.2.2 太陽能系統的運行控制

太陽能集熱系統循環采用溫度控制方式，設定溫差控制Δt0=5℃，即集熱器出口溫度高于水箱溫度且溫差達到5℃時，太陽能循環水泵啟動；溫度平衡時，水泵停止運行。

太陽能蒸發器和常規蒸發器之間的切換采用常規蒸發器表面溫度傳感器自動切換，即常規蒸發器表面溫度低于3℃時，太陽能蒸發器運行，常規蒸發器關閉，防止結霜，當常規蒸發器表面溫度達到10℃時，切換到唱過蒸發器運行。這樣的控制方式可同時滿足極低氣溫天氣條件下的運行和防止正常氣溫條件下的結霜。

2.3 系統運行測試

該系統于2015年完成，樓頂敷設100 m2真空管太陽能集熱器，其中真空管規格為φ58×1800，每支真空管充注防凍液量3.12 kg，熱泵太陽能蒸發器置于熱水箱中。經過2015年一個采暖期（2015年11月1日～2016年3月31日）運行，運行結果表明：白天，太陽能熱泵運行的平均COP在4.0左右，輸入功率Pm為4.6 kW，COP較機組標定COP高，這是因為該機組消除了除霜和電輔熱增加的功耗，但氣溫較低天氣時蒸發器切換較為頻繁；夜間，太陽能熱泵運行的平均COP在4.7左右，輸入功率Pn為3.9 kW，整個實測值與設計值較為接近，運行效果理想。

3 經濟效益分析

3.1 初投資

與常規機組相比，太陽能熱泵系統增加了太陽能集熱系統的初投資費用（集熱器、熱水箱、太陽能循環控制系統、太陽能蒸發器）。費用構成見表3，由表3可知，太陽能熱泵系統較常規系統初投資多2.45萬元。

表3 初投資對比（萬元）

3.2 運行費用及投資回收期

太陽能熱泵系統與常規系統運行費用比較如表4。

表4 運行費用及投資回收期

4 結論

1）太陽能熱泵的應用，如果按照常規設計，勢必會因初投資高，投資回收期長而不被人們接收，在對系統進行設計時，需要針對地區可再生能源特點和經濟狀況進行合理的分析，控制初投資，這樣才具推廣價值。

2）系統運行控制是能否達到節能的關鍵所在，本工程在分析建筑特征的基礎上，分別采用值班采暖（白天宿舍區值班采暖、夜間辦公區值班采暖）運行模式和除霜自動切換模式，既滿足室內采暖的需要，又最大可能的節約了能源。

3）從系統運行監測表明：采用太陽能熱泵運行模式時，1臺主機基本能滿足要求，而常規熱泵運行時，需要1臺主機滿負荷運行，另一臺間隙運行才能滿足要求，但兩種模式的運行費用均較按照負荷計算出的費用低。這說明純粹按照負荷設計的系統還有較大的富余量，在后期系統設計是可考慮減小富余量，降低初投資。