產學研背景下的住宅小型蓄能能源站構建*

張琳邡 紀河 張毅

摘? 要? 隨著學科發展，培養學生的創新能力成為現代高等教育的首要目標。原有實驗主要圍繞某一課程內容設置，學生無法將專業知識融會貫通，不利于學生創新能力的培養。通過設計住宅小型蓄能能源站實驗臺，系統功能全面、開放性強，既能讓學生加強對專業知識的理解與掌握，又能滿足本科創新探索型實驗教學的需求，提高學生發現與探究知識的能力，還可以為大學生創新訓練計劃、教師研究課題等提供研究平臺，為小型蓄能能源站在住宅中推廣運用奠定基礎。

關鍵詞? 小型蓄能能源站；實驗臺；太陽能；空氣源熱泵系統

中圖分類號：G642.423? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）16-0049-04

0? 引言

隨著我國經濟的高速發展，各方面都取得巨大成就，我國也成為世界上能源消費和污染排放大國。其中建筑能耗占全國總能耗的30%以上，而在建筑能耗中，采暖和空調的能耗約占建筑總能耗的65%。因此，采用新型能源與設備進行采暖、空調以及熱水供應，成為目前研究的重點[1]。

在能源應用方面，公共建筑可選的節能方案有很多，但住宅建筑采暖和空調系統比較單一，住戶大多數安裝空調和太陽能熱水器?？照{主要利用熱泵技術，將空氣能作為冷熱源，實現制熱與制冷，但受環境、地區性差異和熱源本身特點等因素的限制，其性能系數會降低。太陽能熱水器通過集熱器收集太陽的熱能，進而給用戶提供熱水，但太陽能熱水器運行會受天氣干擾，無法實現全天的穩定運行。而且兩套設備在建筑外部分散式安裝，在一定程度上影響建筑美觀。

越來越多的科研工作者對太陽能熱泵系統進行研究，該技術已經日趨成熟，也得到越來越多普通老百姓的認可。但是在徐州地區，目前對太陽能熱泵系統的研究尚少，而且缺乏在住宅中建立蓄能能源站的研究。本文設計一套太陽能、空氣能蓄能系統，建立小型蓄能能源站，實現太陽能和熱泵系統的高效利用，全年穩定運行。住宅小型蓄能能源站可以滿足用戶采暖、空調以及生活熱水供應等多種需求，大學生可以利用該裝置開展創新探索型實驗及大學生創新訓練計劃，教師可以利用該裝置進行相關課題研究，為小型蓄能能源站在住宅中推廣運用奠定基礎[2-8]。

1? 實驗臺系統組成

住宅小型蓄能能源站實驗臺搭建初，考慮到該實驗平臺既要滿足教師科研需求，又要滿足平時住宅用戶對室內環境冷熱需求，為更好地收集用戶對其優劣及改善方案反饋，該實驗臺設計為一個真實的住宅冷熱源供應系統。該系統主要由太陽能集熱系統、蓄能水箱、風冷熱泵機組、冷熱水循環系統、風機盤管、地板輻射管、控制和采集系統等組成，結構原理如圖1所示。

太陽能集熱系統采用真空管式的太陽能集熱器，單管長1.8 m，共設置100根，一部分與室內洗浴系統相連，另一部分與蓄能水箱相連。蓄能水箱通過在不銹鋼水箱外部添加隔熱層制成，容量為1 t。太陽能集熱器與蓄能水箱之間設置水泵和電磁閥，集熱器出口和蓄能水箱內各設置溫度傳感器一個，利用溫差（設置為5 ℃）控制集熱熱水循環泵和電磁閥的開啟/關閉，使太陽能最大限度地發揮太陽能的優勢。在太陽能能量充足時，溫差大于所設溫度值，電磁閥開啟，循環泵運行，此時蓄能水箱不斷儲存熱量；當太陽能能量不足時，溫差小于所設溫度值，電磁閥關閉，循環泵停止運行，太陽能停止向蓄能水箱輸送熱量。此外，在太陽能集熱器側布置太陽能總輻射量測試儀，用于監測太陽能總輻射情況，研究太陽能可利用資源總量情況，分析太陽能集熱器集熱效率和性能。

蓄能水箱另一端與風冷熱泵機組連接后，再與室內末端裝置相連，蓄能水箱與風冷熱泵機組串聯運行，風冷熱泵機組進出口各設置溫度傳感器一個，通過供回水溫度控制風冷熱泵機組的開啟和關閉。室內負荷側設置風機盤管和地板輻射管，負荷側供回水管道之間設置旁通管，旁通管上設置一個電磁閥，實現系統夜間低價電時蓄能模式的開啟。此外，為了創造一個恒定、舒適的室內環境，每個房間內也設置溫度傳感器，實時檢測室內的溫度，進而控制風冷熱泵機組的開啟。

實驗臺還設置智能監控系統，利用智能記錄儀完成各溫度、流量、壓差等參數的實時檢測和動態顯示，還可以通過智能監控系統控制整個系統的開啟、關閉，以及相關控制參數的更改，進而改變不同的運行工況，研究住宅小型蓄能能源站的性能。

實驗裝置所用測試儀器如表1所示，建成的實驗裝置部分實物如圖2所示。

2? 實驗系統原理

住宅小型蓄能能源站充分利用太陽能和空氣能，同時利用峰谷電價特點，削峰填谷進行蓄能，滿足用戶夏季供冷、冬季供暖以及全年熱水供應多種需求，實現能效的合理利用、系統的節能環保。系統運行主要分為制熱工況、制冷工況和蓄能工況，具體工作原理如下。

1）制熱工況：冬季可以滿足用戶采暖和生活熱水供應的需求。太陽能集熱器所獲取的熱量一部分供應生活熱水，另一部分在集熱器出口溫度大于蓄能水箱溫度5 ℃時，開啟集熱熱水循環泵，將熱量蓄熱于蓄能水箱中。由于太陽能的不穩定性，蓄能水箱的熱量不能完全靠太陽能，因此在蓄能水箱中設置溫度傳感器，當水溫低于設定值（如35 ℃）時控制電磁閥開啟風冷熱泵機，保證室內采暖過程中熱水的正常供應。最后，蓄能水箱中的熱水進入室內側的地板輻射管完成供熱。可以看出，整個設計都是為了最大限度地利用太陽能供暖，風冷熱泵機組作為補充，確保系統節能的最大化。此外，冬季采用地板輻射采暖，在相同條件下，室內計算溫度可比對流采暖低2～3 ℃，同時供水溫度也降低，相比傳統的采暖方式，節能幅度約為20%。

2）制冷工況：夏季可以滿足用戶供冷和生活熱水供應的需求。太陽能集熱器所獲取的熱量主要供應生活熱水，風冷熱泵機組主要負責室內制冷，當蓄能水箱的水溫高于設定值（如7 ℃）時，開啟風冷熱泵機組，室內側通過風機盤管完成制冷。

3）蓄能工況：采用蓄冷蓄熱技術實現電能的削峰填谷。在電網用電低谷期間，負荷側供回水管道之間旁通管的電磁閥開啟，風冷熱泵機組在冬季把熱能儲存到蓄能水箱中，在夏季把冷量儲存到蓄能水箱中。利用深夜電網的過剩廉價電力蓄能，將白天電網負荷高峰時的大量用電負荷移入深夜電網低谷時段，降低高峰負荷對電網的壓力，提高負荷率，降低系統的運行費用[9-10]。

由此可以看出：針對太陽能和空氣源熱泵單獨使用時存在的不足，住宅小型蓄能能源站揚長避短，將太陽能和空氣源熱泵系統的優勢集合，節能效果顯著，且有效地利用了蓄能技術，實現電能的削峰填谷。與傳統系統相比，該系統具有以下特點：

1）太陽能集熱器不僅可以為用戶提供生活熱水，還可以在冬季作為熱源為用戶供暖，也可以提升熱泵機組在冬季運行的效率；

2）熱泵機組根據室外環境的變化，靈活切換不同運行模式，最大限度利用太陽能和空氣能；

3）蓄能水箱不僅能實現電能的削峰填谷，而且能作為系統的緩沖水箱，可以降低主機啟動率、延長主機壽命，在冬季實現高效除霜，除霜時間短，消耗熱量小。

3? 實驗課程設計及實施

3.1? 實驗課程設計

該系統功能全面，開放性強，可以用于研究太陽能與空氣源熱泵在住宅采暖、制冷及生活熱水供應方面的節能利用問題，開展不同蓄冷蓄熱技術的應用效果分析，為本科學生提供演示類實驗、驗證類實驗及創新類實驗，既能讓學生加強對專業知識的理解與掌握，又能滿足本科創新探索型實驗教學需求，提高學生發現與探究知識的能力。此外，實驗臺還可以為大學生創新訓練計劃、教師研究課題等提供研究平臺，為新技術在工程實際中的推廣奠定基礎。經過探討，該實驗臺可以提供以下實驗內容：

1）讓學生熟悉常用測試儀器的測量原理、測試方法及操作規程，了解基本熱工參數的數據采集與數據分析方法，培養學生基本的實驗技能；

2）讓學生熟悉空氣源熱泵系統、太陽能集熱系統常用設備的組成、結構及工作原理，相比傳統空調冷熱源，體會小型蓄能能源站所采用冷熱源的優勢，加深學生對可再生能源利用及建筑節能的認識；

3）讓學生掌握太陽能集熱器集熱性能測試方法，分析太陽能總輻射量、蓄熱水箱水量及水溫等參數對太陽能集熱器集熱性能的影響，為太陽能集熱器的優化設計提供依據；

4）讓學生掌握制冷工況和采暖工況的運行特性，分析不同工況下水溫、水量及能耗等參數下的系統性能及能耗，讓學生進一步掌握蒸發溫度和冷凝溫度與系統運行效率之間的關系；

5）讓學生了解太陽能與空氣源熱泵系統集成一體的方法，在不同運行模式下測試相關性能參數，并分析各運行模式下的性能參數與系統節能效率之間的關系，探索太陽能和空氣能最佳運行模式，為太陽能和空氣能的設計和運行提供優選方案；

6）讓學生掌握蓄能技術，通過控制相應閥門，完成蓄能模式與用能模式的切換，實現白天和夜間用電需求的平衡，分析夜間蓄能總量與白天用能總量的關系，探索蓄能系統最佳的蓄能比例，為蓄能系統的優化設計提供基礎。

該實驗臺可以從專業角度出發，能設計的實驗項目有很多，不僅讓學生將自身知識體系融會貫通，加深對專業知識的掌握與理解，而且激發學生積極思考、探索問題的精神，拓寬學生視野，提升學生用理論知識解決工程實際問題的能力。

3.2? 實驗課程考核

由于本實驗內容不局限于一門課程，涉及專業知識面廣，內容豐富，實施過程靈活，難易程度不均，因此，實驗考核不能僅看學生實驗報告的完成情況，還需要增加考查學生對專業知識的綜合應用環節，可以通過答辯形式來考查學生的專業知識綜合應用能力。先讓學生制作PPT來說明實驗思路、實驗分析、實驗過程、實驗中遇到的問題及解決的方法，再通過教師問、學生答或者學生問、教師答的環節，在教師和學生相互問答中，讓學生不僅更深入地掌握專業知識，而且探索到專業最前沿的問題。雖然有些問題還沒有確切的答案，但這個過程足以激發學生繼續探索知識的樂趣。采用“實驗報告+答辯”的實驗課程考核方式，指導教師不僅需要熟悉實驗內容及過程，更需要具備較強的專業理論知識，懂得創新，能夠協助學生完成實驗，引導學生去發現問題、分析問題、解決問題，實現“以學生為主體、以教師為主導”的教學模式[11]。

4? 結束語

住宅小型蓄能能源站實驗臺是教學與科研的承載體，將學生實驗與教師科研緊密結合起來，不僅可以增強學生自我學習和科學思維的能力，培養學生獲取知識、運用知識、創造知識的能力，激發學生的發現與探索精神，滿足綜合性、設計性和創新性教學實驗的要求，而且可以為教師在可再生能源應用研究方面提供實驗平臺，為住宅小型蓄能能源站的推廣提供理論研究基礎[11-12]。

參考文獻

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[12] 卓云.生產過程中節能降耗的探索與實踐[J].日用電器，2011（1）：9-11.

*基金項目：2020年度中國礦業大學徐海學院專業建設與教學改革一般項目“《建筑節能技術》課程建設與教學改革”（項目編號：YA2041）；2020年度江蘇省教育廳江蘇省高等學校自然科學研究面上項目“徐州地區小型蓄能能源站在住宅中應用研究”（項目編號：20KJD560008）。

作者：張琳邡，通信作者，中國礦業大學徐海學院建筑工程系，講師，主要從事為建筑節能、能源管理、暖通空調方面的教學及實驗研究工作（221008）；紀河，江蘇納奇機電設備工程有限公司，工程師，研究方向為建筑節能、新能源應用；張毅，江蘇納奇機電設備工程有限公司，工程師，研究方向為建筑工程項目管理、工業消防（221000）。