兩種太陽能采暖系統在住宅建筑上的測試分析

安愛明

中國城市建設研究院有限公司

0 引言

由于太陽能是間斷、不穩定的，受到晝夜、季節、氣象條件等因素的影響，其在實際應用中受到諸多限制。而熱泵是一種通過消耗少量電能，便可從低位熱源吸熱，制取高位熱能的技術，將其與太陽能相結合為建筑提供采暖熱水，使兩者取長補短[1]，既可以利用免費的太陽能，又可以實現連續供熱滿足建筑舒適度要求。

根據太陽能集熱器中傳熱介質的不同，太陽能熱泵采暖系統可分為直接膨脹式和間接膨脹式系統。在直膨脹式系統中，蒸發器和集熱器合二為一，制冷劑直接在太陽能集熱器中接受太陽輻射吸熱而蒸發，制冷劑經過壓縮機被壓縮成為高溫高壓的蒸汽，最后在冷凝器中放熱，原理如圖1[2]。

圖1 直接膨脹式太陽能熱泵采暖系統

在間接膨脹式系統中，太陽能集熱器與熱泵蒸發器相互獨立。該系統通常由太陽能集熱器、熱泵和儲水箱等組成，以水或防凍液作為太陽能集熱器的傳熱介質，如圖2 所示[2]。

圖2 間接膨脹式太陽能熱泵采暖系統

為了比較不同太陽能采暖系統的實際效果，本文同時考慮了太陽能+燃氣熱水器系統模式，太陽能+燃氣熱水器系統由太陽能集熱器、燃氣熱水器、蓄熱水箱、水泵及相應的控制設備組成。采用燃氣熱水器作為太陽能的輔助熱源，以本案例為例，介紹其運行控制模式：供暖時檢測供暖管道回水溫度T3 和蓄熱水箱溫度T1，如果T3-T1≥5 ℃時，換熱切換電動閥關閉，換熱循環水泵P1 啟動，對供暖回水進行加熱，加熱以后進入末端供暖設備（常為低溫輻射地板采暖系統）。若集熱水箱中的水溫T1 比設定溫度低5 ℃時，開啟燃氣熱水器對蓄熱水箱中的水進行加熱，加熱至設定溫度時停止。系統原理圖見圖3 所示。

圖3 太陽能+燃氣熱水器采暖系統

本文的兩個工程案例分別采用了太陽能+熱泵及太陽能+燃氣熱水器系統，通過測試分析兩者的實際運行性能，對指導太陽能采暖系統在住宅建筑中的設計及應用很有參考價值。

1 工程案例介紹

案例1：位于唐山市路南區，是一個別墅區。每戶別墅地上三層，地下一層，建筑面積約320 m2，每戶安裝了10 組平板式太陽能集熱器，別墅地下室機房內設置一臺小型空氣源熱泵機組，組成一個太陽能+熱泵供暖系統，作為市政采暖的輔助熱源。平板式太陽能集熱器安裝于別墅屋面，朝向為正南，集熱器傾角為45°。平板式太陽能集熱器的尺寸為：長2000 mm，寬1000 mm，熱泵熱水機組的制熱量為5.0 kW，功率為1.5 kW，同時配置200 升的儲熱水箱，用戶側循環泵和集熱側循環泵，熱水提供給低溫熱水地板輻射采暖末端系統。

本方案屬于間接膨脹式太陽能+熱泵采暖系統，該系統運行控制原理如下：集熱管吸收太陽能后，把太陽能轉化為熱能，把儲熱水箱中的水加熱。當儲熱水箱的水溫高于35 ℃時，利于儲熱水箱直接供暖，當儲熱水箱溫度低于供暖回水設定溫度35 ℃時，熱泵機組開啟，蒸發器從儲熱水箱中吸收熱量，通過冷凝器釋放熱量，加熱采暖用熱水。當儲熱水箱的水溫低于5 ℃時，熱泵機組停止運行，系統切換到市政熱源為建筑供暖。太陽能+熱泵采暖系統的原理如圖4 所示。全年提供生活熱水，并用于建筑冬季的輔助采暖。

圖4 太陽能+熱泵機組采暖系統

案例2：位于唐山市路南區，為新農村建設示范村項目，全部為二層樓房，每戶建筑面積約160 m2，二層屋面均安裝6 個真空管太陽能集熱器，每個集熱器自帶儲熱水箱（容積280 升），每個集熱器的真空管數量為30 根，每根為φ58mm，長1.8 m，輪廓采光面積為2.871 m2，輔助熱源燃氣熱水器的容積為12 升。全年提供生活熱水，并用于冬季采暖。

下文中太陽能光熱系統性能測試方法、測試儀器，測試數據的處理均參照《可再生能源建筑應用工程評價標準》GB/T50801-2013 的相關規定進行。

2 性能測試分析

針對兩個項目在采暖期的時間運行性能進行了測試，測試了全天的太陽輻射量、太陽能系統供回水溫度、水流量、室內外溫度等數據，進而計算得到系統的集熱器得熱量、集熱效率、太陽能保證率等系統的性能參數，測試數據及計算分析詳見下文所述。

2.1 案例1 太陽能+熱泵系統性能測試分析

選取69-3 住戶，在2 月23 日對太陽能+熱泵采暖系統的運行情況進行了測試，采暖系統供、回水及熱泵機組供回水溫度變化趨勢見圖5，其它測試及計算結果見表1。在9:00-16:00 測試期間，未切換到市政熱源供暖。

表1 系統性能測試結果

圖5 采暖熱水供、回水及室內外溫度變化趨勢

從圖5 和表1 可知：在測試期間，太陽能集熱器供回水溫度均呈先緩慢上升、后下降的趨勢。熱泵機組運行溫度，供水溫度先上升，后趨于穩定。熱泵機組平均供水溫度為36.7 ℃，回水溫度為34.9 ℃，水溫可以滿足地板采暖系統的水溫要求。室外平均溫度為3.6 ℃，室內平均溫度為22.7 ℃，室內舒適度較好。

采用太陽能總輻射表及數據采集儀，對當日太陽輻照度進行了測試，依據《可再生能源建筑應用工程評價標準》[3]，對太陽能集熱系統效率、太陽能保證率等進行了計算，結果見表2。從表2 可知：本項目平均集熱效率為33.27%，太陽能保證率為15.66%，對于住宅冬季采暖，由于太陽能的間歇性，太陽能采暖只能作為輔助手段。供暖還是以常規供暖方式為主，太陽能采暖為輔。根據住戶問卷調研，在初冬和初春的晴朗天氣，太陽能+熱泵采暖系統基本可以滿足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

表2 系統性能指標計算結果

2.2 案例2 太陽能+燃氣熱水器系統性能測試分析

選取一住戶，在2 月25 日對太陽能+燃氣熱水器采暖系統的運行情況進行了測試，太陽能采暖系統供、回水及室內、外溫度變化趨勢見圖6，其它測試及計算結果見表3。9:00-16:20 測試期間，輔助熱源燃氣熱水器未開啟。

從圖6 和表3 可知：在測試期間，采暖系統供回水溫度均呈先緩慢上升、后下降的趨勢，在15:00 達到最高，隨后下降。平均供水溫度為36.6 ℃，回水溫度為31.1 ℃，水溫可以滿足地板采暖系統的水溫要求。室內溫度有所波動，平均值在21.2 ℃，在室外平均為5.2 ℃時，可以滿足室內采暖要求。

圖6 采暖熱水供、回水及室內外溫度變化趨勢

表3 系統性能測試結果

采用太陽能總輻射表及數據采集儀，對當日的太陽輻照度進行了測試，依據《可再生能源建筑應用工程評價標準》，對太陽能集熱系統效率、太陽能保證率等進行了計算，結果見表4。從表4 可知：本項目平均集熱效率為30.3%，太陽能保證率為17.99%，對于住宅冬季采暖，由于太陽能的間歇性，太陽能采暖只能作為輔助手段。供暖還是以常規供暖方式為主，太陽能采暖為輔。根據住戶問卷調研，在初冬和初春的晴朗天氣，太陽能采暖系統基本可以滿足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

表4 性能指標計算結果

3 結論

1）監測期間，案例1 和案例2 的太陽能采暖系統供熱效果良好，系統運行穩定，在初冬和初春的晴朗天氣，可再生能源系統可以滿足建筑9:00-17:00 的采暖需求。

2）由于太陽能的間歇性，案例1 的太陽能+熱泵系統保證率為15.66%，案例2 的太陽能保證率為17.99%，均比較低，只能作為常規采暖系統輔助手段。

3）本文只針對太陽能采暖系統進行了性能測試和評估，未考慮全年生活熱水帶來的收益。如果考慮全年提供生活熱水的收益，此系統的經濟性和實用性都會提高不少。