基于太陽能補償的空氣源熱泵系統性能分析

孟 欣，馮 榮

(陜西理工大學陜西省工業自動化重點實驗室，漢中 723001)

0 引言

隨著經濟的發展，人們生活水平的提升，冬季供暖的能源消耗及環境污染問題已越來越受到關注。我國目前仍沿用秦嶺淮河一線作為集中供暖區與非集中供暖區的劃分，但處于長江沿線的廣大區域因冬季空氣濕冷，其要求供暖的呼聲越來越高。雖然該區域中的部分小區已實現小區化集中供暖，但更多住宅采用的是自供暖的方式，如采用燃氣壁掛爐、空氣源熱泵等。傳統空氣源熱泵存在能耗高的缺點，但若將免費的太陽能與傳統空氣源熱泵相結合為住宅供暖及提供生活熱水，既能擴大清潔的可再生能源的應用范圍，還可以降低由供暖帶來的污染。目前國內外學者也對太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統的工作性能[1-3]、能效及經濟評價[4-9]、部件匹配[10-12]等方面進行了大量的分析研究。

陜西省漢中市地處秦嶺以南，屬于政策上的非集中供暖區域，但漢中市冬季氣候濕冷，平均溫度較低，因此大部分居民采用燃氣壁掛爐或空氣源熱泵進行冬季供暖。本文以漢中地區的住宅為例，分別采用傳統空氣源熱泵系統和基于太陽能補償的空氣源熱泵系統為用戶冬季供暖及提供全年生活熱水，并使用POLYSUN軟件分別對2種系統方案的全年運行工況進行模擬和對比分析。

1 2種系統方案設計

方案Ⅰ采用傳統空氣源熱泵系統，其系統原理示意圖如圖1所示。該系統主要由空氣源熱泵、蓄熱水箱、生活熱水端及供熱末端組成。

圖1 傳統空氣源熱泵系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional air source heat pump system

方案Ⅱ為基于太陽能補償的空氣源熱泵系統，其系統原理示意圖如圖2所示。該系統是在傳統空氣源熱泵的基礎上添加1套太陽能集熱器，為供暖及生活熱水提供額外補償。在方案Ⅱ的設計中，基于安全優先的考慮，太陽能集熱系統及生活熱水系統均采用間接換熱方式，其中，太陽能集熱循環內的導熱流體為丙烯混合溶液。

圖2 基于太陽能補償的空氣源熱泵系統原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of air source heat pump system with solar compensation

1.1 設計基礎

1.1.1 建筑概況

以陜西省漢中市 (107.03°E，33.13°N)為例，該市的海拔為579 m，屬于我國太陽能資源Ⅲ類地區[13]?，F以一棟可容4人居住、面積為149.8 m2的2層建筑為例，末端采用地輻熱供熱形式，設計供暖供水溫度為40 ℃，供暖回流溫度為35 ℃，每天的供暖負荷為60 W/m2，冬季房間晚上溫度為19 ℃；生活熱水供水溫度為50 ℃。

1.1.2 建筑熱負荷計算

建筑熱負荷主要由生活熱水負荷和建筑供暖負荷2部分組成。

1)生活熱水負荷。1天的生活熱水負荷Qd可由式(1)計算：

式中，c為50 ℃水的比熱容，kJ/(kg·℃)，取4.178；q為熱水用水定額，L/(人·天)，根據《建筑給排水設計規范》[14]規定，50 ℃水溫時每天人均生活熱水定額在49～98 L/(人·天)，此處取70；ρ為50 ℃時水的密度，kg/m3，此處取988.1；tr為生活熱水的熱水溫度，℃，此處取50；tl為生活熱水的冷水溫度，℃，此處取5；m為用水人數，此處取4。

經計算，1天的生活熱水負荷Qd=0.61 kW。

2)建筑供暖負荷。根據供暖設計指標，建筑每天單位面積供暖負荷為60 W，建筑面積為149.8 m2，因此1天的建筑供暖負荷Q建筑為8.988 kW。

3)1天的建筑熱負荷QH為9.598 kW。

1.2 設備選型

作為案例的建筑物是以地輻熱供暖方式為基礎，在確定建筑熱負荷的前提下，對方案Ⅰ和方案Ⅱ進行設備選型。

1.2.1空氣源熱泵選型

考慮到太陽能集熱系統受天氣及環境因素的影響，存在無熱量補償的極端情況，因此，2種方案中的空氣源熱泵均選用某公司10 kW帶內置泵的空氣源熱泵，該空氣源熱泵額定制熱量為10 kW，輸入功率為3.3 kW，流量為1.3 L/h。

1.2.2太陽能集熱器的選擇

考慮到漢中地區近年來出現過-10 ℃的極端天氣，因此，方案Ⅱ中的太陽能集熱系統采用間接方式利用板式換熱器向系統供熱(下文簡稱“間接系統”)；太陽能集熱循環系統中的導熱流體選取丙烯濃度為33.3%的混合溶液。該系統集熱器的面積AIN可由式(2)計算得到：

式中，Ahx為間接系統的板式換熱器換熱面積，m2；UL為集熱器總熱損系數，W/(m2·℃ )；Uhx為間接系統板式換熱器的熱損失系數，W/( m2·℃)；AC為太陽能集熱系統直接向系統供熱時集熱器的總面積，m2。

其中，AC可由式(3)求得：

式中，JT為當地集熱器采光面上的日均太陽輻射量，J/m2，此處取 7.3×106；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，此處取80%；ηL為管路及儲熱裝置熱損失率，此處取20%；f為太陽能保證率，Ⅲ類太陽能資源區一般選0.4～0.5，此處選取0.4。

由上述公式計算可知，當用戶供暖及生活熱水所需熱量全部由太陽能供給時，AC為71 m2。由于方案Ⅱ采用間接式太陽能集熱系統，其所需太陽能集熱器面積AIN將超過71 m2?？紤]到非供暖季，太陽能集熱系統僅為用戶提供生活熱水熱量，面積過大容易造成資源浪費，會加大系統的總投資；同時，方案Ⅰ和方案Ⅱ均配有可滿足建筑物熱水需求和供暖需求的空氣源熱泵，因此，方案Ⅱ在選擇太陽能集熱器面積時，以房屋樓頂面積為主要參考對象。最終選取了某公司品牌集熱器7塊，單塊的長、寬分別為2 m、1 m，總面積為14 m2，單位面積流量為15 L/(h·m2)，安裝傾角為45°。

1.2.3 蓄熱水箱的選擇

作為2種系統方案中的必備設施，蓄熱水箱既能起到熱水儲存的作用，也可以用作系統緩沖。2種方案均選擇了容量為600 L、高度為1.7 m的帶電加熱水箱的蓄熱水箱，采用硬聚氨酯泡沫作為保溫層。

2 2種系統方案的建模與分析

2.1 2種系統方案的建模

本文采用瑞士國際太陽能測試中心研發的太陽能系統模擬軟件POLYSUN，根據設計參數，分別對2種系統方案進行建模。圖3為傳統空氣源熱泵系統，圖4為基于太陽能補償的空氣源熱泵系統。

圖3 傳統空氣源熱泵系統Fig.3 Traditional air source heat pump system

2.2 模擬結果分析

選用軟件庫中漢中地區的氣象數據，利用POLYSUN軟件對2種系統方案的全年運行情況進行模擬，并對模擬結果進行對比分析。

2.2.1 能耗對比分析

1)系統年能耗對比分析。根據系統設計，為滿足用戶供暖需求及全年的熱水供給，方案Ⅰ的輸入能源全部是電能。方案Ⅱ的輸入能源由太陽能集熱器的熱能及電能構成，其中，太陽能的熱能在夏季可作為熱水系統的主要能量來源，冬季根據環境情況分別為供暖和生活熱水提供輔助能源。采用POLYSUN軟件對2種系統方案的全年運行情況進行模擬，結果如表1所示。

由表1可知，方案Ⅱ全年總能耗略高于方案Ⅰ，這主要是因為太陽能集熱循環回路及板式換熱器與儲熱水箱回路間因增加水泵而造成電能能耗增大。但綜合全年的運行情況來看，在1個自然年內，方案Ⅱ比方案Ⅰ總耗電量減少了1138.3 kWh。而方案Ⅱ在增加太陽能集熱系統后所產出熱量為5299 kWh，并未被全部消耗，出現了非供暖季能量過剩的現象，這也造成了太陽能能量的浪費。

圖4 基于太陽能補償的空氣源熱泵系統Fig.4 Air source heat pump system with solar compensation

表1 方案I和方案II的年能耗模擬Talbe 1 Annual energy consumption simulation for scheme I and scheme II

2)系統能量分布分析。在方案Ⅱ的模擬過程中，根據漢中地區的天氣環境參數，分別對全年各時間段太陽能集熱器出口溫度、太陽能年地面輻射總量、太陽能循環回路流量進行模擬，如圖5所示。同時，模擬得出太陽能集熱器全年的能量供給，如圖6所示。

圖7為方案Ⅱ與方案I的全年耗電量對比圖，圖8為方案Ⅱ相較于方案Ⅰ，各月的節能率分析。

圖5 2015年1月1日～12月30日太陽能集熱系統模擬值Fig.5 Simulation annual parameter values of solar heat collection system from 2015-01-01 to 2015-12-30

圖6 太陽能集熱器全年能量供給Fig.6 Solar collectors provide year-round energy

圖7 方案II與方案I的全年耗電量對比Fig.7 Comparison of annual power consumption between plan II and plan I

圖8 方案II相較于方案I，各月的節能率情況Fig.8 Analysis of monthly energy savings of plan II over plan I

與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ可實現年節約電能1138.3 kWh，年均節能率達49.4%。每年的4～10月為非供暖季，此時方案Ⅱ中的空氣源熱泵只需在太陽能集熱器無法維持生活熱水供應的情況下才啟動，因此系統具有較低的電能能耗；而在該時段內，電能仍然是方案Ⅰ供應生活熱水的唯一能源，這也是造成在非供暖季2種系統方案耗電量差異巨大的原因。通過對模擬數據分析發現，在非供暖季，相較于方案Ⅰ，方案Ⅱ的節能率平均值超過了90%。

2.2.2 經濟性分析

2種系統方案的設計使用壽命均為20年。通過對比發現，在系統壽命期內，方案Ⅱ比方案Ⅰ節約電能22766 kWh；參照2019年漢中市城鎮居民用電電價0.49元/kWh計算，方案Ⅱ合計節約運行費用11155.34元，節約率達16.4%。若采用集中供暖模式，供暖期按4個月計算，按照陜西省集中供暖月收費標準5.8元/m2計算，20年需繳納供暖費共計69507.2元。若采用方案Ⅱ自供暖則系統在壽命期內共節省采暖費用58100.98元。

3 結論

本文基于安全使用的原則，設計了基于太陽能補償的空氣源熱泵系統，采用丙烯混合溶液作為間接式太陽能集熱系統導熱流體，以板式換熱器為供暖熱水提供能量補償，并采用POLYSUN軟件對該系統方案和傳統空氣源熱泵系統方案的全年運行工況進行了模擬和對比分析，結果發現：

1)在引入太陽能為傳統空氣源熱泵系統提供熱量補償后，可實現年節約電能1138.3 kWh，年均節能率達到49.4%；在使用壽命期限內運行費用可減少11155.34元，具有良好的節能性和經濟性。

2)太陽能循環系統在方案Ⅱ中主要用于夏季熱水和冬季供暖熱補償，但由于夏季時僅需要供應生活熱水，因此會出現太陽能過剩的問題，這會造成能源的浪費；另外，空氣源熱泵還可在夏季做制冷空調使用，增大其利用率。

3)方案Ⅱ是基于熱水安全性的原則考慮，將太陽能集熱循環系統與生活熱水系統設計為間接式系統。若在保溫工藝良好的情況下，可以選擇直接式太陽能集熱系統和減少板式換熱器的設置，以便進一步降低系統的初投資。