地源热泵辅助太阳能采暖系统的研究

王建辉，刘自强，刘 伟，周 泉，彭国辉

（河北省科学院能源研究所，河北石家庄 050081）

在中国，目前建筑能耗占到了全部能源消耗的30%左右，其中北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的36%，是建筑能源消耗的最大组成部分。

建筑采暖的方式对城市环境和居民生活质量的影响很大。到目前为止，中国城市能源结构中，燃煤仍占主要地位，分散式燃煤采暖在城市中还占有相当大的比例。这是导致北方城市冬季大气污染严重的主要原因。另外中国是人口大国，70%的人口生活在农村，广大农村地区的能源消耗对于能源供求总量及其能源结构都有着重要的影响。随着北方农村地区广大人民群众生活水平的提高，人们对住宅舒适性的要求日益提高，希望在冬季有适宜的采暖设备和方式［1］。由于农村居民的建筑特点，不适宜集中供暖，单户的燃油燃气锅炉又受到气源、油源及运行费用的限制，也很难推广。

为了适应国家政策和能源结构的要求，防止农村用煤过量造成的环境污染，使用可再生能源（太阳能）解决北方农村居民的采暖问题，是节约能源、保护环境、提高人民生活质量的好办法。

本文探讨了将太阳能技术与建筑物的地板辐射采暖技术结合起来，采用地源热泵作为采暖的辅助热源，提供一种高效、节能的采暖方式。制作了实验示范系统，选取实验用户进行了冬季采暖运行实验，并对实验结果进行了分析讨论。

1 太阳能采暖技术

太阳能每年辐射到地球表面的能量巨大，其利用潜力很大，且利用太阳能不会对地球生态环境造成污染。因此太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生环保能源。中国太阳能资源丰富，北方地区年日照时间一般在2 000h以上，属太阳能利用较有利地区。

河北省地区属太阳能资源较丰富区，年日照时数达到2 600～3 000h，年累计太阳能辐照量达到5 00～6 700MJ／m2，为河北省居民的太阳能利用提供了有利的自然条件。

太阳能供暖系统是以太阳能作为供暖系统的热源，将分散的太阳能通过集热器转换成方便使用的热水，然后把热水输送到发热末端，提供房间采暖［2］。

太阳能供暖可分为主动式和被动式2种方式。被动式太阳能供暖通过建筑的朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构构造的恰当选择，使建筑物在冬季能充分收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能供暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热设备集合构成［3-4］，如图1所示。与被动式太阳能供暖相比，其供热工况更加稳定，但同时，投资费用也增大，系统更加复杂。随着经济和社会的发展，主动式太阳能供暖开始大规模应用。

由于太阳能供暖系统受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件限制和阴雨天气等随机因素影响较大，而且太阳能热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制［5］。仅利用太阳能系统供暖，需要较大的集热面积和蓄能装置，增加设备的初投资，全部使用太阳能供暖受到了限制。因此，太阳能供暖需要增加辅助热源，来保证采暖的持续性。目前，其他能源辅助加热方式多采用燃煤炉、生物质炉、燃气锅炉电加热等形式。

图1 主动式太阳能供暖示意图Fig.1 Sketch map of active solar heating system

考虑可以利用地源热泵与之联合运行，辅助供暖，当太阳能系统的热量不能满足建筑热负荷需求时，使用地源热泵来满足。太阳能与地源热泵系统联合运行的优势在于由太阳能供暖系统和地源热泵供暖系统组成的复合式供暖系统，利用环保的可再生能源作为热源，且2种系统取长补短，提高系统的COP值，节省运行费用［6-8］。

2 实验系统

2.1 实验地点地理位置、太阳辐射及气候状况说明

笔者在北京市平谷区北务镇华北空管局职工别墅区选取了实验用户，当地坐标为东经116°47′，北纬40°03′，属温带大陆性季风性气候，太阳辐射及气候状况如表1所示［9］，冬季各月采暖天数如表2所示。

表1 太阳辐射及室外平均温度Tab.1 Amount of solar radiation and outdoor average temperature

表2 冬季各月采暖天数Tab.2 Effective heating days in winter

2.2 实验建筑情况说明

实验场地选在北京平谷区的华北空管局北务镇职工家属楼，该小区为3层别墅区，每户建筑面积280m2，外墙为370mm黏土空心砖，外墙面采用60 mm厚聚苯保温。供暖末端采用低温热水地板辐射采暖系统。建筑平面如图2所示。室内设计温度为16℃，室外设计温度为-9℃，节能建筑采暖设计热负荷为50W／m2，采暖期为120d。

2.3 实验系统设计

图2 建筑平面图Fig.2 Plan of the structure

地源热泵辅助太阳能采暖系统共分为太阳能集热系统、地源热泵系统、供暖末端、控制系统4部分。太阳能集热系统采用真空管集热器，集热面积40m2，储热水箱1 000L。地源热泵系统为土壤源热泵，地源井共4眼，单U管埋深100m。热泵机组为上海美意空调公司生产的热泵机组，型号为MSR-L072，制热输入功率5.83kW，制热量21.8 kW。供暖末端采用低温热水地板辐射采暖系统［10-11］。

2.4 实验系统原理图

实验系统图如图3所示。

图3 热泵辅助太阳能采暖系统图Fig.3 Solar heating system assisted by heat pump

3 实验结果与分析

实验系统安装调试完毕后，在2011年11月初到12月10日进行了冬季供暖运行实验，分别对过渡季、晴天和阴雪天天气条件下的供暖进行了一系列的测试、试验。测试了系统运行时太阳能辐射值、水箱温度，房间温度、室外环境温度，地板采暖末端进出口温度等各种参数。结果表明，本文的地源热泵辅助太阳能供暖系统具有良好的供热保障率，节能效果十分显著。

3.1 过渡季实验

在2011年11月上旬供暖开始前做了过渡季太阳能供暖实验，不需要地源热泵辅助，只利用太阳能供暖，分别测试了太阳能辐射、储热水箱温度变化、地板采暖末端进出口水温变化以及室内外温度变化等，取得了一些实验数据。图4—图8为2011-11-10的实验数据。

图4 太阳能辐射Fig.4 Solar radiation

图5 太阳能辐射量Fig.5 Solar radiation value

图6 水箱温度Fig.6 Tank temperature

图7 地板采暖进出口温度Fig.7 Inlet and outlet temperature in floor heating

由图4、图5可以看出，在初冬季节，晴天条件下，太阳辐射良好，太阳能辐射最高可达630W／m2左右，一天接受到太阳能辐射量达到12.817 MJ／m2。

由图6可以看出，在一天内，储热水箱的水温可以由28.8℃升高到87.6℃，温升为58.8℃。储热水箱容积为1 000L，则水箱系统的热量为4.186 8×1 000×1 000×58.8＝246 183 840J＝246.18MJ。太阳能集热系统面积为40m2，则系统接受到太阳能辐射量为12.817×40＝512.68MJ。太阳能系统的热效率为246.18÷512.68＝48.02%。

由图7可以看出，在18：00开始由太阳能储热水箱的水经过换热对地板采暖系统进行循环，可以维持到24：00左右，水温才降到初始温度。

图8 室内外环境温度Fig.8 Indoor and outdoor temperature

由图8可以看出，室外平均温度5.0℃，在采暖过渡季利用太阳能采暖，采暖房间室内平均温度17.8℃，达到采暖温度标准16℃以上，而非采暖房间平均温度14.2℃，太阳能采暖的效果十分理想。

3.2 采暖季实验

在2011-11-15供暖开始后做了地源热泵辅助太阳能供暖实验，分别测试了太阳能辐射、储热水箱温度变化、地板采暖末端进出口水温变化以及室内外温度变化等。

3.2.1 晴天天气地源热泵辅助太阳能采暖

图9—图13为2011-12-10晴天天气条件下的实验数据。

由图9、图10可以看出，在冬季，晴天条件下，太阳辐射良好，太阳能辐射最高可达550W／m2，一天接受到的太阳能辐射量达到11.126MJ／m2。

由图11可以看出，在一天内，储热水箱的水温可以由25.1℃升到76.9℃，温升为51.8℃。储热水箱容积为1 000L，则水箱系统的热量为4.186 8×1 000×1 000×51.8＝216 876 240J≈216.88MJ。太阳能集热系统面积为40m2，则系统接受到太阳能辐射量为11.126×40＝445.04MJ。太阳能系统的热效率为216.88÷445.04＝48.73%。

图9 太阳能辐射Fig.9 Solar radiation

图10 太阳能辐射量Fig.10 Solar radiation value

图11 水箱温度Fig.11 Tank temperature

图12 地板采暖进出口温度Fig.12 Inlet and outlet temperature in floor heating

当晴天时，每天18：30开始利用水箱里的热水循环加热地板辐射盘管，为房间供暖，一直持续到22：30，当储热水箱里的水温降到设定温度以下时，则开始利用地源热泵系统为房间供暖。

由图12可以看出，地板采暖的进出口温度在太阳能热水和地源热泵的加热作用下，一直保持在采暖要求范围内。

图13 室内外温度Fig.13 Indoor and outdoor temperature

由图13可以看出，室外平均温度为-2.0℃，利用地源热泵辅助太阳能采暖，采暖房间室内平均温度为18.9℃，超过16℃的采暖温度标准，而非采暖房间平均温度3.0℃，显示出利用地源热泵辅助太阳能采暖的效果十分理想。

3.2.2 阴雪天情况采暖

图14—图18为2011-11-30阴天条件下的实验数据。

图14 太阳能辐射Fig.14 Solar radiation

图15 太阳能辐射量Fig.15 Solar radiation value

图16 水箱温度Fig.16 Tank temperature

图17 地板采暖进出口温度Fig.17 Inlet and outlet temperature in floor heating

由图14—图16可以看出，在冬季阴雪天条件下，太阳辐射很低，太阳能辐射量也很小，一天接受到太阳能辐射量才0.5MJ／m2。太阳能储热水箱的水温温升很少，不能满足采暖的需要。

由图17可以看出，在地源热泵辅助采暖情况下，地板采暖的进出口温度一直保持在采暖要求范围内。

图18 室内外温度Fig.18 Indoor and outdoor temperature

由图18可以看出，在阴雪天条件下，室外平均温度2.1℃，直接利用地源热泵为房间供暖，采暖房间室内平均温度为19.3℃，达到采暖温度标准，而非采暖房间平均温度为4.3℃。

3.3 实验结果分析

1）由实验数据可以看出，太阳能集热系统的热效率分别为48.02%和48.73%，达到了45%的设计要求。

2）在实验期间，从2011年11月上旬过渡季采暖开始，一直到12月11日，室内温度始终保持在16℃以上，地源热泵辅助太阳能采暖系统的供热保障率保持在100%。

3）从实验结果可以看出，太阳能采暖系统适合供水温度要求低的末端系统——地板采暖系统配套使用。

4 结 论

1）在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用最低，所以在经济许可的情况下，可适当增大太阳集热器的面积。

2）新能源应用于节能建筑，以降低系统的初投资。太阳能的能流密度较低，即热系统的价格在目前仍然偏高；地源热泵系统与常规系统相比，初投资也比较高。为了尽可能减少系统的初投资，必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求，以降低供暖、制冷负荷。

3）与供水温度要求低的末端系统配套使用。目前高温型的地源热泵机组COP较低，常规地源热泵机组供热时，出水温度较低。同时，太阳集热系统的集热效率也与出水温度有关，温度越高热损失越大，集热效率降低，因此在选择供暖末端系统时应优先选择供水温度要求低的形式［12］，比如地板采暖系统。

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