太阳能-热泵联合供暖系统的实验与模拟研究

王启迪 刘剑

太阳能-热泵联合供暖系统的实验与模拟研究

王启迪 刘剑

上海交通大学制冷与低温工程研究所

本文提出了一种用于住宅采暖和提供生活热水预热的太阳能与热泵联合供热系统。以上海地区一实验住宅为应用对象搭建了该实验系统，对该系统进行了性能测试。在此基础上，运用TRNSYS软件建立了系统模型，对该系统的地区适应性进行了分析。结果表明：在环境平均温度为10.8℃的实验工况下，系统的性能参数COPS能够达到8.8；该系统在北京、上海和赣州三个气候不同的地区都能达到较高的太阳能保证率，其中北京地区为63.3%。

太阳能热泵采暖

0引言

能源是经济社会发展的重要制约因素,在目前的能源消耗中，建筑能耗约占社会总消耗的27.8%；并且随着人们生活水平的日益提高，这一比例仍将持续增高[1]。在建筑冬季能耗中，80%以上的能源用于供暖和生活热水的供应[2]。因此，在满足人们生活需求的情况下，研究减少建筑供暖所消耗的常规能源有着巨大的社会和经济效益。目前，太阳能与建筑相结合已成为建筑节能的主要方向[3～5]。就太阳能的热利用而言，除了可以提供生活热水还可用于采暖。而且我国有丰富的太阳能资源，有2/3以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/m2[6]，因此太阳能供暖系统在我国将有非常好的适用性。但由于太阳能本身具有能量密度低和波动大的特点以及集热器安装面积的限制，现有的太阳能采暖-热水联合系统大都需要配备较大的蓄热水箱和辅助热源，来保证热量的稳定供给[7]。因此，在辐照较差时需要消耗较多的电能或化石能源来维持蓄热水箱的温度。为此，很多学者提出了太阳能和常规热泵相耦合的太阳能热泵，其性能相对于单一的太阳能采暖系统有很大改善[8]。

本文提出了一种太阳能与空气源热泵相联合的采暖系统，通过太阳能集热系统和热泵的切换运行来保证热量的稳定供给。文章搭建了实验系统，并对其进行实验研究。此外，文章建立了系统的仿真模型，对该系统在不同气候区的适用性做了模拟分析研究。

1 实验系统

1.1系统的构成及原理

太阳能与热泵联合采暖系统的原理图如图1所示。该系统主要由太阳能集热器阵列、热泵、蓄热水箱、工作水箱和室内风机盘管构成。系统以蓄热水箱的水温为控制条件，运行不同的热源供热模式，从而满足室内的采暖和生活热水的需求：当辐照良好，蓄热水箱2中部的水温大于45℃时，三通换向阀4和6联动切换到太阳能集热器侧，运行太阳能供暖模式；当辐照较差，预热水箱和工作水箱的水温都低于45℃时，三通换向阀4和6联动切换到热泵侧，运行热泵供暖模式。为避免水泵的频繁启停造成设备的损坏及系统的不稳定：太阳能集热系统中的循环水泵3采用温差循环控制，即当太阳能集热器的出口水温和预热水箱底部的温差达到8℃以上时，循环水泵3开启，当两者温差小于4℃时，循环水泵3停止运转；在热泵供暖模式下，当工作水箱8的水温低于45℃时，热泵开始运行，当工作水箱8的水温达到50℃时，热泵停止运行。室内的采暖由工作水箱中的热水经过风机盘管散热来实现。图中9为混水阀，用于将经过工作水箱加热的热水和市水相混合，以提供40℃左右的生活热水。

图1太阳能与热泵联合采暖系统原理图

1.2实验系统的搭建

本文所提出系统是搭建于上海地区的一套示范住宅。该住宅的总面积为90m2，其布局简图如图2所示，住宅的东立面、南立面以及北立面为外墙，西立面及地面与其他住宅区域相邻，卧室A和卧室B的面积分别为19.2m2和16m2，卫生间的面积为5m2，储物间的面积为3m2。

图2实验住宅布局图

该实验系统的太阳能集热器采用带反射面的真空管集热器。集热器阵列（图3）的总面积为40m2，安置位于实验住宅的屋面，南向放置，安装倾角为30°。为了充分利用太阳能集热系统的得热量并避免单一水箱升温慢及热泵运行负荷过大等问题，实验系统采用双水箱，其中蓄热水箱的容积为500L，水箱的中部和底部设有温度传感器，顶部设置工作压力为7bar的安全阀以防止系统过热。工作水箱为容积300L的搪瓷圆柱水箱，具有较好的保温和分层效果。实验系统中所采用的热泵的额定制热量是6kW，其中压缩机和风机的额定输入功率是2kW。热泵的热水流量设定为0.9m3/h，在这一流量下，其COP随环境温度的变化情况如图4所示。

图3太阳能集热器阵列

图4热泵的制热COP随环境温度的变化

末端风机盘管的性能参数如表1所示。

表1风机盘管参数

2实验结果及讨论

2.1系统性能参数

本文的实验系统主要有太阳能保证率和系统COPS两个性能参数。其中，太阳能保证率f是太阳能提供的热量和系统总热负荷的比值，其计算公式如式（1）所示：

式中：QSC为太阳能集热系统的总得热量，kJ；Qload为系统的总热负荷，kJ。

系统的能效比COPS是整个系统的总得热量和总电耗的比值，其计算公式如式（2）所示：

式中：Q为系统总得热量，包括太阳能集热系统的得热量和空气源热泵的制热量两部分，kJ；W为系统总电耗，kJ。

其中，系统的总得热量为实验开始至结束时预热水箱和工作水箱的热能增量和室内风机盘管的散热量之和，总电耗为空气源热泵、水泵及室内风机盘管的电耗之和，其计算公式分别如式（3）和式（4）所示：

式中：QHT为蓄热水箱的储热量增量，kJ；QOT为工作水箱的储热量增量，kJ；QFCU,tr为室内风机盘管的散热功率，kW；ρ为热媒介水的密度，kg/m3；VHT和VOT分别为蓄热水箱和工作水箱的容积，m3；THT0和THTτ分别为系统运行起始和结束时刻蓄热水箱的水温，℃；TOT0和TOTτ分别为系统运行起始和结束时刻工作水箱的水温，℃；MFCU,tr为室内风机盘管内热媒介水的质量流量，kg/s；TFCUi和TFCUo分别为室内风机盘管的进出口水温，℃。

2.2实验结果及分析

本文在冬季不同天气条件下做了多组实验，下面选取冬季一组典型日的实验结果对太阳能和热泵联合采暖模式的系统性能进行说明和分析。

图5室外气象数据与室内温度的变化

图5所示为实验日00:00～24:00的室外气象数据和室内的温度的变化情况。如图所示，环境温度的平均值为10.8℃，最高温度和最低温度分别为17.8℃和5.8℃；太阳辐照在07:00～19:00之间的平均值为461 W/m2，在13:00达到峰值，为816W/m2。室内温度维持在设定值20℃左右。

系统运行模式的切换和状况如图6所示。在热泵供暖模式下，工作水箱的进口水温为热泵出口水温；在太阳能供暖模式下，工作水箱的进口水温为蓄热水箱负荷侧的出口水温。如图6所示：在00:00～08:00期间，蓄热水箱的水温较低，不能满足供暖需求，系统运行热泵供暖模式，在此期间，混合热泵出口水温的平均值为50.2℃，室内温度的平均值为19.1℃；随着太阳辐射的加强，蓄热水箱的温度不断升高，当达到模式切换的温度设定之后，系统开始运行太阳能供暖模式，在8:00～20:00期间，蓄热水箱负荷侧的出口水温的平均值为61.4℃且室内温度的平均值为19.5℃；伴随着太阳辐照的降低，蓄热水箱的水温也不断降低，在20:00之后，系统再次切换到热泵供暖模式，在此期间，混合热泵出口水温的平均值为49.1℃，室内温度的平均值为20.6℃。

图6工作水箱和风机盘管进口水温

在系统的运行模式进行切换时，工作水箱的进口水温存在急剧下降的现象，这是因为在运行模式刚切换后，环路管道内的起始水温较低所引起的。同时，从图中可以看出，在太阳辐射和工作水箱的进口水温剧烈变化时，室内风机盘管的进口水温变化相对平缓，使得室内温度并没有随着辐照条件和工作水箱进口水温的变化产生剧烈的波动，这由于水箱的热容起到了很好的温度缓冲作用。

经计算得出，系统运行期间的总得热量Q为566.97MJ，总电耗W为17.95kWh，所以这一工况下，热泵和太阳能联合供暖模式的系统性能系数COPS的值为8.8。

3系统模型及适用性模拟分析

本文根据实验系统和住宅的实际参数，以TRNSYS模拟软件为平台，搭建了系统的仿真模型。该系统模型主要包括气象数据模块、太阳能集热器模块、空气源热泵模块、水箱模块、水泵模块、风机盘管模块、控制器模块和建筑模型模块等，下面分别对主要模块进行详细说明。图7所示为系统模型简图。

图7系统模型简图

3.1太阳能集热器模型

本文选取真空管太阳能集热器（Evacuated tube solar collector）模块Type 71作为太阳能集热器阵列的模型。其中，太阳能集热器瞬时效率由不同实验工况下的实验数据拟合得到，从而保证了模型的准确性，其瞬时效率ηSC的表达式为：

式中：tSCo为集热器出口水温，℃；tSCi为集热器入口水温，℃；tamb为环境温度，℃；G为集热器表面接收到的单位太阳能辐照值，W/m2。

3.2空气源热泵模型

热泵模型为系统中的另一重要部件，由于TRNSYS模块库中没有可以直接使用的相关模块，本文采用Fortran语言编程开发了空气源热泵模块。由于热泵运行时的热水流量为恒定值，因此，机组的耗电量只跟热水的进出口温度和环境温度有关，本文采用实验数据拟合的方法得到机组耗电量的表达式如下：

式中：P为空气源热泵的实时耗电量，kW；Ta为环境温度，-12℃＜Ta＜20℃；Tin为热泵机组的热水进口水温，25℃＜Tin＜55℃。

3.3建筑的热负荷

1）室内采暖负荷。本文以实验住宅实际热工参数为依据，采用TRNBUILD对室内采暖负荷进行模拟。其中外墙传热系数为0.574W/(m2·K)，邻墙传热系数为0.917W/(m2·K)，屋面传热系数为0.342W/(m2·K)，地面的传热系数为1.075W/(m2·K)，内墙传热系数为1.563W/(m2·K)，外窗传热系数为2.830W/(m2·K)。

2）生活热水负荷。本系统通过工作水箱内的内置换热盘管对生活热水进行预热，其目标出水温度为40℃；热水用量模仿一家三口的日常生活热水用量，其用量分布如图8所示，每天的总热水用量为191L。

图8生活热水用量分布图

3.4水箱模型

由于水箱的温度分层效果对水箱的性能有较大的影响，为保证水箱模型的准确性，本文采用具有7个温度节点的分层水箱模型，热损失系数统一采用0.8W/(m2·K)。

3.5地区适用性分析

文章依据纬度分布，选取北京（纬度39.6°）、上海（纬度31.1°）和赣州（纬度25.5°）3个气候不同的城市进行分析，并以太阳能保证率作为判定依据。其中，北京处于太阳能资源丰富地区，其年太阳能辐照量为5400～6700MJ/(m2·a)；上海和赣州处于太阳能资源一般地区，其年太阳能辐照量为4200～5400MJ/(m2·a)。依次采用三个地区的典型年（TMY）气象数据作为输入，对系统的性能参数进行了模拟分析。图9所示，为上述三个地区在采暖季的太阳能保证率的分布，其中北京地区采暖季的分析时间段为11月至翌年的3月；上海和赣州的采暖季分析时间段选取11月至翌年的2月。

图9不同地区的太阳能保证率分布

如图9所示，该研究系统在北京、上海和赣州三个地区的太阳能保证率分别为63.3%、61.4%和59.0%。虽然北京地区的纬度较高，但由于北京地区的太阳能资源要比其他两地区丰富，所以北京的太阳能保证率要稍高于其他两个地区。结合三个地区的纬度分布和太阳能保证率情况，可以得出：本研究系统具有较大地区的适应性。

4结论

本文提出了一种用于满足住宅采暖需求和提供生活热水预热的太阳能与热泵联合供热系统。通过实验对系统的性能进行了测试并运用TRNSYS对系统的地区适应性进行了分析。结果表明：

1）系统可以根据不同的运行工况，通过太阳能供热模式和热泵供热模式的切换运行来满足采暖和生活热水预热的需求。在环境平均温度为10.8℃的实验工况下，系统的性能参数COPS能够达到8.8。

2）对于本文所选取的3个不同纬度地区的典型城市，该系统在采暖季的太阳能保证率都能达到60%左右，且在太阳能资源丰富的地区，其太阳能保证率更高。说明该系统具有较好的地区适应性，其可应用的地区范围广。

3）相对于普通的太阳能采暖系统和空气源热泵采暖系统，本系统中同时采用了热泵和太阳能集热器阵列，因而投资成本加大。但本系统具有显著的环保和性能优势，可较快地收回投资成本，且随着热泵技术的进一步完善和集热器成本的降低，本系统将拥有广阔的应用前景和经济性。

[1]Zhi-Sheng Li,Guo-Qiang Zhang.Application and development of solar energy in building industry and its prospects in China[J]. Energy Policy,2007,35:4121-4127

[2]RuichengZheng.Current situation and development of solar heating technology in China[J].Engineering Sciences,2009,25: 86-90

[3]C Dharuman,J H Arakeri,K Srinivasan.Performance evaluation of an integrated solar water heater as an option for building energy conservation[J].Energy and Buildings,2006,38:214-219

[4]Kefa Rabah.Development of energy-efficient passive solar building design in Nicosia Cyprus[J].Renewable Energy,2005,30: 937-956

[5]Karsten Voss.Solar energy in building renovation-results and experience of international demonstration buildings[J].Energy and Buildings,2000,32:291-302

[6]祖文超,戎卫国.太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J].制冷与空调,2010,24(2):78-81

[7]俞善庆.太阳能热水-采暖联合系统[J].能源技术,2008,29(4): 229-231

[8]Kadir Bakirci,Bedri Yuksel.Experimental thermal performance of a solar source heat-pump system for residential heating in cold climate region[J].Applied Thermal Engineering,2011,31:1508-1515

Expe rim e nta l Pe rform a nc e a nd Re giona l Ada ptive Sim ula tion Studie s for a Sola r Ene rgy a nd He a t Pum p Inte gra te d Sys te m

WANG Qi-di,LIU Jian
Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University

A solar energy and heat pump integrated system used for residential heating and hot water preheating was proposed.Experiment system was set up in a residential building in Shanghai.In addition,a simulation model was built to study the adaptation of this system with TRNSYS.Results show that:COPSof the system could reach 8.8 when the average ambient temperature was 10.8℃;the solar fraction can be kept at a high level in Beijing,Shanghai and Ganzhou and it can hit 63.3%in Beijing.

solar energy,heat pump,heating

1003-0344（2014）05-001-5

2013-8-3

王启迪（1987～），女，硕士研究生；上海交通大学制冷与低温工程研究所（200240）；E-mail:wangqidi@sjtu.edu.cn