太阳能热泵在西部高海拔地区应用的试验研究

崔玉 高理福*

西南科技大学土木工程与建筑学院

作为可再生能源利用之一的太阳能热泵系统，在严寒（寒冷）而太阳能资源丰富地区用于解决冬季供热、夏季生活热水方面具有极大的优势。位于四川省西部的甘孜州，南北方向上年均气温相差达17℃以上[1]。当地冬季气温低但日照多，常年日照时数一般为1900～2600 h，年总辐射量多为 120～160 kcal/cm2[2]。此外，当地水电资源丰富、天然气能源匮乏、经济发展严重滞后。本文在充分上述考虑地区特点基础上，针对该地某一项目进行方案拟定，采用太阳能辅助空气源热泵系统，在白天，空气源热泵独立运行；在夜间，系统利用白天收集的太阳能进行联合供暖。本系统既能充分利用当地可再生能源，显著提高系统能效，又符合当地经济发展水平，适宜在该地区大力推广。

1 项目概况

项目位于四川甘孜州康定县，该建筑为办公楼，建筑面积为450 m2，地上两层，一楼为办公室，二楼为职工宿舍，全框架结构，常驻人员约10人，冬季供暖热负荷为37.4 kW；热水负荷20 kW。不考虑夏季制冷，冬季室内设计温度为18～20℃。当地太阳能资源、气候条件等见表1～2。从表中可以看出：该地区冬季（11月～3月）水平面上日平均辐射量为4.26 kWh/m2，月平均日照时数为221.8 h（日均7.4 h），属太阳能资源丰富地区；冬季日间平均气温4～8℃，夜间平均气温-3～-9℃，昼夜温差大，夜间负荷占负荷总数的66.7%。

表1 康定县水平面上太阳辐照强度及日照时数

表2 康定县气候条件

2 系统设计及控制运行策略

根据当地太阳能资源、气温条件等因素及当地经济情况综合考虑，方案拟采用太阳能—空气源热泵联合系统来满足用户冬季供暖，四季提供生活热水。

2.1 工作原理与运行模式

系统原理图如图1所示，根据季节和天气等影响因素，主要分为以下2种运行模式：

1）冬季白天的平均气温为4～8℃，系统按照常规系统运行，即阀门2关闭，阀门3开启，太阳能集热器集热储水，遇低温天气时，利用太阳能辅助除霜（即由常规蒸发器7自动切换到太阳能蒸发器运行，常规蒸发器自然除霜）；冬季夜间运行太阳能蒸发器，保证在低温情况下机组的COP。

2）其余季节：空气源热泵处于关闭状态，太阳能系统供应热水。

图1 太阳能热泵系统原理图

采用这种运行模式的优势在于：该地区冬季昼夜温差大，白天日照充分，室外平均气温一般在4～8℃之间，白天直接运行空气源热泵，能效相对较高；而在夜间，其温度平均在-3～-9℃之间，此时，利用白天储存的太阳能热水作为热源，能有效提高热泵的能效。

2.2 系统设计及运行控制

热源选用具有补气增焓技术的空气源热泵、该类型热泵可在室外较低温度下具有相对较高的COP（如图2）。用于保证系统白天运行的COP。常规热泵系统需3台15 kW机组并联运行，本系统可选用2台机组运行，制热额定输入功率为3.9 kW，机组可根据负荷情况自动调节。

图2 某补气增焓机组的温度-性能曲线

太阳能集热系统设计按照仅提供冬季夜间运行所需的热量、生活热水量所需热量。由于极端气候所需热量和除霜所需热量无法精确计算，所以本设计中利用生活热水富余量及太阳强辐照日的富余量，采用自动控制方式弥补。

2.2.1 太阳能集热器设计计算：

1）满足太阳能蒸发器的太阳能集热器设计计算

根据白天、夜间的室内外温差对热负荷进行分配，夜间和白天热负荷分别为24.9 kW、12.5 kW；根据机组性能曲线，理论上白天机组的COP在3.4左右，夜间利用太阳能热水作为蒸发源，其原理相当于水源热泵机组，因此，暂定COP为5.0，而夜间按照（图2）常规热泵运行的机组COP为2.4，以COP差值为设计依据设计所需太阳能集热器面积。由计算得知：为满足以上条件，太阳能集热器需要提供的热量为：承担宿舍负荷10.0 kW，承担夜间办公区域值班采暖负荷4.8 kW，夜间总负荷为14.8 kW。供暖时间为16.6 h（冬季平均日照时间为7.4 h/d），所需总热量为Qf=884.4 MJ。根据该地区的（倾角为 33°倾斜面）辐射量JT=22.6×106J/(m2d)，集热器平均集热效率 ηcd=0.6，管路系统热损失率ηL=0.18，最后由式（1）可得太阳能集热器面积[4]。

式中：Ac1为直接系统集热器总面积，m2；Qf为夜间太阳能集热系统需提供热量，MJ；JT为当地集热器采光面上的冬季平均日太阳辐照量，22.6 MJ/(m2d)；ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率，60%；ηL为管路及贮热装置热损失率，18%。

由式（1）得：Ac1=79.5 m2。

2）满足生活热水及除霜期热水量的太阳能集热器面积设计计算

按照卫生器具用水定额得到耗热量为QH=701 34.6 kJ。太阳能集热器总面积可按下式计算：

式中：Ac2为直接系统集热器总面积，m2；QH为卫生热水耗热量，701 34.6 kJ；JT为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，22.6 MJ/m2·d；ηcd为集热器的年平均集热效率，60%；ηL为贮水箱和管路的热损失率，18%。

利用式（2）可求得：Ac1=6.3 m2

集热器面积Ac最后设计为100 m2。

3）储热水箱设计

系统所需总热量为采暖（夜间）及生活热水总热量QF及QH之和，即为Q=954.4 MJ，设定储热水箱内水由7℃升温至55℃，根据公式：

式中：m 为储热水箱水量，kg；Q 为总耗热量，MJ；Cw为水的定压比热容，4.2 kJ/(kg·℃)；Δt为水的温差，48℃。

根据式（3）可求得水箱有效容积为4.7 m3，考虑到内置换热器所占面积，实际设计为6.0 m3。

2.2.2 太阳能系统的运行控制

太阳能集热系统循环采用温度控制方式，设定温差控制Δt0=5℃，即集热器出口温度高于水箱温度且温差达到5℃时，太阳能循环水泵启动；温度平衡时，水泵停止运行。

太阳能蒸发器和常规蒸发器之间的切换采用常规蒸发器表面温度传感器自动切换，即常规蒸发器表面温度低于3℃时，太阳能蒸发器运行，常规蒸发器关闭，防止结霜，当常规蒸发器表面温度达到10℃时，切换到唱过蒸发器运行。这样的控制方式可同时满足极低气温天气条件下的运行和防止正常气温条件下的结霜。

2.3 系统运行测试

该系统于2015年完成，楼顶敷设100 m2真空管太阳能集热器，其中真空管规格为φ58×1800，每支真空管充注防冻液量3.12 kg，热泵太阳能蒸发器置于热水箱中。经过2015年一个采暖期（2015年11月1日～2016年3月31日）运行，运行结果表明：白天，太阳能热泵运行的平均COP在4.0左右，输入功率Pm为4.6 kW，COP较机组标定COP高，这是因为该机组消除了除霜和电辅热增加的功耗，但气温较低天气时蒸发器切换较为频繁；夜间，太阳能热泵运行的平均COP在4.7左右，输入功率Pn为3.9 kW，整个实测值与设计值较为接近，运行效果理想。

3 经济效益分析

3.1 初投资

与常规机组相比，太阳能热泵系统增加了太阳能集热系统的初投资费用（集热器、热水箱、太阳能循环控制系统、太阳能蒸发器）。费用构成见表3，由表3可知，太阳能热泵系统较常规系统初投资多2.45万元。

表3 初投资对比（万元）

3.2 运行费用及投资回收期

太阳能热泵系统与常规系统运行费用比较如表4。

表4 运行费用及投资回收期

4 结论

1）太阳能热泵的应用，如果按照常规设计，势必会因初投资高，投资回收期长而不被人们接收，在对系统进行设计时，需要针对地区可再生能源特点和经济状况进行合理的分析，控制初投资，这样才具推广价值。

2）系统运行控制是能否达到节能的关键所在，本工程在分析建筑特征的基础上，分别采用值班采暖（白天宿舍区值班采暖、夜间办公区值班采暖）运行模式和除霜自动切换模式，既满足室内采暖的需要，又最大可能的节约了能源。

3）从系统运行监测表明：采用太阳能热泵运行模式时，1台主机基本能满足要求，而常规热泵运行时，需要1台主机满负荷运行，另一台间隙运行才能满足要求，但两种模式的运行费用均较按照负荷计算出的费用低。这说明纯粹按照负荷设计的系统还有较大的富余量，在后期系统设计是可考虑减小富余量，降低初投资。