太阳能辅助空气源热泵供暖系统的试验研究

杨述星

摘要：选取兰州地区典型年12月和1月的气象资料，进行太阳能辅助空气源热泵供暖系统的模拟试验。研究表明：太阳能辅助空气源热泵供暖系统比太阳能集热器供暖系统对室内温度的提升效果明显;由于热泵蒸发器的存在，减小了太阳辐射对室内温度提升速度的影响，有利于维持室内温度的恒定。所得结果为太阳能辅助空气源热泵在建筑供暖系统中的应用提供借鉴。

关键词：太阳能;空气源热泵;供热

中图分类号：TK51文献标志码：A

0引言

虽然我国大部分地区总体太阳能辐射量大，但辐射情况随季节的变化大，研发一年四季可用于建筑物的太阳能供暖技术，这对实现节能减排意义重大。

随着双碳目标的提出，太阳能在住宅系统中的供暖越来越多的受到了关注。赵金秀等[1]对农宅中太阳能供暖系统与燃煤炉供暖系统进行了测试对比，得出农宅中采用太阳能供暖舒适性和经济效益都更好。马文生等⑵对主被动式太阳能暖房进行了现场测试，分析了外保温、太阳能技术对室内热性能的影响。卞峰等[3]利用DEST数值模拟软件对民用建筑中太阳能辅助空气源热泵供暖体系的热负荷效率开展了探讨，得出该供暖系统具有很好的经济性。王宏伟等[4]通过现场试验提出了太阳能与地源热泵联合供暖体系，解决了这两种体系单独供暖时各自存在的缺陷。韩喜莲等[5]提出了一种既能一年四季提供热水，又能使热泵系统循环条件得到改善的太阳能-空气源热泵体系。罗淑湘等[6]对平谷区一太阳能供暖建筑的能耗情况开展了长期监测，得出太阳能供暖系统可以满足室内温度要求。司鹏飞等[7]针对传统太阳能供暖体系存在的问题，提出了有效太阳辐照度与有效集热量，分析了拉萨地区的有效太阳辐射照度，并与日平均集热量计算方法进行了对比分析。高蓬辉等[8]对设计的太阳能供热系统进行了实验研究，得出蓄热式太阳能供暖系统供热效果较好，针对徐州地区的气候条件能满足冬季的供暖要求。

目前，太阳能辅助空气源热泵技术在中国逐步进入了应用阶段，但在改善热环境效果方面还有待验证。笔者通过兰州地区一太阳能辅助空气源热泵暖房的现场测试，分析了太阳能辅助空气源热泵供暖系统的优势，并对实际应用效果进行了综合评价。

1测试数据及分析

实验期持续42 d，跨度为整个采暖期的28%，选取的典型气象日包括晴天、阴雨天、冬季最冷日，测试数据如下。

1.1晴天

测试时段9：00～17：00，测试数据有：日累计总太阳辐射量H=19.3 MJ/II？、环境温度片、太阳能集热量，具体气象参数如图1所示。

由图1知，在接近中午和中午时段10：30～15：00太阳辐射最高，太阳能累计辐射量累计为18.9 MJ/m2，在中午12：00～14：00的时间段内室外温度最高，温度达到-7.4℃;该室外温度状况占实验时段的59.5%。

1.2阴雨天

阴雨天测试时段为9：00～ 17：00，测试天气为小雪。计算机记录的阴雨天测试数据有：日累计总太阳辐射量H=9.2 MJ/m2、环境温度、太阳能集热量，具体气象参数如图2所示。

由图2可得，测试日11：00～15：00的時间段内太阳辐射最高，测得太阳能累计辐射量为9 MJ/m。，中午时段12：30～14：30室外温度最高，室外平均温度达到-8.7龙;实验过程中有13 d类似的温度状况。

1.3冬季最冷日

1月3日9：00～17：00开展测试，天气为阴。记录的数据有：日累计总太阳辐射量H=12.9 MJ/、环境温度、太阳能板集热量，具体气象参数如图3所示。

由图3可得，在10：20-14：50的时间段内太阳辐射最高，测得太阳能累计辐射量为18.9 MJ/m＼在中午时段12：15～13：45室外温度最高，室外的日平均温度为;类似的室外热环境占实验总共时间的9.5%。

2太阳能集热板的性能

利用计算机控制系统收集到的太阳能集热板上的相关数据，对其相关性能开展分析，得到兰州市太阳能热泵利用太阳能的状况及该太阳能集热设备的利用情况（具体如图4所示）。从图4可得，不同气象条件下，在中午时段11：40～ 14：40太阳能集热板收集的热量最高。因而中午3 h的时间段是兰州市太阳能集热设备最佳采暖时间，辐射量的大小对集热量影响最为显著。

图5记录了最冷日太阳能辐射量与集热器效率随时间的变化情况。从图5知太阳辐射量增加时集热效率随着增大，中午时段13：15达到最大值0.51，而后随着太阳能辐射量的降低太阳能板集热效率逐渐降低，在测试时段的最冷日集热效率还能达到0.24～0.52，说明该太阳能集热板相比其他集热设备在集热效率上有很大优势，具有推广必要性和较高的供暖效率。

3太阳能热泵无水地暖的性能实验与分析

在太阳能热泵无水地暖系统中，热泵即是循环过程的散热设备、也是冷凝设备，地板的辐射热采暖性能高低对整个系统的运行有直接影响。与常规散热器相比地暖进出口的温度要低，该较低的温度状况大大提高了太阳能热泵无水地暖系统的供暖效率，节约了能源、降低了能耗。

图6～ 8给出了在晴天、阴雨天、最冷日气象环境下太阳能热泵无水地暖系统采暖过程中的室外温度、室内温度及地板表面温度随时间的变化情况。对比不同气象条件的采暖情况，可知在晴天太阳能辐射状况下地板升温速度最快，从上午9：00～9：50不到1小时的时段内地板温度从3.9 ℃升高到20.9℃在最冷日气候条件下9：00～10：30时段内地板温度从3.5乞上升到20.1乞。可以看出不同气象条件下对应的太阳能辐射热对太阳能热泵无水地暖地板表面温度的提升快慢起着绝对的作用。

通过分析晴天、阴雨天、最冷日气象环境下室内温度与地板表面温度的关系，发现地板表面温度和室内温度皆随着室外温度的升高逐渐上升，并且可以发现升温过程中地板温度和室温的差值保持为定值1～ 3℃;温度升高达到定值后，太阳能热泵无水地暖系统的地板温度和室温的温差始终保持在3～ 6 ℃，这是由于室内温度达到设定温度后太阳能热泵无水地暖控制系统降低了运行功率，储存了部分热能，以便后续太阳能集热量下降后为室内的升温提供保障。

4实验供暖房热环境的试验与分析

通过试验研究了供暖实验房热环境的逐时变化情况（具体如图9所示），通过室外温度、室内温度、围护结构及供暖实验房系统消耗电量来反应供暖房热环境的变化，得到供暖实验房的需热负荷和得热情况，以此得出太阳能热泵无水地暖的供暖性能（具体如图10所示）。

从图9可以看出，实验房间得热量的变化与太阳辐射量及环境温度有关，室外热环境越恶劣太阳能热泵无水地暖系统的得热量越小。太阳能热泵无水地暖系统开始运行时，实验房得热量波动很大，一方面是因为集热器初始运行中系统工况不稳定导致的，另外初始运行时需要热量消除太阳能集热器表面局部结霜消耗了部分热量。

从图9和图10可以发现供暖热量能够满足实验房的热负荷。从图10不同热环境下采暖房的逐时热负荷得出兰州市的热负荷需求时段集中在早上11：30以前与下午16：30以后，室内热负荷主要受环境温度所决定。

5结论

对采暖期一模拟实验房温度的变化情况开展研究，得到的結论主要有：

（1）不同室外热环境下，最冷日太阳能热泵无水地暖集热器的效率最高达到51%、最低可达24%，相比一般的太阳能集热器在冬季建筑物供暖中太阳能热泵无水地暖具有很大的优势。

（2）供暖系统启动后，室内温度从3℃提升到16℃仅用了44min，太阳能热泵无水地暖与一般的太阳能供暖系统相比温度提升速度优势明显。

（3）通过对晴天、阴雨天、最冷日太阳能辐射量对供暖系统的影响研究，得出热泵蒸发器使室内温度的提升受太阳辐射量的影响减小，这对维持室内温度的恒定具有重要意义。

参考文献：

[1]赵金秀，任春立，温翠玲，等.北方寒冷地区农宅太阳能供暖试验研究[J].唐山学院学报，2020，32（6）：55-60.

[2]马文生，刘景东，郭强，等.高寒地区主被动式太阳能暖房热性能实测研究[J].太阳能学报，2020，41（11）：64-70.

[3]卞峰，梁慧媛，牛蔚然.空气源热泵辅助太阳能供暖技术经济性分析[J].煤气与热力，2018，38（9）：19-23.

[4]王宏伟，于鑫.太阳能-地源热泵系统供暖模式[J]就阳建筑大学学报（自然科学版），2013，29（3）：519-524.

[5]韩喜莲，朱垚宇，李超，等.太阳能-空气源热泵供暖系统研究[J].低温建筑技术，2018，40（11）：118-120.

[6]罗淑湘，徐晨辉，朱敦智，等.太阳能辅助供暖建筑能耗监测研究[J].建筑科学，2012，28（4）：25-28，81.

[7]司鹏飞，戎向阳，石利军，等，太阳能供暖的有效集热量与有效太阳辐照度[J].暖通空调，2020，50（2）：22-28.

[8]高蓬辉，纪绍斌，周国庆，等，太阳能蓄热式供暖系统的实验研究[J].节能，2012（2）：39-44.