崔玉 高理福*

西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

作為可再生能源利用之一的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，在嚴(yán)寒（寒冷）而太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)用于解決冬季供熱、夏季生活熱水方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。位于四川省西部的甘孜州，南北方向上年均氣溫相差達(dá)17℃以上[1]。當(dāng)?shù)囟練鉁氐偷照斩啵Ｄ耆照諘r(shí)數(shù)一般為1900～2600 h，年總輻射量多為 120～160 kcal/cm2[2]。此外，當(dāng)?shù)厮娰Y源豐富、天然氣能源匱乏、經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重滯后。本文在充分上述考慮地區(qū)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，針對(duì)該地某一項(xiàng)目進(jìn)行方案擬定，采用太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)，在白天，空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行；在夜間，系統(tǒng)利用白天收集的太陽(yáng)能進(jìn)行聯(lián)合供暖。本系統(tǒng)既能充分利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗@著提高系統(tǒng)能效，又符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，適宜在該地區(qū)大力推廣。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于四川甘孜州康定縣，該建筑為辦公樓，建筑面積為450 m2，地上兩層，一樓為辦公室，二樓為職工宿舍，全框架結(jié)構(gòu)，常駐人員約10人，冬季供暖熱負(fù)荷為37.4 kW；熱水負(fù)荷20 kW。不考慮夏季制冷，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18～20℃。當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源、氣候條件等見(jiàn)表1～2。從表中可以看出：該地區(qū)冬季（11月～3月）水平面上日平均輻射量為4.26 kWh/m2，月平均日照時(shí)數(shù)為221.8 h（日均7.4 h），屬太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)；冬季日間平均氣溫4～8℃，夜間平均氣溫-3～-9℃，晝夜溫差大，夜間負(fù)荷占負(fù)荷總數(shù)的66.7%。

表1 康定縣水平面上太陽(yáng)輻照強(qiáng)度及日照時(shí)數(shù)

表2 康定縣氣候條件

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制運(yùn)行策略

根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源、氣溫條件等因素及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況綜合考慮，方案擬采用太陽(yáng)能—空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)來(lái)滿足用戶冬季供暖，四季提供生活熱水。

2.1 工作原理與運(yùn)行模式

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，根據(jù)季節(jié)和天氣等影響因素，主要分為以下2種運(yùn)行模式：

1）冬季白天的平均氣溫為4～8℃，系統(tǒng)按照常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行，即閥門(mén)2關(guān)閉，閥門(mén)3開(kāi)啟，太陽(yáng)能集熱器集熱儲(chǔ)水，遇低溫天氣時(shí)，利用太陽(yáng)能輔助除霜（即由常規(guī)蒸發(fā)器7自動(dòng)切換到太陽(yáng)能蒸發(fā)器運(yùn)行，常規(guī)蒸發(fā)器自然除霜）；冬季夜間運(yùn)行太陽(yáng)能蒸發(fā)器，保證在低溫情況下機(jī)組的COP。

2）其余季節(jié)：空氣源熱泵處于關(guān)閉狀態(tài)，太陽(yáng)能系統(tǒng)供應(yīng)熱水。

圖1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)原理圖

采用這種運(yùn)行模式的優(yōu)勢(shì)在于：該地區(qū)冬季晝夜溫差大，白天日照充分，室外平均氣溫一般在4～8℃之間，白天直接運(yùn)行空氣源熱泵，能效相對(duì)較高；而在夜間，其溫度平均在-3～-9℃之間，此時(shí)，利用白天儲(chǔ)存的太陽(yáng)能熱水作為熱源，能有效提高熱泵的能效。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制

熱源選用具有補(bǔ)氣增焓技術(shù)的空氣源熱泵、該類(lèi)型熱泵可在室外較低溫度下具有相對(duì)較高的COP（如圖2）。用于保證系統(tǒng)白天運(yùn)行的COP。常規(guī)熱泵系統(tǒng)需3臺(tái)15 kW機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，本系統(tǒng)可選用2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，制熱額定輸入功率為3.9 kW，機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖2 某補(bǔ)氣增焓機(jī)組的溫度-性能曲線

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照僅提供冬季夜間運(yùn)行所需的熱量、生活熱水量所需熱量。由于極端氣候所需熱量和除霜所需熱量無(wú)法精確計(jì)算，所以本設(shè)計(jì)中利用生活熱水富余量及太陽(yáng)強(qiáng)輻照日的富余量，采用自動(dòng)控制方式彌補(bǔ)。

2.2.1 太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)計(jì)算：

1）滿足太陽(yáng)能蒸發(fā)器的太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)白天、夜間的室內(nèi)外溫差對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行分配，夜間和白天熱負(fù)荷分別為24.9 kW、12.5 kW；根據(jù)機(jī)組性能曲線，理論上白天機(jī)組的COP在3.4左右，夜間利用太陽(yáng)能熱水作為蒸發(fā)源，其原理相當(dāng)于水源熱泵機(jī)組，因此，暫定COP為5.0，而夜間按照（圖2）常規(guī)熱泵運(yùn)行的機(jī)組COP為2.4，以COP差值為設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)所需太陽(yáng)能集熱器面積。由計(jì)算得知：為滿足以上條件，太陽(yáng)能集熱器需要提供的熱量為：承擔(dān)宿舍負(fù)荷10.0 kW，承擔(dān)夜間辦公區(qū)域值班采暖負(fù)荷4.8 kW，夜間總負(fù)荷為14.8 kW。供暖時(shí)間為16.6 h（冬季平均日照時(shí)間為7.4 h/d），所需總熱量為Qf=884.4 MJ。根據(jù)該地區(qū)的（傾角為 33°傾斜面）輻射量JT=22.6×106J/(m2d)，集熱器平均集熱效率 ηcd=0.6，管路系統(tǒng)熱損失率ηL=0.18，最后由式（1）可得太陽(yáng)能集熱器面積[4]。

式中：Ac1為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；Qf為夜間太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)需提供熱量，MJ；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系亩酒骄仗?yáng)輻照量，22.6 MJ/(m2d)；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，60%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，18%。

由式（1）得：Ac1=79.5 m2。

2）滿足生活熱水及除霜期熱水量的太陽(yáng)能集熱器面積設(shè)計(jì)計(jì)算

按照衛(wèi)生器具用水定額得到耗熱量為QH=701 34.6 kJ。太陽(yáng)能集熱器總面積可按下式計(jì)算：

式中：Ac2為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；QH為衛(wèi)生熱水耗熱量，701 34.6 kJ；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻照量，22.6 MJ/m2·d；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，60%；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，18%。

利用式（2）可求得：Ac1=6.3 m2

集熱器面積Ac最后設(shè)計(jì)為100 m2。

3）儲(chǔ)熱水箱設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所需總熱量為采暖（夜間）及生活熱水總熱量QF及QH之和，即為Q=954.4 MJ，設(shè)定儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水由7℃升溫至55℃，根據(jù)公式：

式中：m 為儲(chǔ)熱水箱水量，kg；Q 為總耗熱量，MJ；Cw為水的定壓比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)；Δt為水的溫差，48℃。

根據(jù)式（3）可求得水箱有效容積為4.7 m3，考慮到內(nèi)置換熱器所占面積，實(shí)際設(shè)計(jì)為6.0 m3。

2.2.2 太陽(yáng)能系統(tǒng)的運(yùn)行控制

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)循環(huán)采用溫度控制方式，設(shè)定溫差控制Δt0=5℃，即集熱器出口溫度高于水箱溫度且溫差達(dá)到5℃時(shí)，太陽(yáng)能循環(huán)水泵啟動(dòng)；溫度平衡時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

太陽(yáng)能蒸發(fā)器和常規(guī)蒸發(fā)器之間的切換采用常規(guī)蒸發(fā)器表面溫度傳感器自動(dòng)切換，即常規(guī)蒸發(fā)器表面溫度低于3℃時(shí)，太陽(yáng)能蒸發(fā)器運(yùn)行，常規(guī)蒸發(fā)器關(guān)閉，防止結(jié)霜，當(dāng)常規(guī)蒸發(fā)器表面溫度達(dá)到10℃時(shí)，切換到唱過(guò)蒸發(fā)器運(yùn)行。這樣的控制方式可同時(shí)滿足極低氣溫天氣條件下的運(yùn)行和防止正常氣溫條件下的結(jié)霜。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

該系統(tǒng)于2015年完成，樓頂敷設(shè)100 m2真空管太陽(yáng)能集熱器，其中真空管規(guī)格為φ58×1800，每支真空管充注防凍液量3.12 kg，熱泵太陽(yáng)能蒸發(fā)器置于熱水箱中。經(jīng)過(guò)2015年一個(gè)采暖期（2015年11月1日～2016年3月31日）運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明：白天，太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行的平均COP在4.0左右，輸入功率Pm為4.6 kW，COP較機(jī)組標(biāo)定COP高，這是因?yàn)樵摍C(jī)組消除了除霜和電輔熱增加的功耗，但氣溫較低天氣時(shí)蒸發(fā)器切換較為頻繁；夜間，太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行的平均COP在4.7左右，輸入功率Pn為3.9 kW，整個(gè)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值較為接近，運(yùn)行效果理想。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 初投資

與常規(guī)機(jī)組相比，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)增加了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的初投資費(fèi)用（集熱器、熱水箱、太陽(yáng)能循環(huán)控制系統(tǒng)、太陽(yáng)能蒸發(fā)器）。費(fèi)用構(gòu)成見(jiàn)表3，由表3可知，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)初投資多2.45萬(wàn)元。

表3 初投資對(duì)比（萬(wàn)元）

3.2 運(yùn)行費(fèi)用及投資回收期

太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較如表4。

表4 運(yùn)行費(fèi)用及投資回收期

4 結(jié)論

1）太陽(yáng)能熱泵的應(yīng)用，如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)因初投資高，投資回收期長(zhǎng)而不被人們接收，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)地區(qū)可再生能源特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行合理的分析，控制初投資，這樣才具推廣價(jià)值。

2）系統(tǒng)運(yùn)行控制是能否達(dá)到節(jié)能的關(guān)鍵所在，本工程在分析建筑特征的基礎(chǔ)上，分別采用值班采暖（白天宿舍區(qū)值班采暖、夜間辦公區(qū)值班采暖）運(yùn)行模式和除霜自動(dòng)切換模式，既滿足室內(nèi)采暖的需要，又最大可能的節(jié)約了能源。

3）從系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)表明：采用太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行模式時(shí)，1臺(tái)主機(jī)基本能滿足要求，而常規(guī)熱泵運(yùn)行時(shí)，需要1臺(tái)主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，另一臺(tái)間隙運(yùn)行才能滿足要求，但兩種模式的運(yùn)行費(fèi)用均較按照負(fù)荷計(jì)算出的費(fèi)用低。這說(shuō)明純粹按照負(fù)荷設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還有較大的富余量，在后期系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可考慮減小富余量，降低初投資。