杜永恒，張亞南，楊 蕾，朱俊超

(河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，鄭州 450000)

0 引言

2020年9月22日，第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論舉行，在會議上，習(xí)近平主席明確表示，中國將努力采取更有效的措施，提高中國對氣候變化的自主貢獻(xiàn)，爭取在2030年達(dá)到二氧化碳排放峰值(即碳達(dá)峰)，并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[1](下文簡稱為“‘30?60’雙碳目標(biāo)”)。在國家“30?60”雙碳目標(biāo)下，清潔供暖的適用范圍更加廣泛，且實(shí)施需要本著“安全、高效、清潔、低碳、經(jīng)濟(jì)、智能”的原則。

1)安全：主要是指供暖過程中無事故發(fā)生，清潔供暖的第一要求永遠(yuǎn)是安全。

2)高效：是指最大限度地利用熱源或保證低碳加熱過程的節(jié)能。

3)清潔：是要求供暖對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響最小化。

4)低碳：是要求供暖的碳排放應(yīng)盡可能少。

5)經(jīng)濟(jì)：是要求以居民可承受的供暖成本保證其溫暖過冬。

6)智能：是指熱源的選擇應(yīng)當(dāng)因地制宜，應(yīng)本著“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，宜柴則柴”的原則進(jìn)行選擇[2]，實(shí)現(xiàn)供暖過程的能源互補(bǔ)、品位對口、梯級利用、管理智能化。

總體而言，清潔供暖需要以技術(shù)可行、能耗低、環(huán)境友好無污染、經(jīng)濟(jì)合理的方式進(jìn)行供暖設(shè)計。

目前，村鎮(zhèn)的農(nóng)村住宅清潔供暖仍是亟待解決的問題，需要充分考慮農(nóng)村住宅自身供暖需求及特點(diǎn)，選取合適的分布式供暖方式。基于運(yùn)行成本及便捷性等方面考慮，空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在中國北方地區(qū)冬季供暖中的應(yīng)用越來越廣泛，成為北方地區(qū)農(nóng)村清潔取暖改造的首選產(chǎn)品，但空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)仍面臨在室外低溫環(huán)境下供暖性能衰減、室內(nèi)冬季取暖效果變差等問題。結(jié)合農(nóng)村住宅本身樓間距較大且具有獨(dú)立院子等優(yōu)勢，部分學(xué)者提出將太陽能與空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)相結(jié)合來提升低溫情況下空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的供暖性能。White等[3]對空氣源熱泵-太陽能集熱器復(fù)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)供暖方式相比，該復(fù)合供暖系統(tǒng)不僅減少了供暖費(fèi)用，還使室內(nèi)溫度始終保持在一個相對穩(wěn)定舒適的水平。測試期間恰逢英國處于暖冬，該空氣源熱泵-太陽能集熱器復(fù)合供暖系統(tǒng)的能效比(COP)為3.99，證明該復(fù)合供暖系統(tǒng)在英國用戶家中使用具有積極效果。周光輝等[4]設(shè)計了以非同態(tài)雙熱源復(fù)合換熱器為核心技術(shù)部件的太陽能輔助空氣源復(fù)合熱泵，并對該裝置的性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：在冬季低溫時，該復(fù)合熱泵的供熱性能明顯優(yōu)于單一空氣源熱泵的供熱性能，在GB/T 7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定的環(huán)境溫度為-7℃的超低溫工況下，該復(fù)合熱泵的制熱量較單一空氣源熱泵的制熱量提高了24%，制熱COP提高了25%以上。

為實(shí)現(xiàn)太陽能-空氣源復(fù)合供暖，達(dá)到嚴(yán)寒地區(qū)高效供暖的目的，本文提出一種太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置，對該集成裝置的技術(shù)原理和控制策略進(jìn)行介紹，并以嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱為例，對該集成裝置的供暖效果進(jìn)行模擬應(yīng)用分析。該集成裝置主要為可再生能源在農(nóng)村住宅中的使用，可克服可再生能源各自的缺點(diǎn)，增加可再生能源利用的可靠性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村住宅的清潔取暖，改善農(nóng)村住宅的人居環(huán)境，同時可為未來可再生能源在村鎮(zhèn)農(nóng)村住宅的應(yīng)用發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的技術(shù)原理

本文提出的太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置是一種結(jié)合太陽能與低溫空氣源的雙能源復(fù)合高效多功能集成裝置，該集成裝置由帶蓄能芯的熱風(fēng)型太陽能集熱器(直接式)、低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)(分為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī))、風(fēng)機(jī)組成。在冬季時，該集成裝置既可以通過熱風(fēng)型太陽能集熱器直接給用戶端的室內(nèi)供暖，又可以將太陽能集熱器作為低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的輔助熱源，從而提高低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在冬季供暖的能效，實(shí)現(xiàn)能源的互補(bǔ)，滿足用戶冬季的供暖需求，給用戶的日常生活帶來了極大便利。該集成裝置采用熱風(fēng)型太陽能集熱器，該集熱器帶有蓄能芯，可以解決熱水型太陽能集熱器冬季儲存和防凍的問題，并能延長太陽能集熱器模塊供暖時長。太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的技術(shù)原理示意圖如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的技術(shù)原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of technical principles of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

2 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的控制策略

本文設(shè)計的太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置共有3種工作模式，具體為：

1)工作模式1：熱風(fēng)型太陽能集熱器單獨(dú)運(yùn)行，即太陽能集熱器模塊直供模式；

2)工作模式2：低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行；

3)工作模式3：熱風(fēng)型太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行。

為了更好地發(fā)揮太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置在農(nóng)村住宅供暖中的應(yīng)用優(yōu)勢，綜合考慮提高設(shè)備運(yùn)行性能后，提出該集成裝置的控制策略，具體如圖2所示。當(dāng)室內(nèi)溫度低于14 ℃[5]時，啟動太陽能集熱器模塊的風(fēng)機(jī)，熱風(fēng)型太陽能集熱器的出風(fēng)溫度大于等于35 ℃時[6]，該集成裝置采用工作模式1運(yùn)行；熱風(fēng)型太陽能集熱器的出風(fēng)溫度小于35 ℃且其與室外環(huán)境溫度相差小于5 ℃時，該集成裝置采用工作模式2運(yùn)行；熱風(fēng)型太陽能集熱器的出風(fēng)溫度小于35 ℃且其與室外環(huán)境溫度相差大于等于5 ℃時，該集成裝置采用工作模式3運(yùn)行。

圖2 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的控制策略Fig. 2 Control strategy of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

3 模擬應(yīng)用分析

為驗(yàn)證太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅供暖中的應(yīng)用效果，本文以哈爾濱地區(qū)為例，選取由單明團(tuán)隊提出的典型農(nóng)村住宅模型[7]作為應(yīng)用對象，對該集成裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬分析，并主要對比分析分別采用該集成裝置供暖與低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)供暖的效果。

該典型農(nóng)村住宅模型共有3間房，職能房間包括客廳、臥室(考慮廚房一般不需要取暖，因此該模型忽略了廚房)，整個模型為坐北朝南，房間供暖總面積為79.2 m2，高度為3.3 m，屋頂為坡屋頂。該典型農(nóng)村住宅模型的平面圖如圖3所示。嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及參數(shù)如表1所示。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及參數(shù)Table 1 Construction and parameters of enclosure structure for rural residential buildings in severe cold regions

圖3 某典型農(nóng)村住宅模型的平面圖Fig. 3 Plan view of a typical rural residential building model

3.1 負(fù)荷模擬分析

結(jié)合農(nóng)村住宅冬季供暖室內(nèi)熱舒適性的需求，充分考慮哈爾濱地區(qū)的氣象條件，利用TRNSYS軟件建立該典型農(nóng)村住宅的熱負(fù)荷仿真模型，如圖4所示。

圖4 典型農(nóng)村住宅的熱負(fù)荷仿真模型Fig. 4 Simulation model of heat load of typical rural residential buildings

哈爾濱地區(qū)供暖季的時間為10月20日～次年4月20日，共計183天。利用該模型對典型農(nóng)村住宅的冬季供暖熱負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，得到其冬季供暖逐時熱負(fù)荷模擬結(jié)果，如圖5所示。

圖5 典型農(nóng)村住宅冬季供暖逐時熱負(fù)荷模擬結(jié)果Fig. 5 Simulation results of hourly heat load for typical rural residential buildings heating in winter

從圖5可以看出：整個供暖季，該典型農(nóng)村住宅的逐時熱負(fù)荷先升高后降低，供暖逐時熱負(fù)荷峰值出現(xiàn)在12月，最大值為10.98 kW，根據(jù)完整數(shù)據(jù)表可知該值對應(yīng)時間為12月28日的06:00。而供暖初期和末期由于室外環(huán)境溫度較高，因此這兩個階段的室內(nèi)供暖需求明顯降低。整個供暖季該典型農(nóng)村住宅的平均熱負(fù)荷為5.85 kW。

根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，初步選定在供暖季每天11:00～17:00僅采用集成裝置的太陽能集熱器模塊直供模式。根據(jù)典型農(nóng)村住宅供暖季這一時段內(nèi)的逐時熱負(fù)荷得到其負(fù)荷指標(biāo)，如表2所示。

表2 供暖季典型農(nóng)村住宅的負(fù)荷指標(biāo)Table 2 Load indicators of typical rural residential buildings during the heating season

3.2 選型設(shè)計

3.2.1 太陽能集熱器選型

根據(jù)模擬得到的供暖季11:00～17:00時段典型農(nóng)村住宅的平均熱負(fù)荷進(jìn)行太陽能集熱器選型。

直接式太陽能集熱器面積Ac的計算式[8]為：

式中：QH為供暖季時建筑物的熱負(fù)荷(即設(shè)計負(fù)荷)，W；Jτ為當(dāng)?shù)靥柲芗療崞鞑晒饷嫔系娜掌骄栞椪樟?，J/(m2?d)；f為太陽能負(fù)荷率，%；ηcd為熱風(fēng)型太陽能集熱器的平均集熱效率，%；ηL為管路的熱損失率，%，一般為20%～30%，本文取20%。

根據(jù)上文進(jìn)行太陽能集熱器選型，太陽能集熱器安裝傾角應(yīng)選擇有利于供暖的角度，即安裝傾角需比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°。太陽能集熱器參數(shù)如表3所示。

表3 太陽能集熱器參數(shù)Table 3 Parameters of solar collector

根據(jù)GB 50495—2019《太陽能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中表5.2.4的要求，太陽能集熱器單位面積設(shè)計流量為36 m3/h，根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽能集熱器的風(fēng)機(jī)配置，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為936 m3/h，功率為0.2 kW。

3.2.2 低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)供暖季典型農(nóng)村住宅最大逐時熱負(fù)荷進(jìn)行低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的選型。低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在實(shí)際工況下的制熱量Q的計算式為：

式中：q為低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下的制熱量，kW；K1為干球溫度修正系數(shù)，本文研究嚴(yán)寒地區(qū)，取0.8；K2為低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)融霜修正系數(shù)，本文取0.9[9]。

基于干球溫度修正系數(shù)及低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)融霜修正系數(shù)修正后的設(shè)備選型如表4所示。

表4 低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)選型Table 4 Selection of air heater for low-temperature air source heat pump

3.2.3 空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置

空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置主要用于熱風(fēng)型太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的工作模式，即熱風(fēng)型太陽能集熱器將符合邏輯控制的溫度送入空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置后，連接裝置可將熱風(fēng)均勻的送至低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的回風(fēng)面，提高低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的回風(fēng)溫度，從而提高其供暖效果。根據(jù)低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)室外機(jī)的實(shí)際尺寸定制空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置，如圖6所示。

圖6 空氣源熱泵與太陽能集熱器連接裝置Fig. 6 Connection device of air source heat pump and solar collector

3.3 計算模型

根據(jù)太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的技術(shù)原理及控制策略搭建該集成裝置的供暖仿真模型，充分考慮計算準(zhǔn)確性及計算時效性，仿真邏輯判別時間設(shè)定為0.125 h，該集成裝置的供暖仿真模型如圖7所示，低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的供暖仿真模型如圖8所示。

圖7 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的供暖仿真模型Fig. 7 Heating simulation model of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

圖8 低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的供暖仿真模型Fig. 8 Heating simulation model of air heater for low-temperature air source heat pump

3.4 模擬結(jié)果及分析

供暖季中太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置逐月輸入室內(nèi)的熱量如圖9所示。

圖9 供暖季中太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置逐月輸入室內(nèi)的熱量Fig. 9 Monthly input of room heat of solar-air dual energy composite and efficient integrated device during heating season

從圖9可以看出：供暖季中，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置逐月輸入室內(nèi)的熱量存在差異，其中1月輸入室內(nèi)的熱量最多，主要原因在于1月是哈爾濱地區(qū)最冷的月份，室內(nèi)外溫差大，農(nóng)村住宅供暖的熱負(fù)荷增大，導(dǎo)致該集成裝置的供熱量增大；10月及4月輸入室內(nèi)的熱量較少，主要是因?yàn)檫@兩個月份的室外環(huán)境溫度較高且當(dāng)月的供暖時間較短。

對供暖季分別采用太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置和低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖的情況進(jìn)行對比分析，不同供暖方式的逐月能耗如圖10所示。

圖10 供暖季不同供暖方式的逐月能耗Fig. 10 Monthly energy consumption of different heating methods during heating season

從圖10可以看出：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的能耗低于低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖的能耗，這主要是因?yàn)樵摷裳b置中太陽能集熱器直供模式的耗電設(shè)備主要為風(fēng)機(jī)，耗電量較小。能耗整體分布趨勢與輸入室內(nèi)的熱量分布趨勢一致，兩種供暖方式的最高能耗都出現(xiàn)在1月，且隨著室外環(huán)境溫度提高，兩種供暖方式的能耗差值越大，這是由于室外環(huán)境溫度高時，太陽能集熱器接收的太陽輻射量較高，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置采用太陽能集熱器直供模式的工作時間變長，從而減少了該集成裝置的能耗。

供暖季不同供暖方式的逐月制熱COP如圖11所示。

圖11 供暖季不同供暖方式的逐月制熱COPFig. 11 Monthly heating COP of different heating methods during heating season

從圖11可以看出：太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的制熱COP明顯高于低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱COP，這是因?yàn)樵摷裳b置中的太陽能集熱器直供模式輸入熱量的占比較大且能耗較低。低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱COP波動較小，整體趨勢為先減小后升高，主要是受室外環(huán)境溫度的影響。該集成裝置的制熱COP整體趨勢為先減小后增大，其中4月時最高，達(dá)到13.95，主要是因?yàn)?月太陽能集熱器直供模式輸入熱量的占比較大，受太陽能資源情況的影響較大。

太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置各供暖模塊的逐月制熱量和逐月能耗分別如圖12、圖13所示。

圖12 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置各供暖模塊的逐月制熱量Fig. 12 Monthly heating capacity of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

圖13 太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置各供暖模塊的逐月能耗Fig. 13 Monthly energy consumption of each heating module of solar-air dual energy composite and efficient integrated device

從圖12可以看出：太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置供暖過程中，低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)模塊輸入室內(nèi)熱量的占比較大，太陽能集熱器模塊輸入室內(nèi)熱量的占比較小，這主要是因?yàn)椴捎锰柲芗療崞髦惫┠Ｊ綍r，熱風(fēng)型太陽能集熱器的工作時間受日出日落時間限制，且出風(fēng)溫度要達(dá)到大于等于35 ℃才能送入室內(nèi)。4月時太陽能集熱器模塊輸入室內(nèi)熱量的占比明顯提升，主要是受太陽輻射量的影響。太陽能集熱器模塊輸入室內(nèi)熱量占整個集成裝置輸入室內(nèi)熱量的比例隨室外環(huán)境溫度的降低而越低。

從圖13可以看出：太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置供暖過程中，低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)模塊的能耗占比大，太陽能集熱器模塊的能耗占比小，這是因?yàn)樘柲芗療崞髦惫┠Ｊ絻H有風(fēng)機(jī)運(yùn)行，能耗較小。各供暖模塊的逐月能耗變化趨勢與逐月輸入室內(nèi)的熱量變化一致，而10月及4月由于室外環(huán)境溫度較高，導(dǎo)致該集成裝置的整體耗能較少。

整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置不同工作模式的工作時間及其占比如圖14所示。

圖14 整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置不同工作模式的工作時間及其占比Fig. 14 Working time and proportion of different operating modes of solar-air dual energy composite and efficient integrated device throughout the heating season

從圖14可以看出：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置采用太陽能集熱器直供模式(工作模式1)的時間占22.36%，太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式(工作模式3)的時間占8.35%，其余69.29%的時間都為低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行(工作模式2)。工作模式1的日平均工作時間為5.37 h，工作模式3的日平均工作時間為2.00 h，工作模式2的日平均工作時間為16.63 h。

供暖季典型農(nóng)村住宅采用不同供暖方式時的供暖參數(shù)如表5所示。

表5 供暖季典型農(nóng)村住宅采用不同供暖方式時的供暖參數(shù)Table 5 Heating parameters of typical rural residential buildings using different heating methods during heating season

從表5可知：整個供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的系統(tǒng)總能耗比低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖的系統(tǒng)總能耗降低了2034.8 kWh。

對太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置供暖方式進(jìn)行能效提升分析，能效提升率η的計算式為：

式中：R0為低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱COP；R1為太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的制熱COP。

將表5的值帶入式(3)，計算得到η=35.06%，即在哈爾濱地區(qū)農(nóng)村住宅供暖季，太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的制熱COP比低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖的制熱COP提升了35.06%。

4 結(jié)論

本文主要針對太陽能-空氣源雙能源復(fù)合供暖的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一種太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置，以哈爾濱地區(qū)的農(nóng)村住宅為例，對其在供暖季的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并利用TRNSYS軟件對該集成裝置供暖和低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖進(jìn)行了對比分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)提出太陽能-空氣源雙能源復(fù)合高效集成裝置的技術(shù)原理和控制策略，實(shí)現(xiàn)了太陽能與空氣源兩種能源更為合理的供暖時段匹配。其中，太陽能集熱器直供模式的日平均工作時間為5.37 h，太陽能集熱器與低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式的日平均工作時間為2.00 h，低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)單獨(dú)供暖模式的日平均工作時間為16.63 h。

2)整個供暖季，該集成裝置的系統(tǒng)總能耗比低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)總能耗降低了2034.8 kWh。

3)該集成裝置的制熱COP比低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱COP提升了35.06%。