太阳能-空气源热泵采暖热水系统能耗分析

申振宇 宣永梅



太阳能-空气源热泵采暖热水系统能耗分析

申振宇 宣永梅

（西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048）

传统的燃煤锅炉供暖主要以化石燃料作为能源，具有能耗大、容易造成严重污染等问题。针对这一现状，设计了一套利用太阳能和空气能的采暖热水系统，并对系统中的相关部件进行了设计计算和选型。使用Polysun软件模拟系统在全年的运行状况，并分析了系统运行情况和经济性，模拟结果证明：该系统太阳能-空气源热泵采暖系统用于西安市住宅建筑采暖时，在寿命期内的年运行费用比传统燃煤锅炉供暖节省46%，并且每年可以减少二氧化碳排放量4810.1kg。

太阳能；空气源热泵；模拟；Polysun

0 引言

近年来，PM2.5、雾霾等词汇越来越频繁地出现在我们的生活中，冬季采暖时经常有城市出现PM2.5爆表的情况，而燃煤供暖造成的污染排放则是其原因之一。选取一种绿色能源替代传统能源已刻不容缓，太阳能作为替代传统建筑供暖的能源，具有清洁、污染低的优点，目前国内外的研究学者对太阳能热泵采暖系统在不同地区地应用进行了大量的分析研究[1-5]，本文提出一种用于西安地区的太阳能-空气源热泵采暖系统，并对其能耗进行分析。

1 系统原理及流程

设计如图1所示的太阳能-空气源热泵采暖系统，系统主要包括太阳能集热器、蓄热水箱、空气源热泵、循环水泵、控制系统和采暖末端等。天气晴好、阳光充足时，只需太阳能加热所需热水；太阳能辐射不足时，空气源热泵和太阳能联合供应所需热水；夜晚来临，水箱温度不满足设定要求时，控制系统启动空气源热泵加热水箱中的水；环境温度过低，空气源热泵和太阳能集热器均无法加热所需热水时，控制系统启动辅助电加热器进行加热。系统在集热器、水箱、房间和室外均设有温度感应器，用户通过房间控制系统可以调节室内温度，蓄热水箱还可以提供生活用水，但应及时补充冷水，保证水箱水量。

1太阳能集热器；2/5/6/9/12/14/17电磁阀；3蓄热水箱；4/8/15循环泵；7冷凝器；10蒸发器；11压缩机；13电加热棒；16采暖末端；18生活热水出口；19控制系统；T1集热器出口温度传感器；T2水箱水温传感器；T3房间温度传感器；T4环境温度传感器

2 系统的设计计算

2.1 设计参数的确定

以西安地区为例，西安属于我国太阳能资源第三类地区，是我国太阳能资源中等类型区域，年太阳能辐射量在5056-5812MJ/m2[6]。以一栋面积为300m2居住6人的2层住宅为例，末端采用地板辐射供暖，根据《地面辐射供暖技术规程》的规定：采暖系统供水温度为50～60℃，回水温度40～50℃，因此本采暖系统供水温度设定为50℃，回水温度设定为40℃，冬季室温设计为18℃[7]。

2.2 系统负荷的确定

2.2.1 生活热水

根据系统原理图可知，本系统负荷主要分为两大类，一类是生活用水负荷，一类是建筑物热负荷，根据《建筑给排水设计规范》[9]的规定，生活热水用水定额在40～80L/人·天，现假设人均生活热水用水量为50L/天，则生活用水耗热量为[6]：

式中：Q为日耗热量，W；为热水用水定额，L/cap·d，取50；为水的比热，=1kJ/kg·℃；为水的密度，kg/L；t为热水温度，℃，取50℃；t为冷水温度，℃，取5℃；为用水计算单位数；k为系统散热量系数，取值范围1-1.1，现取1.05[9]。

计算得出300L冷水加热到50℃日耗热量为16.5kW，按照系统运行24小时计，小时耗热量为0.69kW。

2.2.2 地辐射采暖系统负荷

对于地板辐射采暖系统，辐射是主要的传热方式，地板辐射采暖系统与传统的采暖系统相比，热量由下往上传递，给人一种脚热头凉的感觉，与此同时，地面周围也能辐射热量，因此地暖供暖温度比传统采暖方式空气温度高，这样能耗会比传统供暖能耗要小。因此，在地暖系统的设计中，热负荷的温度一般选取比室内温度低2℃。

为了确定建筑物的热负荷，需对建筑物的围护结构进行测量和计算，假设该住宅各项保温措施均符合要求，根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[11]：西安市民用建筑耗热量指标为40-45W/m2。现取耗热量指标为45W/m2，该指标是采取节能措施65%的值，对于一个采暖面积300m2的住宅，采暖热负荷为13.5kW，热水负荷为0.69kW，系统总负荷为14.19kW。

2.3 集热器面积的确定

本系统中太阳能集热系统采用直接系统的形式，即采用水作为传热介质，以减少传热过程中热量损失，使系统便于控制。集热器面积计算如下[10]：

式中，A为集热器面积，m2；为总负荷，W；取14190；为单一依靠太阳能采暖时间，s；这里取86400；为太阳能保证率，西安属太阳能资源第三类地区，取值范围为0.2-0.4，这里取0.4；J为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/（㎡·D），根据相关资料，西安地区12月平均日辐射量为11186kJ/（m2·D）；为集热器集热效率，取值范围为0.4-0.6，这里依据据平板集热器参数取0.9；为整个系统的热损失率，取值为0.2-0.3，这里取0.2[4]；

根据上式计算得到该系统的集热器面积为81.2m2。

考虑到投资和冬季太阳辐射情况，本系统将太阳能采暖时间选定为白天太阳辐射较强的6小时，其余时间采用热泵供暖，故系统集热器面积最终为20.3m2。

单块平板太阳能集热器尺寸为2000mm ×1000mm，故本系统采用11块太阳能平板集热器，根据规范可知每块平板集热器流量约为0.072m3/h·m2，故本系统的集热环路流量约为1.6m3/h。

按照相关规范规定，太阳能集热器安装倾角宜选择在当地纬度-10°～20°的范围内，选用10°之差。结合西安地区的纬度可知安装倾角为44.27°，但考虑到施工操作的可行性设定安装倾角为45°。

2.4 蓄热水箱体积的确定

太阳能采暖系统的蓄热水箱必须保温，蓄热水箱的容积与集热器面积有关，也与采暖系统服务的建筑要求有关。蓄水箱容积可以按最常用的每平方米太阳能集热器面积对应100L蓄热水箱容积来选定[10]。故水箱体积为2.2m³。

2.5 空气源热泵选型

由于平板集热器易受环境和天气等因素影响，无法保证充足的太阳能辐射量为室内供暖，故选择空气源热泵作为系统的辅助热源，用以确保系统可以稳定运行。

由上可知，该别墅房间热负荷为13.5kW，热水负荷为0.69kW，故选取某公司型号为CB1-18i/a的空气源热泵，该空气源热泵额定制热量18kW，输入功率5.5kW，流量为3m³/h，尺寸大小为750mm ×750mm×1060mm，适用环境温度在-25℃～50℃，额定出水温度50℃。

3 系统的模拟分析

3.1 系统模型的建立

Polysun是由瑞士国际太阳能测试中心研发的太阳能系统模拟计算软件，包含太阳能光热、光电、热泵以及太阳能空调4个模块[12]。根据上文设计计算的数据，采用该软件构建了太阳能-空气源热泵采暖系统的模型，集热器与空气源热泵并联连接，为用户提供地暖所需用水和生活热水。调用软件库中的西安地区的气象数据，对系统进行模拟计算，并将计算结果与采用燃煤锅炉和采用电加热的供暖系统进行对比。

图2 太阳能-空气源热泵采暖热水系统模型

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 能量需求分析

系统年能量需求情况如表1所示，系统总共消耗能量为14436.5kWh，这些能量主要来自电能、集热器和空气源热泵所获得的能量，而这些能量主要转化为生活热水、采暖热水所需的热量，以及在供暖过程中房间的热损失。

由以上分析可知：系统的全年性能系数（系统总能量消耗与耗电量之比）为3.4，性能系数越大，表明系统越省电，并且系统提供的能量能够同时满足热水、采暖及房间散热所需，故系统设计满足使用要求。

表1 系统年能量需求情况（单位：kWh）

3.2.2 能量分布分析

图3为太阳能集热器年获得能量分布概况，图4为空气源热泵年耗电量分布概况，图5为系统太阳能保证率年分布概况。由以下三图可知：11月～次年3月为采暖季，因为冬季太阳辐射强度不足，太阳能无法提供采暖所需的全部能量，因此空气源热泵启动加热系统所需用水，故采暖期内电能消耗较多；4～5月和9～11月为过渡季，当房间温度过低时，由太阳能和空气源热泵联合提供房间采暖所需热水；系统在夏天运行时仅提供生活热水，但是太阳能集热器面积是根据供暖面积选取，会使太阳能保证率上升，出现太阳能保证率达到100%的情况，造成太阳能热水的浪费[13]。

图3 集热器年获得能量分布概况

图4 空气源热泵年耗电量分布概况

图5 系统太阳能保证率年分布概况

由系统原理可知太阳能不耗电，且热泵是一种将能量由低品位转化为高品位的装置。根据表2数据可以得出：相较于传统的燃煤锅炉供暖和电采暖方式，本系统运行一年可节省电能8968.8kWh，减少二氧化碳排放4810.1kg。由此可知本系统可大大减少传统采暖方式造成的环境污染。

表2 系统节能概况

3.3 系统经济性分析

本系统与燃煤供暖进行对比，整套系统成本为2.8万元，系统维护费用约为总成本的1%，系统使用寿命20年，系统供暖季耗电量为4212.8kWh，按西安市居民用电价格0.49元/kWh计算，则系统年运行费用为3786元；2015年西安市采用自有锅炉供暖收费标准为5.8元/m2·月，可知该住宅采用集中供暖所需花费为6960元/年。则供暖系统寿命期内节省采暖费用为63480元。

4 结论

（1）通过对太阳能-空气源热泵采暖系统相关部件进行设计，采用Polysun软件进行模拟，得出系统相比与传统燃煤锅炉在全年运行过程中可以减少二氧化碳排放量4810.1kg，年运行费用可节省3174元，说明系统有良好的节能性和经济性。

（2）系统在夏天运行时由于仅提供生活热水，由于太阳能集热器面积是根据供暖面积选择，这样会使太阳能保证率上升，出现太阳能保证率100%的情况，会造成太阳能热水的浪费。可以将多余的太阳能热水用作其他用途；空气源热泵在夏季可以与风机盘管结合用以给房间供冷。

（3）系统的节能减排作用对治理燃煤锅炉供暖造成的严重污染、雾霾天气具有一定的意义，但系统初投资较大，且仍需继续研究空气源热泵在西安地区冬季使用时的性能。

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Energy Consumption Analysis of Solar Assisted Air Source Heat Pump Heating and Hot Water System

Shen Zhenyu Xuan Yongmei

( School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

Raditional coal-fired boiler heating system mainly use fossil fuels as an energy source which consumes a large energy, and is likely to cause serious pollution problems. In response to this situation, a solar assisted air source heat pump heating and hot water system was designed. The system-related components were sized as well. The annual operation conditions were simulated by software-Polysun. The system operation conditions and economy was analyzed as well. The simulation results showed that the annual operating cost of the proposed system is 46% smaller than that of traditional coal-fired boiler heating system, and the carbon dioxide emissions can be reduced by 4810.1kg per year.

solar; air source heat pump; simulation; Polysun

1671-6612（2016）05-544-05

TK513/TU832

A

中国纺织工业联合会科技指导性项目（2014047）；陕西省教育厅科研计划项目（项目编号：2013JK0875）

申振宇（1991.06-），男，在读硕士研究生，E-mail：szyxpu27@163.com

宣永梅（1977.12-），女，博士，教授，E-mail：xymhb@sohu.com

2016-05-30