利用可再生能源的地暖系统性能实验研究

李学媚，吴会军,2，邹锐婷，徐 涛，唐旭东

(1. 广州大学土木工程学院建筑节能研究院，广州 510000；2. 广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广州 510000)

0 引言

降低建筑的运行能耗及其碳排放已成为中国碳达峰、碳中和战略实施的当务之急。供暖在冬季寒冷地区必不可少，造成大量的能源消耗和碳排放；另外长期以来，中国夏热冬暖地区属于非供暖地区，但随着对热环境舒适度要求的提高，夏热冬暖地区在冬季部分时间的采暖需求也日益迫切。因此，如何在满足人们采暖需求的同时尽量减少能源消耗和碳排放成为亟需解决的问题。其中，利用太阳能、空气能等可再生能源供暖是降低建筑运行碳排放的重要技术途径。

太阳能是重要的可再生能源和清洁能源，目前太阳能热利用技术已逐渐应用于村镇建筑采暖与热水系统[1]。空气源热泵是近几年来大力推广的暖通技术，具有节能、使用便利、供暖效率高的优点，但其在工作过程中会消耗一定的电能[2]。许多研究学者对空气源热泵的运行策略、系统性能等方面进行了研究。洪晓强[3]对中国将空气源热泵纳入可再生能源利用技术范围的相关政策进行了分析。金光等[4]在内蒙古自治区进行了空气源热泵独立运行及太阳能-空气源热泵双热源联合运行的供暖特性实验，实验结果表明：采用太阳能蓄热水箱与空气源热泵交替供暖可有效提高供热效率。刘杰等[5]采用TRNSYS 软件对兰州地区某一幢别墅建筑的太阳能-空气源热泵系统的性能进行了计算分析，研究结果表明：与传统空气源热泵系统相比，该太阳能-空气源热泵系统在太阳能集热量、太阳能保证率等方面均有明显改善。李楠等[6]测试了北京地区某农村住宅的空气源热泵辅助太阳能供暖系统，测试结果表明：该系统的日均太阳能贡献率为4.87%。张井山等[7]对在寒冷地区应用的一种与空气源热泵结合的太阳能采暖系统的性能进行了研究，研究结果表明：虽然该太阳能采暖系统受太阳辐照的影响较大，但空气源热泵和太阳能的结合使系统运行更加稳定可靠。Long 等[8]采用TRNSYS 软件研究了西藏自治区某办公建筑的太阳能-空气源热泵供暖系统，研究结果表明：在供暖季节，该供暖系统的太阳能贡献率为43%。Ran 等[9]采用竖拇指模拟方法研究了太阳能-空气能混合热泵系统在成都、北京和沈阳地区的应用，研究结果表明：在供暖季节，成都、北京和沈阳地区的太阳能-空气能混合热泵系统的性能系数分别为3.61、3.27 和2.45。金佳煜[10]以某热水工程为对象，建立太阳能-空气源热泵热水系统整体模型，对系统的优化调度、冬季结霜环境下热泵机组采用电加热除霜时的优化等问题进行了研究。研究结果表明：优化调度后系统的热水供应更稳定，运行效率也有较大提升；环境温湿度是影响热泵是否结霜及结霜快慢的重要因素。王宇等[11]在夏热冬暖地区搭建了空气源热泵与太阳能复合热水系统，并对其性能进行了测试研究，测试结果表明：该系统可供应不低于40 ℃的热水。

基于夏热冬暖地区在冬季部分时间的采暖需求，以及此类地区尚缺少太阳能供暖应用性能数据，例如缺少太阳能贡献率、可再生能源利用率等数据的情况，本文针对夏热冬暖地区在冬季部分时间的采暖需求，以广州市某建筑房间为供暖对象，通过实验测试对利用可再生能源的地暖系统，即太阳能-空气源热泵地暖系统的供暖性能进行测试研究。

1 太阳能-空气源热泵地暖系统与实验测试方法

1.1 供暖房间的情况

以广州市某建筑房间作为供暖对象，对太阳能-空气源热泵地暖系统的供暖性能进行实验测试。由于本实验在夏热冬暖地区进行，为提高实验准确性，在测试舱室周围搭建了冷气候模拟舱室，用于模拟室外温度环境，其与测试舱室共同构成实验测试的供暖房间。该供暖房间的俯视图与剖视图如图1 所示。

图1 供暖房间的俯视图与剖视图(单位：mm)Fig. 1 Top view and section view of heating room(Unit：mm)

该供暖房间的整体尺寸(长×宽×高)为2780 mm×2780 mm×2450 mm。测试舱室的尺寸(长×宽×高)为1880 mm×1650 mm×2450 mm；围护结构采用彩钢板-聚苯乙烯泡沫，厚度为77 mm，传热系数为0.44 W/(m2·K)；供暖的地暖模块采用S 形布管，管道外径为16 mm。

1.2 太阳能-空气源热泵地暖系统的设计

太阳能-空气源热泵地暖系统主要由太阳能集热器、空气源热泵和地暖模块这3 个模块组成，该太阳能-空气源热泵地暖系统的设计图如图2所示。

图2 太阳能-空气源热泵地暖系统的设计图Fig. 2 Design drawing of solar-air source heat pump underfloor heating system

如设计图所示，太阳能集热器与空气源热泵采用并联的方式连接，供热水箱安装于太阳能集热器内部。当冬季天气晴朗、太阳辐射量充足时，利用太阳能-空气源热泵地暖系统的控制面板对供热水箱的温度进行设定；测试期间全程启动太阳能集热器吸收太阳能，将太阳能转化为热能，热量传输至供热水箱，对供热水箱中的水进行加热，并储存热量。当太阳能集热器提供的热量不足，即供热水箱实际温度与设定值之间的温差达到2 ℃时，空气源热泵自动启动进行补热，以达到满足房间供暖要求的目的。

太阳能-空气源热泵地暖系统中采用的主要设备及其型号或参数性能如表1 所示。

表1 主要设备及其型号或参数性能Table 1 Model or parameter performance of main equipments

1.3 供暖性能实验测试

供暖性能实验测试中，在供暖房间中测试舱室的不同高度处设置测温点，对测试舱室内不同位置的空气温度，以及热水管道进、出口水温，供热水箱进、出口水温，空气源热泵进、出口水温进行测量，并对水流量、耗电功率等参数进行测试。供暖性能实验测试所用仪器及其参数如表2 所示，测试舱室中的测温点布置示意图如图3 所示。

表2 供暖性能实验测试所用仪器及其参数Table 2 Instruments and parameters used for heating performance testing

图3 测试舱室中的测温点布置示意图Fig. 3 Schematic diagram of arrangement of temperature measurement point in the testing cabin

该供暖性能实验测试一共采用了20 个Type-T 型热电偶，其中：测试舱室的地面均匀布置5 个热电偶；测试舱室内部距地面垂直高度1.1 m 的平面均匀布置5 个热电偶；测试舱室中心位置距地面垂直高度分别为0.1 m、1.7 m 处各布置1 个热电偶；测试舱室4 个墙面和屋顶各布置1 个热电偶；冷气候模拟舱室距地面垂直高度1.1 m 的平面布置3 个热电偶。实验测试一共采用了6 个PT100 热电阻，其中：热水管道进、出口，供热水箱进、出口，以及空气源热泵进、出口各布置1 个热电阻。所有布置的热电偶数据与热电阻数据均为实时采集，采集时间间隔为10 s。

供暖性能实验测试的测试时间为2021 年12月23—25 日，共72 h。测试期间，冷气候模拟舱室的空气温度和室外太阳辐照度的逐时变化情况如图4 所示。

图4 测试期间冷气候模拟舱室的空气温度和室外太阳辐照度的逐时变化情况Fig. 4 Hourly variation of outdoor solar irradiance and air temperature in cold climate simulation cabin during testing period

从图4 可以看出：测试期间，冷气候模拟舱室的平均空气温度为6.30 ℃，室外的太阳辐照度在0～691.58 W/m2之间；12 月24 日的平均太阳辐照度最强。

对供暖房间进行供暖性能实验测试，测试主要步骤为：开启太阳能集热器，将供热水箱的温度设置为55 ℃；当供热水箱温度不足时，自动启动空气源热泵进行补热；电表安装在冷气候模拟舱室，测试期间，每天24:00 时记录一次电表数据，分别计算得到每天的耗电量；然后计算太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率，并对太阳能-空气源热泵地暖系统的供暖效果及节能性能进行评价。

1.4 系统性能评价指标

系统性能评价指标包括供热量、耗电量、太阳能利用率、空气热能利用率、可再生能源利用率、太阳能贡献率等。

供暖房间供热量(即为太阳能-空气源热泵地暖系统供热量)QALL的计算式可表示为：

式中：CP为测试舱室的热水比热容，kg/(kJ·K)；v为测试舱室的热水流速，m3/h；ρ为测试舱室的热水密度，kg/m3；tin为测试舱室中热水管道的进口水温，℃；tout为测试舱室中热水管道的出口水温，℃；τ为太阳能-空气源热泵地暖系统的运行时间，h。

空气源热泵供热量Qair的计算式可表示为：

式中：CP′为空气源热泵的热水比热容，kg/(kJ·K)；v′为空气源热泵的热水流速，m3/h；ρ′为空气源热泵的热水密度，kg/m3；t′in为空气源热泵的进口水温，℃；t′out为空气源热泵的出口水温，℃；τ′为空气源热泵的运行时间，h。

太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率φREN的计算式可表示为：

式中：ηt为以传统能源为热源时地暖系统的运行效率，根据文献[12]的研究结果，该值为0.7；ηcp为空气源热泵的平均发电效率，根据文献[12]的研究结果，该值为0.91；W为空气源热泵的耗电量，kWh。

太阳能-空气源热泵地暖系统的空气热能利用率φair的计算式可表示为：

太阳能-空气源热泵地暖系统的太阳能利用率φsol的计算式可表示为：

太阳能-空气源热泵地暖系统的太阳能贡献率f的计算式可表示为：

式中：Qj为太阳能集热器的集热量，MJ；Qz为太阳能集热器的能耗，MJ。

2 实验结果与分析

2.1 太阳能-空气源热泵地暖系统的运行参数分析

供暖性能实验测试中，测试舱室内不同高度处的空气温度如图5 所示。

图5 测试期间测试舱室内不同高度处的空气温度Fig. 5 Air temperature at different heights in the testing cabin during testing period

对比图4、图5 可知：测试期间，测试舱室的空气温度与室外空气温度(即冷气候模拟舱室的空气温度)的变化趋势一致，而且测试舱室的日平均空气温度约为18.9 ℃，可满足JGJ 142—2012《辐射供暖供冷技术规程》与GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》中对冬季供暖房间空气温度的相关要求。

将测试舱室中热水管道的进口水温设置为55 ℃，进水流速设置为0.35 m3/h，测试期间测试舱室中热水管道的进、出口水温变化情况如图6 所示。从图6 可以看出：测试期间，测试舱室中热水管道的进口水温与出口水温的变化波动幅度较小，日平均进口水温为54.64 ℃，日平均出口水温为53.38 ℃，进出口水温的温差在0.86～1.75 ℃之间。

图6 测试期间测试舱室中热水管道的进、出口水温的变化情况Fig. 6 Changes of inlet and outlet water temperatures of hot water pipelines in the testing cabin during testing period

测试期间，太阳能-空气源热泵地暖系统的运行参数如表3 所示，空气源热泵进、出口水温和供热水箱进、出口水温的变化情况如图7 所示。

表3 测试期间太阳能-空气源热泵地暖系统的运行参数Table 3 Operating parameters of solar-air source heat pump underfloor heating system during testing

图7 测试期间空气源热泵进、出口水温和供热水箱进、出口水温的变化情况Fig. 7 Changes in the inlet and outlet water temperature of air source heat pump and heating water tank during testing period

根据图7，再结合图4 和表3 可以看出：在太阳辐照度较强的时间段，空气源热泵的进、出口水温和供热量明显降低，这是由于太阳能-空气源热泵地暖系统中太阳能利用率高，降低了空气源热泵的使用率。

2.2 可再生能源利用率的计算

可再生能源利用率是评价太阳能-空气源热泵地暖系统节能性能的重要参数。测试期间太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率如表4 所示。

表4 测试期间太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率计算结果Table 4 Calculation results of renewable energy utilization rate of solar-air source underfloor heating system during testing period

从表4 可以看出：测试期间，太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率最高可达到57.6%，平均值为48.2%。通过计算可以得到太阳能-空气源热泵地暖系统的太阳能贡献率为11.4%。

3 结论

本文针对夏热冬暖地区在冬季部分时间的采暖需求，将广州市某建筑房间作为供暖对象，搭建了太阳能-空气源热泵地暖系统，通过实验测试对该系统的供暖性能进行了研究。研究结果表明：

1)测试期间，在实验测试工况下，室外平均空气温度为6.3 ℃时，太阳能- 空气源热泵地暖系统可将供暖房间的日平均空气温度维持在约18.9 ℃，可满足相关标准中对冬季供暖房间空气温度的相关要求。

2)测试期间，太阳能-空气源热泵地暖系统的可再生能源利用率平均值为48.2%，太阳能贡献率为11.4%。该数据表明，太阳能-空气源热泵地暖系统在满足了夏热冬暖地区冬季部分时间供暖需求的同时，有效利用了可再生能源，减少了电能消耗和碳排放。

研究结果可为可再生能源供暖系统的设计和性能评估提供数据参考。