利用可再生能源的地暖系統性能實驗研究

李學媚，吳會軍,2，鄒銳婷，徐 濤，唐旭東

(1. 廣州大學土木工程學院建筑節能研究院，廣州 510000；2. 廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室，廣州 510000)

0 引言

降低建筑的運行能耗及其碳排放已成為中國碳達峰、碳中和戰略實施的當務之急。供暖在冬季寒冷地區必不可少，造成大量的能源消耗和碳排放；另外長期以來，中國夏熱冬暖地區屬于非供暖地區，但隨著對熱環境舒適度要求的提高，夏熱冬暖地區在冬季部分時間的采暖需求也日益迫切。因此，如何在滿足人們采暖需求的同時盡量減少能源消耗和碳排放成為亟需解決的問題。其中，利用太陽能、空氣能等可再生能源供暖是降低建筑運行碳排放的重要技術途徑。

太陽能是重要的可再生能源和清潔能源，目前太陽能熱利用技術已逐漸應用于村鎮建筑采暖與熱水系統[1]?？諝庠礋岜檬墙鼛啄陙泶罅ν茝V的暖通技術，具有節能、使用便利、供暖效率高的優點，但其在工作過程中會消耗一定的電能[2]。許多研究學者對空氣源熱泵的運行策略、系統性能等方面進行了研究。洪曉強[3]對中國將空氣源熱泵納入可再生能源利用技術范圍的相關政策進行了分析。金光等[4]在內蒙古自治區進行了空氣源熱泵獨立運行及太陽能-空氣源熱泵雙熱源聯合運行的供暖特性實驗，實驗結果表明：采用太陽能蓄熱水箱與空氣源熱泵交替供暖可有效提高供熱效率。劉杰等[5]采用TRNSYS 軟件對蘭州地區某一幢別墅建筑的太陽能-空氣源熱泵系統的性能進行了計算分析，研究結果表明：與傳統空氣源熱泵系統相比，該太陽能-空氣源熱泵系統在太陽能集熱量、太陽能保證率等方面均有明顯改善。李楠等[6]測試了北京地區某農村住宅的空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統，測試結果表明：該系統的日均太陽能貢獻率為4.87%。張井山等[7]對在寒冷地區應用的一種與空氣源熱泵結合的太陽能采暖系統的性能進行了研究，研究結果表明：雖然該太陽能采暖系統受太陽輻照的影響較大，但空氣源熱泵和太陽能的結合使系統運行更加穩定可靠。Long 等[8]采用TRNSYS 軟件研究了西藏自治區某辦公建筑的太陽能-空氣源熱泵供暖系統，研究結果表明：在供暖季節，該供暖系統的太陽能貢獻率為43%。Ran 等[9]采用豎拇指模擬方法研究了太陽能-空氣能混合熱泵系統在成都、北京和沈陽地區的應用，研究結果表明：在供暖季節，成都、北京和沈陽地區的太陽能-空氣能混合熱泵系統的性能系數分別為3.61、3.27 和2.45。金佳煜[10]以某熱水工程為對象，建立太陽能-空氣源熱泵熱水系統整體模型，對系統的優化調度、冬季結霜環境下熱泵機組采用電加熱除霜時的優化等問題進行了研究。研究結果表明：優化調度后系統的熱水供應更穩定，運行效率也有較大提升；環境溫濕度是影響熱泵是否結霜及結霜快慢的重要因素。王宇等[11]在夏熱冬暖地區搭建了空氣源熱泵與太陽能復合熱水系統，并對其性能進行了測試研究，測試結果表明：該系統可供應不低于40 ℃的熱水。

基于夏熱冬暖地區在冬季部分時間的采暖需求，以及此類地區尚缺少太陽能供暖應用性能數據，例如缺少太陽能貢獻率、可再生能源利用率等數據的情況，本文針對夏熱冬暖地區在冬季部分時間的采暖需求，以廣州市某建筑房間為供暖對象，通過實驗測試對利用可再生能源的地暖系統，即太陽能-空氣源熱泵地暖系統的供暖性能進行測試研究。

1 太陽能-空氣源熱泵地暖系統與實驗測試方法

1.1 供暖房間的情況

以廣州市某建筑房間作為供暖對象，對太陽能-空氣源熱泵地暖系統的供暖性能進行實驗測試。由于本實驗在夏熱冬暖地區進行，為提高實驗準確性，在測試艙室周圍搭建了冷氣候模擬艙室，用于模擬室外溫度環境，其與測試艙室共同構成實驗測試的供暖房間。該供暖房間的俯視圖與剖視圖如圖1 所示。

圖1 供暖房間的俯視圖與剖視圖(單位：mm)Fig. 1 Top view and section view of heating room(Unit：mm)

該供暖房間的整體尺寸(長×寬×高)為2780 mm×2780 mm×2450 mm。測試艙室的尺寸(長×寬×高)為1880 mm×1650 mm×2450 mm；圍護結構采用彩鋼板-聚苯乙烯泡沫，厚度為77 mm，傳熱系數為0.44 W/(m2·K)；供暖的地暖模塊采用S 形布管，管道外徑為16 mm。

1.2 太陽能-空氣源熱泵地暖系統的設計

太陽能-空氣源熱泵地暖系統主要由太陽能集熱器、空氣源熱泵和地暖模塊這3 個模塊組成，該太陽能-空氣源熱泵地暖系統的設計圖如圖2所示。

圖2 太陽能-空氣源熱泵地暖系統的設計圖Fig. 2 Design drawing of solar-air source heat pump underfloor heating system

如設計圖所示，太陽能集熱器與空氣源熱泵采用并聯的方式連接，供熱水箱安裝于太陽能集熱器內部。當冬季天氣晴朗、太陽輻射量充足時，利用太陽能-空氣源熱泵地暖系統的控制面板對供熱水箱的溫度進行設定；測試期間全程啟動太陽能集熱器吸收太陽能，將太陽能轉化為熱能，熱量傳輸至供熱水箱，對供熱水箱中的水進行加熱，并儲存熱量。當太陽能集熱器提供的熱量不足，即供熱水箱實際溫度與設定值之間的溫差達到2 ℃時，空氣源熱泵自動啟動進行補熱，以達到滿足房間供暖要求的目的。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統中采用的主要設備及其型號或參數性能如表1 所示。

表1 主要設備及其型號或參數性能Table 1 Model or parameter performance of main equipments

1.3 供暖性能實驗測試

供暖性能實驗測試中，在供暖房間中測試艙室的不同高度處設置測溫點，對測試艙室內不同位置的空氣溫度，以及熱水管道進、出口水溫，供熱水箱進、出口水溫，空氣源熱泵進、出口水溫進行測量，并對水流量、耗電功率等參數進行測試。供暖性能實驗測試所用儀器及其參數如表2 所示，測試艙室中的測溫點布置示意圖如圖3 所示。

表2 供暖性能實驗測試所用儀器及其參數Table 2 Instruments and parameters used for heating performance testing

圖3 測試艙室中的測溫點布置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of arrangement of temperature measurement point in the testing cabin

該供暖性能實驗測試一共采用了20 個Type-T 型熱電偶，其中：測試艙室的地面均勻布置5 個熱電偶；測試艙室內部距地面垂直高度1.1 m 的平面均勻布置5 個熱電偶；測試艙室中心位置距地面垂直高度分別為0.1 m、1.7 m 處各布置1 個熱電偶；測試艙室4 個墻面和屋頂各布置1 個熱電偶；冷氣候模擬艙室距地面垂直高度1.1 m 的平面布置3 個熱電偶。實驗測試一共采用了6 個PT100 熱電阻，其中：熱水管道進、出口，供熱水箱進、出口，以及空氣源熱泵進、出口各布置1 個熱電阻。所有布置的熱電偶數據與熱電阻數據均為實時采集，采集時間間隔為10 s。

供暖性能實驗測試的測試時間為2021 年12月23—25 日，共72 h。測試期間，冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽輻照度的逐時變化情況如圖4 所示。

圖4 測試期間冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽輻照度的逐時變化情況Fig. 4 Hourly variation of outdoor solar irradiance and air temperature in cold climate simulation cabin during testing period

從圖4 可以看出：測試期間，冷氣候模擬艙室的平均空氣溫度為6.30 ℃，室外的太陽輻照度在0～691.58 W/m2之間；12 月24 日的平均太陽輻照度最強。

對供暖房間進行供暖性能實驗測試，測試主要步驟為：開啟太陽能集熱器，將供熱水箱的溫度設置為55 ℃；當供熱水箱溫度不足時，自動啟動空氣源熱泵進行補熱；電表安裝在冷氣候模擬艙室，測試期間，每天24:00 時記錄一次電表數據，分別計算得到每天的耗電量；然后計算太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率，并對太陽能-空氣源熱泵地暖系統的供暖效果及節能性能進行評價。

1.4 系統性能評價指標

系統性能評價指標包括供熱量、耗電量、太陽能利用率、空氣熱能利用率、可再生能源利用率、太陽能貢獻率等。

供暖房間供熱量(即為太陽能-空氣源熱泵地暖系統供熱量)QALL的計算式可表示為：

式中：CP為測試艙室的熱水比熱容，kg/(kJ·K)；v為測試艙室的熱水流速，m3/h；ρ為測試艙室的熱水密度，kg/m3；tin為測試艙室中熱水管道的進口水溫，℃；tout為測試艙室中熱水管道的出口水溫，℃；τ為太陽能-空氣源熱泵地暖系統的運行時間，h。

空氣源熱泵供熱量Qair的計算式可表示為：

式中：CP′為空氣源熱泵的熱水比熱容，kg/(kJ·K)；v′為空氣源熱泵的熱水流速，m3/h；ρ′為空氣源熱泵的熱水密度，kg/m3；t′in為空氣源熱泵的進口水溫，℃；t′out為空氣源熱泵的出口水溫，℃；τ′為空氣源熱泵的運行時間，h。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率φREN的計算式可表示為：

式中：ηt為以傳統能源為熱源時地暖系統的運行效率，根據文獻[12]的研究結果，該值為0.7；ηcp為空氣源熱泵的平均發電效率，根據文獻[12]的研究結果，該值為0.91；W為空氣源熱泵的耗電量，kWh。

太陽能-空氣源熱泵地暖系統的空氣熱能利用率φair的計算式可表示為：

太陽能-空氣源熱泵地暖系統的太陽能利用率φsol的計算式可表示為：

太陽能-空氣源熱泵地暖系統的太陽能貢獻率f的計算式可表示為：

式中：Qj為太陽能集熱器的集熱量，MJ；Qz為太陽能集熱器的能耗，MJ。

2 實驗結果與分析

2.1 太陽能-空氣源熱泵地暖系統的運行參數分析

供暖性能實驗測試中，測試艙室內不同高度處的空氣溫度如圖5 所示。

圖5 測試期間測試艙室內不同高度處的空氣溫度Fig. 5 Air temperature at different heights in the testing cabin during testing period

對比圖4、圖5 可知：測試期間，測試艙室的空氣溫度與室外空氣溫度(即冷氣候模擬艙室的空氣溫度)的變化趨勢一致，而且測試艙室的日平均空氣溫度約為18.9 ℃，可滿足JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術規程》與GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》中對冬季供暖房間空氣溫度的相關要求。

將測試艙室中熱水管道的進口水溫設置為55 ℃，進水流速設置為0.35 m3/h，測試期間測試艙室中熱水管道的進、出口水溫變化情況如圖6 所示。從圖6 可以看出：測試期間，測試艙室中熱水管道的進口水溫與出口水溫的變化波動幅度較小，日平均進口水溫為54.64 ℃，日平均出口水溫為53.38 ℃，進出口水溫的溫差在0.86～1.75 ℃之間。

圖6 測試期間測試艙室中熱水管道的進、出口水溫的變化情況Fig. 6 Changes of inlet and outlet water temperatures of hot water pipelines in the testing cabin during testing period

測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統的運行參數如表3 所示，空氣源熱泵進、出口水溫和供熱水箱進、出口水溫的變化情況如圖7 所示。

表3 測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統的運行參數Table 3 Operating parameters of solar-air source heat pump underfloor heating system during testing

圖7 測試期間空氣源熱泵進、出口水溫和供熱水箱進、出口水溫的變化情況Fig. 7 Changes in the inlet and outlet water temperature of air source heat pump and heating water tank during testing period

根據圖7，再結合圖4 和表3 可以看出：在太陽輻照度較強的時間段，空氣源熱泵的進、出口水溫和供熱量明顯降低，這是由于太陽能-空氣源熱泵地暖系統中太陽能利用率高，降低了空氣源熱泵的使用率。

2.2 可再生能源利用率的計算

可再生能源利用率是評價太陽能-空氣源熱泵地暖系統節能性能的重要參數。測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率如表4 所示。

表4 測試期間太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率計算結果Table 4 Calculation results of renewable energy utilization rate of solar-air source underfloor heating system during testing period

從表4 可以看出：測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率最高可達到57.6%，平均值為48.2%。通過計算可以得到太陽能-空氣源熱泵地暖系統的太陽能貢獻率為11.4%。

3 結論

本文針對夏熱冬暖地區在冬季部分時間的采暖需求，將廣州市某建筑房間作為供暖對象，搭建了太陽能-空氣源熱泵地暖系統，通過實驗測試對該系統的供暖性能進行了研究。研究結果表明：

1)測試期間，在實驗測試工況下，室外平均空氣溫度為6.3 ℃時，太陽能- 空氣源熱泵地暖系統可將供暖房間的日平均空氣溫度維持在約18.9 ℃，可滿足相關標準中對冬季供暖房間空氣溫度的相關要求。

2)測試期間，太陽能-空氣源熱泵地暖系統的可再生能源利用率平均值為48.2%，太陽能貢獻率為11.4%。該數據表明，太陽能-空氣源熱泵地暖系統在滿足了夏熱冬暖地區冬季部分時間供暖需求的同時，有效利用了可再生能源，減少了電能消耗和碳排放。

研究結果可為可再生能源供暖系統的設計和性能評估提供數據參考。