丁忠伟
太阳雨集团有限公司
摘要：清洁供暖是我国大气污染防治工作的重要组成部分，为充分实现供暖技术的清洁性，充分引导各地的供暖方式向低能耗、低排放的方向发展。北方农村既有取暖方式主要以污染高的散煤燃烧为主，在浪费大量化石能源的同时，还造成严重的室内外空气污染，故在北方农村推进清洁取暖对降低取暖能耗节约资源有积极影响。
关键词：太阳能；空气源热泵耦合；供热技术；应用研究
引言
近年来，我国的建筑能耗逐年增加，这也加剧了不可再生能源的消耗和空气的污染。建筑能耗作为当下的研究热点，一套完善的节能系统的提出已经迫在眉睫。太阳能集热器一直以清洁无污染著称，其应用得到了广泛的普及，但是在极端工况下很难获得一天所需的热量。空气源热泵以它的低耗能和高得热为优点，在严寒地区的冬季空气源热泵的结霜将大大降低它的性能。污水源热泵以污水、废水作为热源的提取端，把余热从中提取出来作为有用的能量来使用，但是热水的使用时间和使用量将大大限制污水源热泵的作用。
1工作原理
太阳能与空气源热泵复合式供暖系统由太阳能集热系统和空气源热泵系统构成。其中，太阳能集热系统为主要的热源系统，其主要作用是将太阳能转换为热能，并进行供暖；而空气源热泵为辅助供暖的设备。该复合式供暖系统通过设定最优参数及改变工作方式来最大化利用太阳能，从而减少补充热源的利用，以最大程度的实现能源节约。太阳能与空气源热泵复合式供暖系统供暖时的运行方式包括3种，分别为仅太阳能集热系统运行、仅空气源热泵系统运行，以及太阳能与空气源热泵复合式供暖系统运行。当太阳辐射强度较高时，太阳能集热系统单独工作；当太阳辐射强度较低，太阳能集热系统不足以满足房间的供暖要求时，空气源热泵也需要同时工作；若遇到阴天无日照时，空气源热泵则需要单独工作。
2常规太阳能与空气源热泵系统耦合方式
2.1并联式系统
并联式系统中有2种热源分别提供热量供热。太阳能集热系统单独供热运行是在太阳辐射充足条件下，使系统具有更好的经济性;当阴雨天气或太阳能强度弱时，空气源热泵单独运行或开启共同运行，使系统具有较好的稳定性。并联式系统可直接利用太阳能产生热水，太阳能集热系统和热泵系统单独工作互不干涉，便于控制且系统维修方便。选取地区一幢别墅建筑作为供暖对象，结果表明，并联耦合系统在太阳能辐射吸收量、热泵运行效率上均优于单一空气源热泵，大幅度提高了太阳能集热器的运行效率，实现了24h供水运行，但耦合系统需要考虑集热器面积大小，超过一定范围会削弱集热效率。
2.2联合系统
空气源热泵耦合太阳能集热器联合系统一共设置有3个循环回路：（1）空气源热泵循环加热系统，以循环水泵为核心，在冷凝器中对工质进行加热，然后回流到水箱。（2）太阳能集热器系统，通过能够吸收太阳能的集热板完成工质加热，工质流入水箱下部盘管，将热量传递给水箱内的水，之后回流到集热板继续加热。（3）供暖系统，存在于水箱上部盘管中的工质可以被水箱中的水加热，通过板式换热器换热后，对室内供暖负荷进行模拟。利用计算机和多功能数据采集仪进行数据的采集和分析，需要采集的参数包括水箱中测点的温度、系统出水、回水温度、设备运行能耗等。
2.3新型太阳能—空气双热源耦合系统
在我国北方村镇地区，传统型热泵会出现冻裂无法运转、制冷剂流量降低、供水温度不高等问题，对整个系统造成影响。直膨式系统优势在于较高的集热效率与系统性能，但受太阳能辐射强度影响较大，存在不稳定性的特点;非直膨式的优点在于系统具有更好的经济性和稳定性，然而受天气条件影响较大，不好单一控制，需要改善低温环境下热泵系统的制热性能，精度要求高;光伏太阳能空气源热泵更适合城市地区，初投资大，但这些形式并不适用于北方独立村镇供暖建筑。因此，针对北方大部分的独立住宅供暖建筑及热泵存在的问题，提出一种适用于北方村镇建筑的供暖方式，对热泵的结构进行调整。
2.4污水源热泵系统
市政补水管分为两路，一路直接作为蓄热水箱的补水，另路经污水槽的预热盘管后流入混水阀，与来自蓄热水箱的热水混合后作为生活热水。污水槽分为两层，上层为预热冷水的换热盘管，下层为压缩制冷系统的蒸发器。用洗浴喷淋的水模拟一天中的生活废水，通过混水阀改变热水和冷水的比例，进而调节污水的水温和流量。由于传统空气源热泵系统功能单一，不能满足全年的热量需求，因此研究对传统空气源热泵进行改造，通过阀门的切换，可以实现空气源热泵的多种功能。在空气源热泵运行单独制热水模式，板式换热器HX2是冷凝器，室外盘管是蒸发器；在空气源热泵运行制冷兼制热水模式，板式换热器HX2是冷凝器，HX1是蒸发器，为室内提供冷量。居住建筑相比于公共建筑，较为特殊的是它的用能随机性和独立性，家庭用热是这种随机性与独立性的重要组成部分。随着低能耗居住建筑的推广，这种蓄热性好、满足随机性和独立性的系统变得尤其重要。对于没有集中供热的地区，既有居住建筑低能耗改造时，太阳能复合热泵系统成为未来一种重要能源利用形式。未来可以根据既有建筑特点、气候情况和用热规律，对太阳能复合热泵系统进行灵活取舍，组成更为合适低能耗系统。
3适用结果
采用TRNSYS软件对供暖季时太阳能集热系统、空气源热泵系统及太阳能与空气源热泵复合式供暖系统在西安地区的运行情况进行了对比分析，得出以下结论：1)在整个供暖季，在北方地区采用太阳能与空气源热泵复合式供暖系统进行供暖的节能性优于单独采用空气源热泵系统供暖。2)单独采用空气源热泵系统供暖时，空气源热泵机组的耗电量为345.50kWh；空气源热泵机组的平均COPhp为3.07，空气源热泵系统的平均COPhp-sys为2.71。3)在整个采暖期内，太阳能与空气源热泵复合式供暖系统的总能耗为284.61kWh，其中，空气源热泵机组的耗电量为264.10kWh。此外，该复合式供暖系统的太阳能保证率为30.71%，平均COPc-sys为3.04，比单独采用空气源热泵系统时提高了0.33。对比分析可知，太阳能空气源热泵系统初投资较高，但是节能环保效益明显，极大减少了年运行费用和温室气体排放。相变储能材料蓄热性能较好，并且相变储能材料的固液相变温度十分稳定，方便控制和管理。
结束语
太阳能与空气源热泵耦合系统可以解决单一能源运用的局限性，合理应用可以减少运行能耗，大幅提高了整个系统的能源利用效率，且节能收益较好，可使系统实现全年节能运行。同时，可解决村镇建筑供暖过程中存在的能源浪费、环境污染等问题，改善村镇生态环境、提高人民的生活质量，真正实现了绿色取暖、零碳排放，在北方地区适合大面积推广。
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