探討集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法

摘要 將集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)全年運(yùn)行模式分為兩類：冬季供暖和其他季節(jié)僅供應(yīng)生活熱水，提出了確定太陽能熱水、空氣源熱泵及燃?xì)獠膳療崴疇t容量的基本規(guī)則及考核要求，同時(shí)提出以集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)作為綜合評價(jià)集成系統(tǒng)能效的指標(biāo)，以及計(jì)算方法。 　　0 引言 　　集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t住宅太陽能供暖系統(tǒng)是住宅太陽能供暖技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，由于多個(gè)熱源聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生優(yōu)化運(yùn)行問題突出，制訂合理性能評價(jià)指標(biāo)體系對該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要的引導(dǎo)作用。 　　目前已發(fā)布的太陽能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 25967-2010《帶輔助能源的家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的編制參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12976-1:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第1部分：總體要求》和EN 12976-2:2006《太陽能熱利用系統(tǒng)和部件 工廠制造的系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》，對于僅用于加熱生活熱水的集成系統(tǒng)具有較好適用性，但對于供暖應(yīng)用集成系統(tǒng)，未考慮相應(yīng)內(nèi)容。而GB/T 29158-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)（儲(chǔ)水箱容積大于0.6m3）技術(shù)規(guī)范》和GB/T 29160-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng)（儲(chǔ)水箱大于0.6m3）性能試驗(yàn)方法》雖然適用系統(tǒng)規(guī)模較大，但對于供暖應(yīng)用系統(tǒng)也不適宜使用。 　　因此，本文提出集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法，系統(tǒng)用于考核這類系統(tǒng)的供熱性能和運(yùn)行能效，本文未考慮熱泵系統(tǒng)夏季用于空調(diào)運(yùn)行的相關(guān)性能試驗(yàn)項(xiàng)目。 　　1 集成系統(tǒng)概述 　　住宅太陽能供暖系統(tǒng)的基本特征是可以集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃?xì)饧訜嵫b置，提供衛(wèi)生熱水和采暖熱水，也可以根據(jù)用戶需要擴(kuò)展空調(diào)制冷功能和熱回收功能等，并可集成住宅新風(fēng)系統(tǒng)等裝置，同時(shí)配備循環(huán)系統(tǒng)、末端裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)。住宅太陽能供暖系統(tǒng)技術(shù)，是傳統(tǒng)住宅暖通領(lǐng)域冷熱源設(shè)施與應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合，冷熱源產(chǎn)品制造商的業(yè)務(wù)向系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展的新型業(yè)務(wù)模式，可簡化終端用戶系統(tǒng)構(gòu)建成本，縮短建造周期，便利維護(hù)管理，適應(yīng)低碳社會(huì)發(fā)展要求，改善運(yùn)行過程的經(jīng)濟(jì)性和舒適性。 　　住宅太陽能供暖系統(tǒng)是面向住宅應(yīng)用需求的冷熱源系統(tǒng)，其主要功能是以一個(gè)系統(tǒng)滿足住宅采暖、衛(wèi)生熱水、空調(diào)制冷等多樣熱能需求，滿足這些熱能需求大約占家庭能源支出的2/3、家庭總能耗的2/3，提高住宅太陽能供暖系統(tǒng)的能源利用效率，減少能源費(fèi)用支出不僅對生態(tài)社會(huì)建設(shè)具有積極意義，同時(shí)也有利于提高生活水平。住宅生態(tài)熱能系統(tǒng)是能夠?qū)⑻柲軣崴?、熱泵與燃?xì)鉄崴畣卧劝从脩粜枰M(jìn)行合理組合，滿足住宅采暖、衛(wèi)生熱水、空調(diào)制冷等需求，并具備擴(kuò)展余熱回收功能以及利用生物質(zhì)能的功能。由于充分利用熱泵裝置的節(jié)能作用，以及利用太陽能或生物質(zhì)能等可再生能源，因而不僅可減少住宅化石能源消耗，同時(shí)還有利于減少用戶的電力、燃?xì)獾饶茉促M(fèi)用支出。住宅生態(tài)熱能系統(tǒng)作為是積極利用可再生能源和采用節(jié)能技術(shù)的集成系統(tǒng)，其意義在于： 　　——提高供熱系統(tǒng)能源利用效率，降低家庭碳排放水平； 　　——減少空氣污染物排放，改善住宅區(qū)局部空氣質(zhì)量； 　　——緩解燃?xì)夤?yīng)緊張局面，促進(jìn)燃?xì)饩咝袠I(yè)可持續(xù)發(fā)展； 　　——充分利用太陽能以及熱泵節(jié)能的優(yōu)勢，減少住宅化石能源消耗； 　　——減少能源費(fèi)用支出。 　　2 系統(tǒng)供熱性能 　　組成熱水系統(tǒng)的各熱源單元的容量配置的合理性，也成為一個(gè)重要問題，過高的配置可能導(dǎo)致系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受到不良影響，而過低的配置則可能導(dǎo)致熱水供應(yīng)能力不能達(dá)到預(yù)期的使用要求。針對不同的環(huán)境條件和需求特性，合理確定熱源裝置的配置準(zhǔn)則將決定住宅生態(tài)熱能系統(tǒng)市場競爭力。 　　事實(shí)上，近年太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，就是在供熱系統(tǒng)中較小容量的太陽能集熱系統(tǒng)與較大容量的輔助熱源配套，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，雖然冬季輔助熱源運(yùn)行費(fèi)用較高，但是夏季太陽能集熱系統(tǒng)的過剩容量大大減小。太陽能集熱器的造價(jià)較高，若配套集熱面積較小的集熱器，就可以將節(jié)省下來的部分購置費(fèi)用沖減輔助熱源裝置所需的部分費(fèi)用，從而降低系統(tǒng)總造價(jià)。熱泵單元的容量配置問題與太陽能集熱系統(tǒng)類似。 　　從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度，太陽能供暖系統(tǒng)中受安裝條件和購置成本影響最大的部分是太陽能集熱器，從熱量需求的角度，通常一晝夜的住宅供暖負(fù)荷約為生活熱水負(fù)荷的5～10倍，顯然在非供暖季節(jié)，住宅的熱量需求只有生活熱水，如果太陽能集熱器的供熱能力在冬季供暖需求中的份額較大，就可能導(dǎo)致非供暖季節(jié)太陽能集熱器的供熱能力嚴(yán)重過剩，不僅由于這些集熱器閑置導(dǎo)致浪費(fèi)，而且容易導(dǎo)致太陽能熱水系統(tǒng)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，對保證系統(tǒng)運(yùn)行安全和可靠性都產(chǎn)生一定程度的不良影響。從國外一些地區(qū)采用太陽能實(shí)現(xiàn)住宅供暖的實(shí)踐來看，在供暖季節(jié)通常太陽能提供的熱量不超過全部熱需求的1/3。因此，本文假設(shè)在供暖季節(jié)太陽能的保證率為15%以上，太陽能利用方式為，在白天獲得的太陽能熱量首先用于房間的保溫，剩余部分用于加熱生活熱水。保溫作為在房間無人逗留而需要維持必要的室內(nèi)溫度的運(yùn)行狀態(tài)，雖然熱負(fù)荷較小，但是由于通常持續(xù)時(shí)間比有人在房間而進(jìn)行供暖的運(yùn)行時(shí)間更長，所以，供暖季節(jié)期間房間保溫的熱負(fù)荷通常為全天供暖負(fù)荷的1/5以上，由此可見，太陽能集熱器獲得的熱量能夠用于生活熱水加熱的并不多。 　　2.1 供熱性能測試條件 　　集成系統(tǒng)的配置以及運(yùn)行模式合理與否，與供熱性能測試條件有重要關(guān)系，考慮到我國的地理因素和人文因素，本文將年平均氣溫≥7℃，且冬季日平均氣溫≥－10℃的地區(qū)作為推薦使用地區(qū)，在此基礎(chǔ)上提出了供熱性能的測試條件，如表1所示。 表1 集成不同輔助熱源的集成系統(tǒng)性能測試運(yùn)行條件 　　住宅太陽能供暖系統(tǒng)的熱性能要求主要針對制熱能力和能效兩部分，由于這類系統(tǒng)全年運(yùn)行狀況差異較大，采用兩種方式進(jìn)行考核，在供暖季節(jié)僅考核供暖性能，不單獨(dú)考核生活熱水性能，對生活熱水加熱性能只考核功能指標(biāo)；在非供暖季節(jié)，只考核生活熱水加熱性能，無需考核供暖性能。 　　由于全天生活熱水熱負(fù)荷視為供暖熱負(fù)荷的組成部分，生活熱水使用過程中大部分熱量在室內(nèi)散發(fā)，成為供暖負(fù)荷的一部分，所以在供暖季節(jié)不單獨(dú)考核生活熱水對系統(tǒng)供熱性能的影響不會(huì)對集成系統(tǒng)性能考核產(chǎn)生明顯的影響。而且本文假設(shè)集成系統(tǒng)全天24h平均供熱功率按50%系統(tǒng)額定供熱功率計(jì)算，加熱生活熱水所需的熱量通常只占住宅全天熱需求的20%以下，在配備蓄熱水箱的工整正常運(yùn)行條件下，在系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下加熱生活熱水是輕而易舉的，無論對供暖運(yùn)行和生活熱水使用需求基本不會(huì)造成不良影響。 　　2.2 熱源系統(tǒng)參數(shù)確定 　　集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)主要參數(shù)包括：系統(tǒng)額定供熱功率、生活熱水流量、太陽能全天平均供熱功率、空氣源熱泵額定供熱功率、燃?xì)獠膳療崴疇t供熱功率以及蓄熱水箱容積等。各種熱源系統(tǒng)的性能要求匯總見表2。 　　系統(tǒng)額定供熱功率是反應(yīng)集成系統(tǒng)使用特性的主要指標(biāo)，該指標(biāo)其實(shí)就是規(guī)定供暖測試條件下的供熱功率；而生活熱水流量則是另一個(gè)使用性能指標(biāo)，要求以規(guī)定的溫度和流量輸出生活熱水。而其它指標(biāo)只要針對熱源系統(tǒng)，主要要求大致為： 　　——蓄熱水箱容積和出水率應(yīng)保證在蓄水溫度達(dá)到55℃時(shí)能夠滿足全天生活熱水需求。 　　——太陽能集熱器面積應(yīng)按冬季集熱條件考核，本文推薦在日輻照量為12MJ/ m2的條件下，以循環(huán)方式供熱溫度/回水溫度為45℃/30℃的全日供熱量，應(yīng)不小于系統(tǒng)全天供熱功率的15%；而且在日輻照量為17MJ/ m2的條件下，單獨(dú)將初始水溫為20℃±5℃的蓄熱水箱中的生活熱水溫度提高35℃以上。顯然需要在兩個(gè)條件中選擇較大的集熱面積。 　　——空氣源熱泵熱水系統(tǒng)容量分兩種配置方案考慮，在配套燃?xì)獠膳療崴疇t的系統(tǒng)中，空氣源熱泵在進(jìn)風(fēng)條件為15℃/12℃（DB/WB），在6h內(nèi)單獨(dú)將初始水溫為15℃±1℃的蓄熱水箱中的生活熱水溫度提高至55℃±2℃以上；而在不配套燃?xì)獠膳療崴疇t的系統(tǒng)中，空氣源熱泵在進(jìn)風(fēng)條件為2℃/1℃（DB/WB），以熱水循環(huán)方式運(yùn)行，供熱溫度/回水溫度為45℃/30℃，在無燃?xì)鉄嵩吹南到y(tǒng)，熱泵額定供熱功率應(yīng)不小于系統(tǒng)額定供熱功率。 　　——燃?xì)獠膳療崴疇t的容量應(yīng)符合，生活熱水加熱能力應(yīng)滿足以規(guī)定的生活熱水流量，持續(xù)將15℃的進(jìn)水加熱至45℃以上；供暖能力應(yīng)滿足以熱水循環(huán)方式運(yùn)行，供熱溫度/回水溫度為45℃/30℃，供熱量應(yīng)不小于系統(tǒng)額定供熱功率。 　　3 能效指標(biāo) 　　在集成空氣源熱泵和燃?xì)獠膳療崴疇t的住宅太陽能供暖系統(tǒng)中，消耗的能源有多種類型，包括太陽能、電能和燃?xì)?，同時(shí)也包括環(huán)境空氣熱源的利用，因此，在考核系統(tǒng)能效時(shí)，太陽能得熱和環(huán)境空氣熱源得熱不計(jì)入能量消耗，利用一次能源與電能轉(zhuǎn)換系數(shù)，將電能折算為一次能源，以一次能源的單位消耗量獲得的供熱量作為能效考核指標(biāo)，所以，提出集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)的考核指標(biāo)，如式（1）所示： 　　式中： 　　PAPFIES—集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù) 　　S—太陽能熱水系統(tǒng)供熱量，MJ； 　　H—空氣源熱泵系統(tǒng)供熱量，MJ； 　　B—燃?xì)獠膳療崴疇t供熱量，MJ； 　　Es—太陽能熱水系統(tǒng)耗電量，kWh； 　　Eh—空氣源熱泵系統(tǒng)耗電量，kWh； 　　Eb—空氣源熱泵系統(tǒng)耗電量，kWh； 　　C—一次能源與電能轉(zhuǎn)換系數(shù)，MJ/(kWh)； 　　G—燃?xì)獠膳療崴疇t耗氣量，MJ； 　　i—季節(jié)代號(hào)，i＝1，春季和秋季；i＝2，夏季；i＝3，冬季。 　　為方便計(jì)算，春季、秋季和夏季的能效計(jì)算，以加熱蓄熱水箱的加熱量作為供熱量，而以加熱這些熱水所消耗的電能和燃?xì)庾鳛楹哪芰?。而在冬季運(yùn)行能耗中，假設(shè)全天以系統(tǒng)額定供熱功率的50%的供熱功率運(yùn)行，由于太陽能得熱量是以全天獲得的全部熱能測量的，在計(jì)算時(shí)將該得熱量平均攤到全天計(jì)算其供熱功率。各種輔助熱源供熱負(fù)荷計(jì)算見表3，各種系統(tǒng)集成方式的能效計(jì)算見表4，集成系統(tǒng)一次能源全年能效因數(shù)計(jì)算見表5。 　　需要特別說明的，是空氣源熱泵的能耗計(jì)算，不應(yīng)按進(jìn)水溫度計(jì)算初始溫度，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行條件下，空氣源熱泵加熱生活熱水的初始溫度均為進(jìn)水與水箱中原有的熱水混合后的溫度，本文規(guī)定在春季和秋季，熱泵加熱運(yùn)行的初始溫度為35℃；在夏季，熱泵加熱運(yùn)行的初始溫度為40℃。至于太陽能集熱器和燃?xì)獠膳療崴疇t的電能和燃?xì)庀?，?yīng)按照其供熱量而不是容量計(jì)算。 　　4結(jié)束語 　　集成空氣源熱泵或燃?xì)獠膳療崴疇t的太陽能供暖系統(tǒng)，能夠較好地解決太陽能輻照不穩(wěn)定問題，但是多種熱源的聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生的一系列問題需要妥善解決，本文推薦了一個(gè)基于供熱性能導(dǎo)出的系統(tǒng)配置方案，以及系統(tǒng)全年能效指標(biāo)。本文提出的性能試驗(yàn)方法僅僅是一個(gè)初步的構(gòu)思，需要在相關(guān)工作中進(jìn)一步完善。（廣東萬和新電氣股份有限公司 黃遜青）