利用可再生能源的地暖系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

李學(xué)媚，吳會(huì)軍,2，鄒銳婷，徐 濤，唐旭東

(1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院建筑節(jié)能研究院，廣州 510000；2. 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510000)

0 引言

降低建筑的運(yùn)行能耗及其碳排放已成為中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略實(shí)施的當(dāng)務(wù)之急。供暖在冬季寒冷地區(qū)必不可少，造成大量的能源消耗和碳排放；另外長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)夏熱冬暖地區(qū)屬于非供暖地區(qū)，但隨著對(duì)熱環(huán)境舒適度要求的提高，夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時(shí)間的采暖需求也日益迫切。因此，如何在滿(mǎn)足人們采暖需求的同時(shí)盡量減少能源消耗和碳排放成為亟需解決的問(wèn)題。其中，利用太陽(yáng)能、空氣能等可再生能源供暖是降低建筑運(yùn)行碳排放的重要技術(shù)途徑。

太陽(yáng)能是重要的可再生能源和清潔能源，目前太陽(yáng)能熱利用技術(shù)已逐漸應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑采暖與熱水系統(tǒng)[1]?？諝庠礋岜檬墙鼛啄陙?lái)大力推廣的暖通技術(shù)，具有節(jié)能、使用便利、供暖效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其在工作過(guò)程中會(huì)消耗一定的電能[2]。許多研究學(xué)者對(duì)空氣源熱泵的運(yùn)行策略、系統(tǒng)性能等方面進(jìn)行了研究。洪曉強(qiáng)[3]對(duì)中國(guó)將空氣源熱泵納入可再生能源利用技術(shù)范圍的相關(guān)政策進(jìn)行了分析。金光等[4]在內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行及太陽(yáng)能-空氣源熱泵雙熱源聯(lián)合運(yùn)行的供暖特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用太陽(yáng)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(duì)蘭州地區(qū)某一幢別墅建筑的太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了計(jì)算分析，研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)相比，該太陽(yáng)能-空氣源熱泵系統(tǒng)在太陽(yáng)能集熱量、太陽(yáng)能保證率等方面均有明顯改善。李楠等[6]測(cè)試了北京地區(qū)某農(nóng)村住宅的空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的日均太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為4.87%。張井山等[7]對(duì)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的一種與空氣源熱泵結(jié)合的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：雖然該太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)受太陽(yáng)輻照的影響較大，但空氣源熱泵和太陽(yáng)能的結(jié)合使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。Long 等[8]采用TRNSYS 軟件研究了西藏自治區(qū)某辦公建筑的太陽(yáng)能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：在供暖季節(jié)，該供暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為43%。Ran 等[9]采用豎拇指模擬方法研究了太陽(yáng)能-空氣能混合熱泵系統(tǒng)在成都、北京和沈陽(yáng)地區(qū)的應(yīng)用，研究結(jié)果表明：在供暖季節(jié)，成都、北京和沈陽(yáng)地區(qū)的太陽(yáng)能-空氣能混合熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)分別為3.61、3.27 和2.45。金佳煜[10]以某熱水工程為對(duì)象，建立太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體模型，對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、冬季結(jié)霜環(huán)境下熱泵機(jī)組采用電加熱除霜時(shí)的優(yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：優(yōu)化調(diào)度后系統(tǒng)的熱水供應(yīng)更穩(wěn)定，運(yùn)行效率也有較大提升；環(huán)境溫濕度是影響熱泵是否結(jié)霜及結(jié)霜快慢的重要因素。王宇等[11]在夏熱冬暖地區(qū)搭建了空氣源熱泵與太陽(yáng)能復(fù)合熱水系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試研究，測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可供應(yīng)不低于40 ℃的熱水。

基于夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時(shí)間的采暖需求，以及此類(lèi)地區(qū)尚缺少太陽(yáng)能供暖應(yīng)用性能數(shù)據(jù)，例如缺少太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率、可再生能源利用率等數(shù)據(jù)的情況，本文針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時(shí)間的采暖需求，以廣州市某建筑房間為供暖對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)利用可再生能源的地暖系統(tǒng)，即太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行測(cè)試研究。

1 太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)象，對(duì)太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于本實(shí)驗(yàn)在夏熱冬暖地區(qū)進(jìn)行，為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，在測(cè)試艙室周?chē)罱死錃夂蚰M艙室，用于模擬室外溫度環(huán)境，其與測(cè)試艙室共同構(gòu)成實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)×寬×高)為2780 mm×2780 mm×2450 mm。測(cè)試艙室的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1880 mm×1650 mm×2450 mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彩鋼板-聚苯乙烯泡沫，厚度為77 mm，傳熱系數(shù)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(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵和地暖模塊這3 個(gè)模塊組成，該太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Design drawing of solar-air source heat pump underfloor heating system

如設(shè)計(jì)圖所示，太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵采用并聯(lián)的方式連接，供熱水箱安裝于太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部。當(dāng)冬季天氣晴朗、太陽(yáng)輻射量充足時(shí)，利用太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的控制面板對(duì)供熱水箱的溫度進(jìn)行設(shè)定；測(cè)試期間全程啟動(dòng)太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量傳輸至供熱水箱，對(duì)供熱水箱中的水進(jìn)行加熱，并儲(chǔ)存熱量。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器提供的熱量不足，即供熱水箱實(shí)際溫度與設(shè)定值之間的溫差達(dá)到2 ℃時(shí)，空氣源熱泵自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)熱，以達(dá)到滿(mǎn)足房間供暖要求的目的。

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)中采用的主要設(shè)備及其型號(hào)或參數(shù)性能如表1 所示。

表1 主要設(shè)備及其型號(hào)或參數(shù)性能Table 1 Model or parameter performance of main equipments

1.3 供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，在供暖房間中測(cè)試艙室的不同高度處設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)測(cè)試艙室內(nèi)不同位置的空氣溫度，以及熱水管道進(jìn)、出口水溫，供熱水箱進(jìn)、出口水溫，空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)水流量、耗電功率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用儀器及其參數(shù)如表2 所示，測(cè)試艙室中的測(cè)溫點(diǎn)布置示意圖如圖3 所示。

表2 供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用儀器及其參數(shù)Table 2 Instruments and parameters used for heating performance testing

圖3 測(cè)試艙室中的測(cè)溫點(diǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試一共采用了20 個(gè)Type-T 型熱電偶，其中：測(cè)試艙室的地面均勻布置5 個(gè)熱電偶；測(cè)試艙室內(nèi)部距地面垂直高度1.1 m 的平面均勻布置5 個(gè)熱電偶；測(cè)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(gè)熱電偶；測(cè)試艙室4 個(gè)墻面和屋頂各布置1 個(gè)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(gè)熱電偶。實(shí)驗(yàn)測(cè)試一共采用了6 個(gè)PT100 熱電阻，其中：熱水管道進(jìn)、出口，供熱水箱進(jìn)、出口，以及空氣源熱泵進(jìn)、出口各布置1 個(gè)熱電阻。所有布置的熱電偶數(shù)據(jù)與熱電阻數(shù)據(jù)均為實(shí)時(shí)采集，采集時(shí)間間隔為10 s。

供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試的測(cè)試時(shí)間為2021 年12月23—25 日，共72 h。測(cè)試期間，冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽(yáng)輻照度的逐時(shí)變化情況如圖4 所示。

圖4 測(cè)試期間冷氣候模擬艙室的空氣溫度和室外太陽(yáng)輻照度的逐時(shí)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(cè)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(yáng)輻照度在0～691.58 W/m2之間；12 月24 日的平均太陽(yáng)輻照度最強(qiáng)。

對(duì)供暖房間進(jìn)行供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試主要步驟為：開(kāi)啟太陽(yáng)能集熱器，將供熱水箱的溫度設(shè)置為55 ℃；當(dāng)供熱水箱溫度不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)熱；電表安裝在冷氣候模擬艙室，測(cè)試期間，每天24:00 時(shí)記錄一次電表數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到每天的耗電量；然后計(jì)算太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率，并對(duì)太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的供暖效果及節(jié)能性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括供熱量、耗電量、太陽(yáng)能利用率、空氣熱能利用率、可再生能源利用率、太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率等。

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

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

空氣源熱泵供熱量Qair的計(jì)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(jìn)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(yùn)行時(shí)間，h。

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率φREN的計(jì)算式可表示為：

式中：ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)地暖系統(tǒng)的運(yùn)行效率，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果，該值為0.7；ηcp為空氣源熱泵的平均發(fā)電效率，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果，該值為0.91；W為空氣源熱泵的耗電量，kWh。

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的空氣熱能利用率φair的計(jì)算式可表示為：

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率φsol的計(jì)算式可表示為：

太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率f的計(jì)算式可表示為：

式中：Qj為太陽(yáng)能集熱器的集熱量，MJ；Qz為太陽(yáng)能集熱器的能耗，MJ。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)分析

供暖性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)試艙室內(nèi)不同高度處的空氣溫度如圖5 所示。

圖5 測(cè)試期間測(cè)試艙室內(nèi)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(duì)比圖4、圖5 可知：測(cè)試期間，測(cè)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(shì)一致，而且測(cè)試艙室的日平均空氣溫度約為18.9 ℃，可滿(mǎn)足JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》與GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)冬季供暖房間空氣溫度的相關(guān)要求。

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

圖6 測(cè)試期間測(cè)試艙室中熱水管道的進(jìn)、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(cè)試期間，太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如表3 所示，空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫和供熱水箱進(jìn)、出口水溫的變化情況如圖7 所示。

表3 測(cè)試期間太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)Table 3 Operating parameters of solar-air source heat pump underfloor heating system during testing

圖7 測(cè)試期間空氣源熱泵進(jìn)、出口水溫和供熱水箱進(jìn)、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(jù)圖7，再結(jié)合圖4 和表3 可以看出：在太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)的時(shí)間段，空氣源熱泵的進(jìn)、出口水溫和供熱量明顯降低，這是由于太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)中太陽(yáng)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(jì)算

可再生能源利用率是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)節(jié)能性能的重要參數(shù)。測(cè)試期間太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率如表4 所示。

表4 測(cè)試期間太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率計(jì)算結(jié)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(cè)試期間，太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率最高可達(dá)到57.6%，平均值為48.2%。通過(guò)計(jì)算可以得到太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為11.4%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)在冬季部分時(shí)間的采暖需求，將廣州市某建筑房間作為供暖對(duì)象，搭建了太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)該系統(tǒng)的供暖性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：

1)測(cè)試期間，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下，室外平均空氣溫度為6.3 ℃時(shí)，太陽(yáng)能- 空氣源熱泵地暖系統(tǒng)可將供暖房間的日平均空氣溫度維持在約18.9 ℃，可滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)冬季供暖房間空氣溫度的相關(guān)要求。

2)測(cè)試期間，太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的可再生能源利用率平均值為48.2%，太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率為11.4%。該數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)能-空氣源熱泵地暖系統(tǒng)在滿(mǎn)足了夏熱冬暖地區(qū)冬季部分時(shí)間供暖需求的同時(shí)，有效利用了可再生能源，減少了電能消耗和碳排放。

研究結(jié)果可為可再生能源供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供數(shù)據(jù)參考。