张玉菡1，张伟捷1，吴金顺2，潘嵩3，吕闯2，张维亚2
1 河北工程大学能源与环境工程学院；2 华北科技学院建筑工程学院；3 北京工业大学建筑工程学院
【摘 要】生态环保是京津冀地区协同发展的重点领域之一，能源的生产消费与生态环保息息相关，其中农村能源是能源体系的重要组成部分。为了解决新农村能源利用尤其是采暖问题，本文提出了一种应用太阳能辅助空气源热泵辐射系统供暖的装配式一体房，并对该装配式建筑的采暖系统进行监测，针对系统太阳能集热部分、空气源热泵部分以及毛细管网辐射采暖部分的运行特性进行分析。结果表明本系统太阳能集热器对供暖期间的贡献率为35.4%，空气源热泵供暖期间贡献率为65.6%，该系统能够达到用户对住宅的采暖需求，对京津冀地区能源体系的完善意义重大。
【关键字】太阳能、空气源热泵、毛细管网、装配式、运行特性
0 引言
生态环保是京津冀地区协同发展三大效率的重点领域之一，其中能源的生产和消费直接与生态环境保护息息相关[1]。农村能源是我国能源体系的重要组成部分，长期以来，农村建筑一直为砖混式建筑，建筑建设一直处于自由无序、粗放型状态，消耗大量能源资源，造成环境污染，工程质量堪忧，亟待转型发展[2]。而装配式建筑是标准化设计、工业化生产、机械化安装、信息化管理的现代化建造方式。发展农村装配式建筑是农房建设转型升级的重要载体，能够全面提升农房质量、带动农村经济发展的、降低资源消耗的重要举措。
京津冀地区农村采暖方式主要为煤炭小型锅炉[3]，该采暖方式运行成本高、系统寿命短、环境污染严重。低碳能源的开发与利用是解决能源与环保问题的重要手段，清洁可再生能源技术的应用越来越收到人们的重视，太阳能与热泵等技术的应用越来越广泛。然而常规太阳能采暖受环境因素影响大，且不能全天运行，而热泵作为一种高效节能装置，也有其固有的缺点，若将其与太阳能供暖系统有机结合，在解决太阳能供热不足问题的同时[4]，还能够解决热泵一部分问题。
针对上述两个方面，本文提出一种应用太阳能辅助空气源热泵系统的装配式一体房。并在供暖期间对系统相关参数进行测试，对其运行特性进行分析。
1 系统介绍
1.1 装配房简介
图1-1 装配式一体房
该建筑位于北京某地区，建筑主体由航运集装箱改造而成，建筑面积为36㎡，12m×3m×3m（长×宽×高），墙厚10cm，门窗均为三层真空保温玻璃，如图1-1所示。
1.2 太阳能辅助空气源热泵系统简介
该装配式建筑所采用的采暖系统为太阳能辅助空气源热泵辐射采暖系统，其中太阳能集热器与空气源热泵并联，太阳能集热器所收集的热量贮存在水箱，空气源热泵通过将吸收的空气能通过管道循环贮存在蓄热水箱，蓄热水箱通过循环水泵供给室内热量。采暖末端为立面毛细管，其系统图如图1-2所示。
2 系统测试
为了对该系统的热力学性能、运行效果进行分析，对本系统的太阳能集热器温度、毛细管网回水温度、室内温度，空气源热泵制冷剂进、出口温度进行测试，测试时间为2018年2月4日0：00至2018年2月7日24：00。该系统白天运行太阳能集热系统（9：30-17：00），夜晚运行空气源热泵系统。系统为智能控制系统，主要运行功能为：当蓄热水箱水温＜55℃时启动水泵P1，当蓄热水箱水温≥60℃时关闭水泵P1；当房间内温度＜25℃时启动P2，当房间内温度≥30℃时，关闭P2；当蓄热水箱水温＜35℃，且太阳能集热器内水温与蓄热水箱内水温温差小于1.5℃时开启空气源热泵，当蓄热水箱内温度≥40℃或太阳能集热器内水温于蓄热水箱内水温≥2.0℃时关闭空气源热泵。
图1-2 太阳能辅助空气源热泵辐射采暖系统图
图2-1 太阳能集热器内水温 图2-2 工质进口温度
2.1 太阳能集热器水温
太阳能集热系统在白天运行（9：30-17：00），太阳能集热器太阳能集热系统内水温如图2-1所示。由图2-1可以看出，在太阳能集热系统运行期间，太阳能集热器内水温在30-140℃之间，而蓄热水箱内水温不高于70摄氏度，在这期间，太阳能集热器能够将所集热量通过循环系统贮存到蓄热水箱中。
2.2 空气源热泵工质温度
空气源热泵在晚上和太阳能集热器供热量不足时运行，对空气源热泵工质与换热器之间进出口温度进行监测，对监测数据温度数据进行整理，如图2-2，2-3所示。可以看出空气源热泵在18：00-8：00运行，其工质进入换热器的温度在30~65℃之间，出口温度基本在20~30℃之间。以2月4号工质进出口温度为例（图2-4），可以看出，在太阳能集热系统运行期间空气源热泵系统基本不运行。
图2-3 工质出口温度 图2-4 工质进出口温度
2.3 蓄热水箱温度
蓄热水箱将太阳能集热系统与空气源热泵系统所集热量贮存起来，通过供热系统供给室内，蓄热水箱采用实时集热实时放热模式，其水温随时间的变化曲线如图2-5所示，从图中可以看出，在空气源热泵运行期间，水箱的温度在35~40℃之间，在太阳能集器运行期间，其水温随着时间推移先升高后降低，在下午14：00左右达到最大值。
图2-5 蓄热水箱温度 图2-6 室内温度
2.4 室内温度
供热系统通过里面毛细管网供暖，测试期间对建筑东侧及中间大厅是室内温度进行监测，监测结果如图2-6所示，从图中可以看出室内温度在20~30℃之间，在太阳能集热器运行期间室内温度先上升再降低，再下午14：00-16：00期间室内温度基本在26℃以上，太阳能集热器停止运行后，室内温度逐渐下降至次日7：00左右达到最低值约21℃。
3 系统运行分析
通过对实验系统的测试，可以知道，在太阳能集热系统运行期间，太阳能集热器内水温在40-140℃之间（图2-1），经水循环后使蓄热水箱内水温在40℃以上，通过末端散热后，室内温度在26~30℃之间波动（图2-6），因此太阳能集热系统能够长时间对该建筑进行供暖。图2-1所示2月4号的太阳能集热器温度幅度波动较大，这是由于当天天气状况所致，但当天蓄热水箱的温度仍在40℃之上，室内温度仍在20℃之上。所以在常规天气状况下，太阳能集热系统能够保证长时间的集热，且能够提供装配房足够的热量，在本系统中，太阳能集热系统供热时间为9：00-18：00，即供热时间占总的35.4%。
通过对图2-2，2-3，2-4进行分析，可以看出在空气源热泵运行期间，其换热工质基本在30~60℃之间波动，经过换热器后工质温度下降至35℃之下。低温水经换热器后供给蓄热水箱，能够使蓄热水箱内水温维持在35~40℃（图2-5），进而长期稳定的通过循环系统供给室内热量，保证室内温度在20℃之上。因此，在京津冀地区，空气源热泵能够在常规天气下供给装配房充足稳定的热量，在本该系统中空气源热泵供暖时间占总的64.6%。
通过对图2-6进行分析，可以看出装配房室内温度均在20℃之上，高于普通住宅之内采暖温度。本系统末端采用立面毛细管网如图3-1所示，由于毛细管网的高密度性，在相同热舒适情况下，可以适当降低循环水温度，由图2-5所示，可以看出循环水水温在30℃之上即可保证室内温度在20℃以上，这大大提高了系统的运行效率。
图3-1 立面毛细管网
4 结论
经过对本系统运行数据监测及分析，可以得到以下结论：
（1）太阳能集热系统运行期间，蓄热水箱的温度在40℃以上，室内温度基本维持在26~30℃，能够保证用户对热量的需求，最终太阳能供热时间占总的35.4%；
（2）空气源热泵运行期间，蓄热水箱温度维持在35~40℃之间，室内温度在20℃以上，将空气源热泵在京津冀地区应用于该类型的装配式建筑，能够保证用户对热量的需求，最终空气源热泵供热时间占总的64.6%；
（3）安装立面毛细管网末端，能够大幅度降低采暖系统对温度的要求，在本类型的装配式建筑中，采用立面毛细管网末端进行供暖，循环水系统在30℃以上即可保证室内温度在20℃以上；
（4）太阳能辅助空气源热泵系统能够保证该类型建筑在京津冀地区的供暖需求，由于系统所用能源为洁净可再生能源，因此对京津冀地区能源利用体系的完善意义重大。
本文对太阳能辅助空气源热泵系统的装配式一体房供暖期间的数据进行了分析，但仍存在部分缺点，如系统运行期间并未对电能等能源的消耗进行监测分析，因此不能定量分析本系统的节能效益。由于监测时间较短，且没有季节性跨度，不能准确分析该系统的供冷效果。这些问题将会在后续研究。
参考文献：
[1]严晓辉,李政,谢克昌.京津冀农村能源体制机制问题初探[J].中国能源,2016,38(01):32-36.
[2]谷竟成,陈科良,仝杰.农村装配建筑发展应用研究[J].农村经济与科技11,2017,28(07):251-253.
[3]李萌.京津冀农村清洁能源供热采暖成本降低路径研究[J].城市,2017(03):70-77
[4]李楠,田昕,王皆腾.北京某农村住宅空气源热泵辅助太阳能供暖系统的运行性能[J].运行管理.2017(47)
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
