摘　要：開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出可自由組合的低溫輻射地板供暖模塊。對(duì)太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行的性能試驗(yàn)，間歇運(yùn)行方式的制熱性能系數(shù)比連續(xù)運(yùn)行方式高。將太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)與燃?xì)狻⑷加托^(qū)供暖系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，認(rèn)為太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)具有較大的市場(chǎng)潛力。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱泵  地板供暖  制熱性能系數(shù)  經(jīng)濟(jì)性

Research on Solar Heat Pump Low-temperature Rediant Floor Heating System

Abstract：A solar heat pump low-temperature radiant floor heating system has been developed．The freely combinational heating modules of low-temperature radiant floor had been designed．The performance tests of the system are conducted by continuous operation and intermittent operation．The coefflcient of performanee of intermittent operation mode is higher than that of continuous operation mode．The solar heat pump low-temperature radiant floor heating system is economically compared with gas-fired and oil-fired heating systems，and it is concluded that the former has a large market potential．

Key words：solar heat pump；floor heating；coefficient of performance；economy

1　概述

太陽(yáng)能^[1]作為一種可再生綠色能源，以其儲(chǔ)量的無(wú)限性、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在建筑中得到廣泛利用。熱泵^[2-9]技術(shù)是開(kāi)發(fā)和強(qiáng)化高品質(zhì)能源利用率的重要手段，通過(guò)熱泵可以把熱源中一般不能直接利用的低品位熱源轉(zhuǎn)化為高品位熱源。因此，筆者開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出可自由組合的低溫輻射地板供暖模塊，在地板夾層中布置換熱盤(pán)管，利用太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)生的50℃熱水進(jìn)行供暖。通過(guò)有效的控制方式，實(shí)現(xiàn)及時(shí)升溫和及時(shí)停運(yùn)，大幅度降低能源消耗。

2　太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)的組成和供暖模式

僅使用單一熱源的熱泵系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是熱泵機(jī)組COP受環(huán)境溫度影響較大^[10]：環(huán)境溫度為0℃時(shí)，熱泵機(jī)組的COP為額定工況下的70％左右；環(huán)境溫度為-6℃時(shí)，只有額定工況下的62％左右；環(huán)境溫度為-l0℃時(shí)，只有額定工況下的55％左右。且環(huán)境濕度過(guò)高時(shí)蒸發(fā)器結(jié)霜，結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)，平均半小時(shí)化一次霜，一次化霜的時(shí)間約為5min，因化霜減少的供熱量約達(dá)l7％。為了彌補(bǔ)單一熱源熱泵存在的局限性和充分利用低品位能量，本文將太陽(yáng)能集熱器和空冷式蒸發(fā)器作為熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)端，依靠熱泵技術(shù)提升能量品位，實(shí)現(xiàn)較難利用的低品位能源向易利用的高品位能源轉(zhuǎn)換，利用太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)生的50℃熱水進(jìn)行供暖。太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)見(jiàn)圖l。

該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、蓄熱設(shè)備、低溫輻射地板供暖模塊和控制系統(tǒng)5部分組成。該系統(tǒng)有3種供暖模式：太陽(yáng)能直接供暖模式、太陽(yáng)能熱泵供暖模式、輔助電加熱供暖模式(熱泵直接供暖模式)。

①太陽(yáng)能直接供暖模式

當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蓄熱水箱出水溫度大于或等于50℃時(shí)，循環(huán)水泵9-1啟動(dòng)，蓄熱水箱中的水進(jìn)入集熱器進(jìn)行加熱，加熱后的水流回蓄熱水箱。循環(huán)水泵9-2啟動(dòng)，蓄熱水箱中的水通過(guò)三通閥l0-1和10-3，不經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組而直接供給低溫輻射地板供暖模塊。從低溫輻射地板供暖模塊出來(lái)的水，通過(guò)三通閥l0-4和10-2流回蓄熱水箱。

②太陽(yáng)能熱泵供暖模式

當(dāng)太陽(yáng)輻射不強(qiáng)，蓄熱水箱出水溫度小于50℃但仍大于室外氣溫時(shí)，太陽(yáng)能直接供暖模式無(wú)法保證供暖溫度，此時(shí)啟動(dòng)太陽(yáng)能熱泵供暖模式。循環(huán)水泵9-1啟動(dòng)，蓄熱水箱中的水進(jìn)入集熱器進(jìn)行加熱，加熱后的水流回蓄熱水箱。循環(huán)水泵9-2啟動(dòng)，蓄熱水箱中的水經(jīng)三通閥10-1進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，與熱泵機(jī)組中的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，通過(guò)三通閥l0-2流回蓄熱水箱。低溫輻射地板供暖模塊中的回水在熱泵機(jī)組的冷凝器中與工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，循環(huán)供給低溫輻射地板供暖模塊。水經(jīng)過(guò)了太陽(yáng)能集熱器加熱，提高了熱泵機(jī)組的COP。

③輔助電加熱供暖模式

當(dāng)蓄熱水箱出水溫度小于室外氣溫時(shí)，則啟動(dòng)輔助電加熱供暖模式(熱泵直接供暖模式)。蓄熱水箱中的輔助電加熱器3加熱蓄熱水箱中的水，使蓄熱水箱出水溫度小于50℃但大于室外氣溫。循環(huán)水泵9-2啟動(dòng)，蓄熱水箱中的水經(jīng)三通閥l0-1進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，與熱泵機(jī)組中的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，通過(guò)三通閥l0-2流回蓄熱水箱。低溫輻射地板供暖模塊中的回水在熱泵機(jī)組的冷凝器中與工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，循環(huán)供給低溫輻射地板供暖模塊。輔助電加熱也提高了熱泵機(jī)組COP。

2.2　系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度低于l5℃，而太陽(yáng)能集熱溫度在50℃以上，利用兩者溫差加熱熱泵蒸發(fā)端制冷劑。

②由于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)載熱流體溫度較低，可以使用平板集熱器，其集熱效率可達(dá)到52％以上。

③利用太陽(yáng)能加熱蒸發(fā)端制冷劑以及輔助化霜，可以解決熱泵在溫度較低(-5℃以下)時(shí)出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)霜、系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行等問(wèn)題，彌補(bǔ)了單一熱泵效率低下和化霜浪費(fèi)熱量的缺陷。

④供暖模式靈活可調(diào)，可充分利用地板蓄熱能力以降低運(yùn)行費(fèi)用。此外，該系統(tǒng)還可用于在非供暖期為用戶(hù)提供生活熱水。

⑤低溫輻射地板供暖模塊所需熱水溫度為40～50℃，3種供暖模式產(chǎn)生的熱水均在50℃以上，和前者能較好匹配，能量品位對(duì)口。

3　低溫輻射地板供暖模塊設(shè)計(jì)

換熱盤(pán)管可根據(jù)地板和房間的尺寸設(shè)計(jì)和組裝，也可直接安裝在現(xiàn)有地板下。利用太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)生的50℃左右的熱水進(jìn)行供暖，通過(guò)有效的控制方式，達(dá)到溫度過(guò)低時(shí)及時(shí)升溫、溫度過(guò)高時(shí)及時(shí)停運(yùn)的目的，大幅度降低能源消耗。

太陽(yáng)能熱泵供暖模式供暖時(shí)，系統(tǒng)可有兩種運(yùn)行方式：連續(xù)運(yùn)行方式和間歇運(yùn)行方式。連續(xù)運(yùn)行供暖時(shí)，循環(huán)泵抽取蓄熱水箱中的熱水進(jìn)入換熱盤(pán)管，之后利用地板換熱盤(pán)管內(nèi)壁的對(duì)流換熱、盤(pán)管壁的導(dǎo)熱、高導(dǎo)熱性板材的導(dǎo)熱、地板的導(dǎo)熱和蓄熱以及地板表面的熱輻射和對(duì)流換熱向室內(nèi)散熱，使室內(nèi)溫度始終在一定范圍內(nèi)(18～27℃)波動(dòng)。間歇運(yùn)行供暖時(shí)，l9：00～23：00以外的時(shí)間，當(dāng)室內(nèi)溫度超過(guò)24℃時(shí)，熱泵機(jī)組停止運(yùn)行；低于l8℃時(shí)，機(jī)組重新啟動(dòng)，以保證室內(nèi)溫度在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。19：00～23：00，太陽(yáng)能集熱器和熱泵機(jī)組停止運(yùn)行，依靠地板蓄熱量來(lái)維持室內(nèi)溫度，直到溫度低于設(shè)定值l6℃時(shí)，再將熱泵機(jī)組投人運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)溫度超過(guò)22℃時(shí)，熱泵機(jī)組停止運(yùn)行。這樣可以盡量減少熱泵機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間，降低運(yùn)行費(fèi)用。

4　系統(tǒng)性能試驗(yàn)和分析

為了測(cè)定太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的COP值和室內(nèi)溫度的變化情況，對(duì)太陽(yáng)能熱泵供暖的連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行模式分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。供暖房屋的建筑面積為l20m²，經(jīng)計(jì)算采用3.2m²的平板式太陽(yáng)能集熱器，其集熱效率為60％，平均日效率約為55％，蓄熱水箱容積為250L。太陽(yáng)能熱泵供暖模式始終保持換熱盤(pán)管進(jìn)水溫度在50℃以上。

連續(xù)運(yùn)行方式的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為l個(gè)月，每天運(yùn)行24h，每小時(shí)監(jiān)測(cè)記錄一次。以每3天為單位取室內(nèi)溫度、COP、環(huán)境溫度平均值，結(jié)果見(jiàn)圖2。其中橫坐標(biāo)值1代表實(shí)驗(yàn)的第l～3天，2代表實(shí)驗(yàn)的4～6天，依此類(lèi)推。在此運(yùn)行模式期間，平均室外溫度為-3.47℃，最低日平均溫度為-6.6℃，最高日平均溫度為0.0℃，太陽(yáng)輻射平均日總量為2353W／m²，集熱器平均日集熱總量為l411.8W／m²，室內(nèi)溫度在19.2～22.7℃范圍內(nèi)變化(平均達(dá)21.15℃)，系統(tǒng)的平均COP達(dá)2.689，COP最低為2.614，最高為2.782。從圖2可知，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的供暖溫度始終在人體舒適的溫度范圍內(nèi)波動(dòng)，但是系統(tǒng)的COP值較小，說(shuō)明能耗還可以進(jìn)一步降低。

間歇運(yùn)行方式試驗(yàn)時(shí)間同樣為1個(gè)月，每小時(shí)監(jiān)測(cè)記錄一次，同樣以每3天的數(shù)據(jù)做一次平均值計(jì)算，得到室內(nèi)溫度、COP、環(huán)境溫度的平均值，見(jiàn)圖3。圖3中的橫坐標(biāo)值意義與圖2相同。在此運(yùn)行模式期間，平均室外溫度為-5.581℃，最低日平均溫度為-7.9℃，最高日平均溫度為-4.8℃。太陽(yáng)輻射平均日總量為2123W／m²，集熱器平均日集熱總量為l273.8W／m²。室內(nèi)溫度保持在19.1～20.7℃(平均達(dá)19.87℃)。系統(tǒng)平均COP達(dá)2.979，COP最低為2.90，最高為3.03。由圖3可知，系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)COP有所提高，供暖溫度也在合適范圍內(nèi)波動(dòng)，但是較連續(xù)運(yùn)行方式有所下降。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析可知，用戶(hù)可以靈活地選擇運(yùn)行方式，在環(huán)境溫度較高時(shí)，可以選擇間歇運(yùn)行方式，充分利用地板的蓄熱能力以節(jié)約費(fèi)用；在環(huán)境溫度較低時(shí)，可以選擇連續(xù)運(yùn)行方式，以達(dá)到較高的供暖溫度。

5　經(jīng)濟(jì)性分析

將本文開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)應(yīng)用于某建筑面積為300m²的房屋，并與燃?xì)夂腿加托^(qū)供熱系統(tǒng)進(jìn)行比較。建筑能耗以JGJ26—2010((嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)20.2W／m²計(jì)，供熱總負(fù)荷為6.06kW，供暖時(shí)間為110d，供熱水時(shí)間為240d，根據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算供熱水負(fù)荷為88.12kW·h／d。連續(xù)運(yùn)行方式下熱泵機(jī)組的平均COP為2.689，真空管集熱器的集熱效率為68％，系統(tǒng)散熱損失為16％，蓄熱水箱容積為6m³。燃?xì)夂腿加湾仩t供熱效率均取0.8，燃?xì)獾蜔嶂禐?span lang="EN-US">36533kJ／m³，燃油熱值為43054 kJ／kg，電價(jià)為0.6元／(kW·h)，燃?xì)鈨r(jià)為2.6元/m³，燃油價(jià)為5元/kg，熱管集熱器造價(jià)為1600元／m²。

動(dòng)態(tài)法費(fèi)用年值計(jì)算式為：

式中Zd——按動(dòng)態(tài)法計(jì)算的費(fèi)用年值，元／a

i——收益率，太陽(yáng)能熱泵供熱取4％，燃?xì)夂腿加凸崛?span lang="EN-US">10％

m——生產(chǎn)期，a，太陽(yáng)能熱泵供熱取15a，燃?xì)夂腿加凸崛?span lang="EN-US">20a

k——造價(jià)，元

C——年運(yùn)行費(fèi)用，元／a

按式(1)進(jìn)行費(fèi)用年值的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表l可知，對(duì)于單位面積費(fèi)用年值，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)比燃?xì)夤嵯到y(tǒng)高5.5％，比燃油供熱系統(tǒng)低10.3％。但是綜合考慮環(huán)境保護(hù)、能源消耗、系統(tǒng)可調(diào)性和長(zhǎng)期回報(bào)，太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)還是具有較大的市場(chǎng)潛力。

6　結(jié)論

①將太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了低溫輻射地板供暖換熱盤(pán)管，該盤(pán)管可按需靈活加工，直接安裝在現(xiàn)有地板下。此外，太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的供暖模式和運(yùn)行模式靈活可調(diào)。

②對(duì)太陽(yáng)能熱泵供暖模式下的連續(xù)運(yùn)行方式和間歇運(yùn)行方式分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出間歇運(yùn)行時(shí)COP較連續(xù)運(yùn)行時(shí)高，但室內(nèi)溫度較連續(xù)運(yùn)行時(shí)低，用戶(hù)可按照環(huán)境溫度來(lái)靈活選擇。

③將太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)和燃?xì)?、燃油小區(qū)供熱系統(tǒng)進(jìn)行了比較，綜合對(duì)比數(shù)據(jù)和環(huán)境保護(hù)、能源消耗、系統(tǒng)可調(diào)性和長(zhǎng)期回報(bào)等因素，認(rèn)為雖然太陽(yáng)能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)效益居中，但仍具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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本文作者：蔣俊卿  王廣東

作者單位：泰安市中正東城供熱有限公司

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