摘　要：開發(fā)太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)，設計出可自由組合的低溫輻射地板供暖模塊。對太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)進行連續(xù)運行和間歇運行的性能試驗，間歇運行方式的制熱性能系數(shù)比連續(xù)運行方式高。將太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)與燃氣、燃油小區(qū)供暖系統(tǒng)進行經濟性比較，認為太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)具有較大的市場潛力。

關鍵詞：太陽能熱泵  地板供暖  制熱性能系數(shù)  經濟性

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

太陽能^[1]作為一種可再生綠色能源，以其儲量的無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經濟性等優(yōu)勢，近年來在建筑中得到廣泛利用。熱泵^[2-9]技術是開發(fā)和強化高品質能源利用率的重要手段，通過熱泵可以把熱源中一般不能直接利用的低品位熱源轉化為高品位熱源。因此，筆者開發(fā)了太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，設計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管，利用太陽能熱泵產生的50℃熱水進行供暖。通過有效的控制方式，實現(xiàn)及時升溫和及時停運，大幅度降低能源消耗。

2　太陽能熱泵供暖系統(tǒng)設計

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)相對簡單，但是熱泵機組COP受環(huán)境溫度影響較大^[10]：環(huán)境溫度為0℃時，熱泵機組的COP為額定工況下的70％左右；環(huán)境溫度為-6℃時，只有額定工況下的62％左右；環(huán)境溫度為-l0℃時，只有額定工況下的55％左右。且環(huán)境濕度過高時蒸發(fā)器結霜，結霜嚴重時，平均半小時化一次霜，一次化霜的時間約為5min，因化霜減少的供熱量約達l7％。為了彌補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，依靠熱泵技術提升能量品位，實現(xiàn)較難利用的低品位能源向易利用的高品位能源轉換，利用太陽能熱泵產生的50℃熱水進行供暖。太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)見圖l。

該系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機組、蓄熱設備、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：太陽能直接供暖模式、太陽能熱泵供暖模式、輔助電加熱供暖模式(熱泵直接供暖模式)。

①太陽能直接供暖模式

當陽光充足時，太陽輻射強，蓄熱水箱出水溫度大于或等于50℃時，循環(huán)水泵9-1啟動，蓄熱水箱中的水進入集熱器進行加熱，加熱后的水流回蓄熱水箱。循環(huán)水泵9-2啟動，蓄熱水箱中的水通過三通閥l0-1和10-3，不經過熱泵機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的水，通過三通閥l0-4和10-2流回蓄熱水箱。

②太陽能熱泵供暖模式

當太陽輻射不強，蓄熱水箱出水溫度小于50℃但仍大于室外氣溫時，太陽能直接供暖模式無法保證供暖溫度，此時啟動太陽能熱泵供暖模式。循環(huán)水泵9-1啟動，蓄熱水箱中的水進入集熱器進行加熱，加熱后的水流回蓄熱水箱。循環(huán)水泵9-2啟動，蓄熱水箱中的水經三通閥10-1進入熱泵機組的蒸發(fā)器，與熱泵機組中的工質進行熱交換后，通過三通閥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組的冷凝器中與工質進行熱交換后，循環(huán)供給低溫輻射地板供暖模塊。水經過了太陽能集熱器加熱，提高了熱泵機組的COP。

③輔助電加熱供暖模式

當蓄熱水箱出水溫度小于室外氣溫時，則啟動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，蓄熱水箱中的水經三通閥l0-1進入熱泵機組的蒸發(fā)器，與熱泵機組中的工質進行熱交換后，通過三通閥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組的冷凝器中與工質進行熱交換后，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組COP。

2.2　系統(tǒng)的優(yōu)點

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

②由于太陽能集熱系統(tǒng)運行時載熱流體溫度較低，可以使用平板集熱器，其集熱效率可達到52％以上。

③利用太陽能加熱蒸發(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)時出現(xiàn)蒸發(fā)器結霜、系統(tǒng)無法運行等問題，彌補了單一熱泵效率低下和化霜浪費熱量的缺陷。

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

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

3　低溫輻射地板供暖模塊設計

換熱盤管可根據(jù)地板和房間的尺寸設計和組裝，也可直接安裝在現(xiàn)有地板下。利用太陽能熱泵產生的50℃左右的熱水進行供暖，通過有效的控制方式，達到溫度過低時及時升溫、溫度過高時及時停運的目的，大幅度降低能源消耗。

太陽能熱泵供暖模式供暖時，系統(tǒng)可有兩種運行方式：連續(xù)運行方式和間歇運行方式。連續(xù)運行供暖時，循環(huán)泵抽取蓄熱水箱中的熱水進入換熱盤管，之后利用地板換熱盤管內壁的對流換熱、盤管壁的導熱、高導熱性板材的導熱、地板的導熱和蓄熱以及地板表面的熱輻射和對流換熱向室內散熱，使室內溫度始終在一定范圍內(18～27℃)波動。間歇運行供暖時，l9：00～23：00以外的時間，當室內溫度超過24℃時，熱泵機組停止運行；低于l8℃時，機組重新啟動，以保證室內溫度在合理范圍內波動。19：00～23：00，太陽能集熱器和熱泵機組停止運行，依靠地板蓄熱量來維持室內溫度，直到溫度低于設定值l6℃時，再將熱泵機組投人運行。當室內溫度超過22℃時，熱泵機組停止運行。這樣可以盡量減少熱泵機組的啟動時間，降低運行費用。

4　系統(tǒng)性能試驗和分析

為了測定太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的COP值和室內溫度的變化情況，對太陽能熱泵供暖的連續(xù)運行和間歇運行模式分別進行了實驗。供暖房屋的建筑面積為l20m²，經計算采用3.2m²的平板式太陽能集熱器，其集熱效率為60％，平均日效率約為55％，蓄熱水箱容積為250L。太陽能熱泵供暖模式始終保持換熱盤管進水溫度在50℃以上。

連續(xù)運行方式的實驗時間為l個月，每天運行24h，每小時監(jiān)測記錄一次。以每3天為單位取室內溫度、COP、環(huán)境溫度平均值，結果見圖2。其中橫坐標值1代表實驗的第l～3天，2代表實驗的4～6天，依此類推。在此運行模式期間，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，室內溫度在19.2～22.7℃范圍內變化(平均達21.15℃)，系統(tǒng)的平均COP達2.689，COP最低為2.614，最高為2.782。從圖2可知，系統(tǒng)連續(xù)運行時的供暖溫度始終在人體舒適的溫度范圍內波動，但是系統(tǒng)的COP值較小，說明能耗還可以進一步降低。

間歇運行方式試驗時間同樣為1個月，每小時監(jiān)測記錄一次，同樣以每3天的數(shù)據(jù)做一次平均值計算，得到室內溫度、COP、環(huán)境溫度的平均值，見圖3。圖3中的橫坐標值意義與圖2相同。在此運行模式期間，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。室內溫度保持在19.1～20.7℃(平均達19.87℃)。系統(tǒng)平均COP達2.979，COP最低為2.90，最高為3.03。由圖3可知，系統(tǒng)間歇運行時COP有所提高，供暖溫度也在合適范圍內波動，但是較連續(xù)運行方式有所下降。

通過上述實驗分析可知，用戶可以靈活地選擇運行方式，在環(huán)境溫度較高時，可以選擇間歇運行方式，充分利用地板的蓄熱能力以節(jié)約費用；在環(huán)境溫度較低時，可以選擇連續(xù)運行方式，以達到較高的供暖溫度。

5　經濟性分析

將本文開發(fā)的太陽能熱泵低溫輻射地板供暖系統(tǒng)應用于某建筑面積為300m²的房屋，并與燃氣和燃油小區(qū)供熱系統(tǒng)進行比較。建筑能耗以JGJ26—2010((嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中節(jié)能標準20.2W／m²計，供熱總負荷為6.06kW，供暖時間為110d，供熱水時間為240d，根據(jù)文獻[11]計算供熱水負荷為88.12kW·h／d。連續(xù)運行方式下熱泵機組的平均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。燃氣和燃油鍋爐供熱效率均取0.8，燃氣低熱值為36533kJ／m³，燃油熱值為43054 kJ／kg，電價為0.6元／(kW·h)，燃氣價為2.6元/m³，燃油價為5元/kg，熱管集熱器造價為1600元／m²。

動態(tài)法費用年值計算式為：

式中Zd——按動態(tài)法計算的費用年值，元／a

i——收益率，太陽能熱泵供熱取4％，燃氣和燃油供熱取10％

m——生產期，a，太陽能熱泵供熱取15a，燃氣和燃油供熱取20a

k——造價，元

C——年運行費用，元／a

按式(1)進行費用年值的計算，計算結果見表1。

由表l可知，對于單位面積費用年值，太陽能熱泵系統(tǒng)比燃氣供熱系統(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、能源消耗、系統(tǒng)可調性和長期回報，太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)還是具有較大的市場潛力。

6　結論

①將太陽能熱利用技術與熱泵節(jié)能技術相結合，開發(fā)了太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)。設計了低溫輻射地板供暖換熱盤管，該盤管可按需靈活加工，直接安裝在現(xiàn)有地板下。此外，太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的供暖模式和運行模式靈活可調。

②對太陽能熱泵供暖模式下的連續(xù)運行方式和間歇運行方式分別進行了實驗，得出間歇運行時COP較連續(xù)運行時高，但室內溫度較連續(xù)運行時低，用戶可按照環(huán)境溫度來靈活選擇。

③將太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)和燃氣、燃油小區(qū)供熱系統(tǒng)進行了比較，綜合對比數(shù)據(jù)和環(huán)境保護、能源消耗、系統(tǒng)可調性和長期回報等因素，認為雖然太陽能熱泵低溫輻射供暖系統(tǒng)的造價較高，經濟效益居中，但仍具有較強的市場競爭力。

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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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