摘　要：开发太阳能热泵低温辐射地板供暖系统，设计出可自由组合的低温辐射地板供暖模块。对太阳能热泵低温辐射地板供暖系统进行连续运行和间歇运行的性能试验，间歇运行方式的制热性能系数比连续运行方式高。将太阳能热泵低温辐射地板供暖系统与燃气、燃油小区供暖系统进行经济性比较，认为太阳能热泵低温辐射地板供暖系统具有较大的市场潜力。

关键词：太阳能热泵  地板供暖  制热性能系数  经济性

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

太阳能^[1]作为一种可再生绿色能源，以其储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，近年来在建筑中得到广泛利用。热泵^[2-9]技术是开发和强化高品质能源利用率的重要手段，通过热泵可以把热源中一般不能直接利用的低品位热源转化为高品位热源。因此，笔者开发了太阳能热泵供暖系统，设计出可自由组合的低温辐射地板供暖模块，在地板夹层中布置换热盘管，利用太阳能热泵产生的50℃热水进行供暖。通过有效的控制方式，实现及时升温和及时停运，大幅度降低能源消耗。

2　太阳能热泵供暖系统设计

2.1　系统的组成和供暖模式

仅使用单一热源的热泵系统相对简单，但是热泵机组COP受环境温度影响较大^[10]：环境温度为0℃时，热泵机组的COP为额定工况下的70％左右；环境温度为-6℃时，只有额定工况下的62％左右；环境温度为-l0℃时，只有额定工况下的55％左右。且环境湿度过高时蒸发器结霜，结霜严重时，平均半小时化一次霜，一次化霜的时间约为5min，因化霜减少的供热量约达l7％。为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低品位能量，本文将太阳能集热器和空冷式蒸发器作为热泵系统的蒸发端，依靠热泵技术提升能量品位，实现较难利用的低品位能源向易利用的高品位能源转换，利用太阳能热泵产生的50℃热水进行供暖。太阳能热泵低温辐射地板供暖系统见图l。

该系统由太阳能集热系统、热泵机组、蓄热设备、低温辐射地板供暖模块和控制系统5部分组成。该系统有3种供暖模式：太阳能直接供暖模式、太阳能热泵供暖模式、辅助电加热供暖模式(热泵直接供暖模式)。

①太阳能直接供暖模式

当阳光充足时，太阳辐射强，蓄热水箱出水温度大于或等于50℃时，循环水泵9-1启动，蓄热水箱中的水进入集热器进行加热，加热后的水流回蓄热水箱。循环水泵9-2启动，蓄热水箱中的水通过三通阀l0-1和10-3，不经过热泵机组而直接供给低温辐射地板供暖模块。从低温辐射地板供暖模块出来的水，通过三通阀l0-4和10-2流回蓄热水箱。

②太阳能热泵供暖模式

当太阳辐射不强，蓄热水箱出水温度小于50℃但仍大于室外气温时，太阳能直接供暖模式无法保证供暖温度，此时启动太阳能热泵供暖模式。循环水泵9-1启动，蓄热水箱中的水进入集热器进行加热，加热后的水流回蓄热水箱。循环水泵9-2启动，蓄热水箱中的水经三通阀10-1进入热泵机组的蒸发器，与热泵机组中的工质进行热交换后，通过三通阀l0-2流回蓄热水箱。低温辐射地板供暖模块中的回水在热泵机组的冷凝器中与工质进行热交换后，循环供给低温辐射地板供暖模块。水经过了太阳能集热器加热，提高了热泵机组的COP。

③辅助电加热供暖模式

当蓄热水箱出水温度小于室外气温时，则启动辅助电加热供暖模式(热泵直接供暖模式)。蓄热水箱中的辅助电加热器3加热蓄热水箱中的水，使蓄热水箱出水温度小于50℃但大于室外气温。循环水泵9-2启动，蓄热水箱中的水经三通阀l0-1进入热泵机组的蒸发器，与热泵机组中的工质进行热交换后，通过三通阀l0-2流回蓄热水箱。低温辐射地板供暖模块中的回水在热泵机组的冷凝器中与工质进行热交换后，循环供给低温辐射地板供暖模块。辅助电加热也提高了热泵机组COP。

2.2　系统的优点

①热泵系统蒸发器温度低于l5℃，而太阳能集热温度在50℃以上，利用两者温差加热热泵蒸发端制冷剂。

②由于太阳能集热系统运行时载热流体温度较低，可以使用平板集热器，其集热效率可达到52％以上。

③利用太阳能加热蒸发端制冷剂以及辅助化霜，可以解决热泵在温度较低(-5℃以下)时出现蒸发器结霜、系统无法运行等问题，弥补了单一热泵效率低下和化霜浪费热量的缺陷。

④供暖模式灵活可调，可充分利用地板蓄热能力以降低运行费用。此外，该系统还可用于在非供暖期为用户提供生活热水。

⑤低温辐射地板供暖模块所需热水温度为40～50℃，3种供暖模式产生的热水均在50℃以上，和前者能较好匹配，能量品位对口。

3　低温辐射地板供暖模块设计

换热盘管可根据地板和房间的尺寸设计和组装，也可直接安装在现有地板下。利用太阳能热泵产生的50℃左右的热水进行供暖，通过有效的控制方式，达到温度过低时及时升温、温度过高时及时停运的目的，大幅度降低能源消耗。

太阳能热泵供暖模式供暖时，系统可有两种运行方式：连续运行方式和间歇运行方式。连续运行供暖时，循环泵抽取蓄热水箱中的热水进入换热盘管，之后利用地板换热盘管内壁的对流换热、盘管壁的导热、高导热性板材的导热、地板的导热和蓄热以及地板表面的热辐射和对流换热向室内散热，使室内温度始终在一定范围内(18～27℃)波动。间歇运行供暖时，l9：00～23：00以外的时间，当室内温度超过24℃时，热泵机组停止运行；低于l8℃时，机组重新启动，以保证室内温度在合理范围内波动。19：00～23：00，太阳能集热器和热泵机组停止运行，依靠地板蓄热量来维持室内温度，直到温度低于设定值l6℃时，再将热泵机组投人运行。当室内温度超过22℃时，热泵机组停止运行。这样可以尽量减少热泵机组的启动时间，降低运行费用。

4　系统性能试验和分析

为了测定太阳能热泵低温辐射供暖系统的COP值和室内温度的变化情况，对太阳能热泵供暖的连续运行和间歇运行模式分别进行了实验。供暖房屋的建筑面积为l20m²，经计算采用3.2m²的平板式太阳能集热器，其集热效率为60％，平均日效率约为55％，蓄热水箱容积为250L。太阳能热泵供暖模式始终保持换热盘管进水温度在50℃以上。

连续运行方式的实验时间为l个月，每天运行24h，每小时监测记录一次。以每3天为单位取室内温度、COP、环境温度平均值，结果见图2。其中横坐标值1代表实验的第l～3天，2代表实验的4～6天，依此类推。在此运行模式期间，平均室外温度为-3.47℃，最低日平均温度为-6.6℃，最高日平均温度为0.0℃，太阳辐射平均日总量为2353W／m²，集热器平均日集热总量为l411.8W／m²，室内温度在19.2～22.7℃范围内变化(平均达21.15℃)，系统的平均COP达2.689，COP最低为2.614，最高为2.782。从图2可知，系统连续运行时的供暖温度始终在人体舒适的温度范围内波动，但是系统的COP值较小，说明能耗还可以进一步降低。

间歇运行方式试验时间同样为1个月，每小时监测记录一次，同样以每3天的数据做一次平均值计算，得到室内温度、COP、环境温度的平均值，见图3。图3中的横坐标值意义与图2相同。在此运行模式期间，平均室外温度为-5.581℃，最低日平均温度为-7.9℃，最高日平均温度为-4.8℃。太阳辐射平均日总量为2123W／m²，集热器平均日集热总量为l273.8W／m²。室内温度保持在19.1～20.7℃(平均达19.87℃)。系统平均COP达2.979，COP最低为2.90，最高为3.03。由图3可知，系统间歇运行时COP有所提高，供暖温度也在合适范围内波动，但是较连续运行方式有所下降。

通过上述实验分析可知，用户可以灵活地选择运行方式，在环境温度较高时，可以选择间歇运行方式，充分利用地板的蓄热能力以节约费用；在环境温度较低时，可以选择连续运行方式，以达到较高的供暖温度。

5　经济性分析

将本文开发的太阳能热泵低温辐射地板供暖系统应用于某建筑面积为300m²的房屋，并与燃气和燃油小区供热系统进行比较。建筑能耗以JGJ26—2010((严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中节能标准20.2W／m²计，供热总负荷为6.06kW，供暖时间为110d，供热水时间为240d，根据文献[11]计算供热水负荷为88.12kW·h／d。连续运行方式下热泵机组的平均COP为2.689，真空管集热器的集热效率为68％，系统散热损失为16％，蓄热水箱容积为6m³。燃气和燃油锅炉供热效率均取0.8，燃气低热值为36533kJ／m³，燃油热值为43054 kJ／kg，电价为0.6元／(kW·h)，燃气价为2.6元/m³，燃油价为5元/kg，热管集热器造价为1600元／m²。

动态法费用年值计算式为：

式中Zd——按动态法计算的费用年值，元／a

i——收益率，太阳能热泵供热取4％，燃气和燃油供热取10％

m——生产期，a，太阳能热泵供热取15a，燃气和燃油供热取20a

k——造价，元

C——年运行费用，元／a

按式(1)进行费用年值的计算，计算结果见表1。

由表l可知，对于单位面积费用年值，太阳能热泵系统比燃气供热系统高5.5％，比燃油供热系统低10.3％。但是综合考虑环境保护、能源消耗、系统可调性和长期回报，太阳能热泵低温辐射供暖系统还是具有较大的市场潜力。

6　结论

①将太阳能热利用技术与热泵节能技术相结合，开发了太阳能热泵低温辐射供暖系统。设计了低温辐射地板供暖换热盘管，该盘管可按需灵活加工，直接安装在现有地板下。此外，太阳能热泵低温辐射供暖系统的供暖模式和运行模式灵活可调。

②对太阳能热泵供暖模式下的连续运行方式和间歇运行方式分别进行了实验，得出间歇运行时COP较连续运行时高，但室内温度较连续运行时低，用户可按照环境温度来灵活选择。

③将太阳能热泵低温辐射供暖系统和燃气、燃油小区供热系统进行了比较，综合对比数据和环境保护、能源消耗、系统可调性和长期回报等因素，认为虽然太阳能热泵低温辐射供暖系统的造价较高，经济效益居中，但仍具有较强的市场竞争力。

参考文献：

[1]刘鉴民．太阳能利用[M]．北京：电子工业出版社，2010：8-20．

[2]何占江，朱常琳．兰州市应用空气源热泵的可行性及对空气质量的改善[J]．甘肃科技，2007，23(2)：72-74．

[3]旷玉辉，王如竹．太阳能热泵热水器[J]．太阳能，2003(4)：13-15．

[4]余乐渊，赵军，朱强，等．压缩式热泵热水器实验研究及性能分析[J]．能源工程，2003(4)：56-58．

[5]HUANG B J，CHYNG J P．Integral-type solar-assisted heat pump water heater[J]．Renewable Energy，1999，16(2)：731-734．

[6]于春龙．太阳能热泵系统的类型及分析[J]．煤气与热力，2010，30(6)：A01-A03、All．

[7]郑宗和，高金水，葛听．太阳能热泵供暖系统在西藏地区的应用[J]．煤气与热力，2006，26(12)：52-54．

[8]黄涛，赵军．太阳能热泵供暖系统的实验研究[J]．煤气与热力，2007，27(8)：71-72．

[9]张颖，李祥立，端木琳，等．太阳能热泵供暖系统性能研究综述[J]．煤气与热力，2009，29(8)：A25-A30．

[10]史光媛，杨昌智，陈贺伟，等．热泵热水系统的改进[J]．建筑节能，2007(5)：51-54．

[11]韩晶，石久胜．太阳能热水供应系统的经济分析[J]．长春工程学院学报：自然科学版，2003，4(1)：17-l9．

本文作者：蒋俊卿  王广东

作者单位：泰安市中正东城供热有限公司

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