摘要 介紹了北京門頭溝山區(qū)農(nóng)戶太陽能加空氣源熱泵采暖工程設計實施案例，采用云監(jiān)控平臺對系統(tǒng)運行進行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，對運行數(shù)據(jù)進行分析，提出優(yōu)化措施，以提高太陽能貢獻率，提高系統(tǒng)COP，降低系統(tǒng)運行費用。

0引言

近年，國家針對城市大氣環(huán)境治理出臺了一系列政策，由北京市率先發(fā)力的“煤改清潔能源”，更是針對大中城市秋冬季節(jié)的霧霾元兇——PM2.5粉塵顆粒以及廢氣等進行的重點根治。以門頭溝為代表的京郊山區(qū)具有明顯的區(qū)域特征：海拔相對較高，冬季寒冷，人口居住分散，交通運輸條件較差，現(xiàn)有民宅建筑也多以石材為主，保溫性能差。這種特殊環(huán)境條件，采用常規(guī)簡單的煤改電或煤改空氣源熱泵方式，因該地區(qū)地形復雜，交通不便、施工難度大，供電增容成本和線損也成倍增加，綜合投入過高，反應到用戶層面，表現(xiàn)為用電量明顯較大，運行費用高，超出當?shù)赜脩舫惺苣芰?。簡單的煤改電或煤改空氣源熱泵對該地區(qū)具有局限性，甚至為不可行方案。

門頭溝區(qū)科委、天普新能源科技有限公司結(jié)合承擔“北京市委、市政府重點工作及區(qū)縣政府應急項目”課題“京郊山區(qū)采暖煤改綜合技術研究與示范”，在妙峰山鎮(zhèn)嶺角村實施了同名區(qū)級研究與示范工程，該工程于2017年12月25日完成施工，至2018年4月已實際運行一個完整采暖季。

本項目基本方案為太陽能集熱系統(tǒng)在保證生活熱水供應的前提下，提供冬季供暖的部分能源，不足部分由低溫空氣源熱泵滿足。

1項目概況

該民居群為以現(xiàn)有村住宅用地為基礎平整土地后建造的二層連棟住宅，分三種戶型：106.86㎡戶型；141.18㎡戶型；185.28㎡戶型。共計124套。供暖設計參數(shù)為冬季環(huán)境溫度-7.6℃，風速2.6m/s，室內(nèi)設計采暖溫度分別為臥室18℃，客廳18℃，廚房15℃，衛(wèi)生間25℃。設計采暖熱指標45W/㎡。室內(nèi)采暖末端采用低溫地板輻射采暖地板輻射供水溫度45℃，回水溫度35℃。

2設計依據(jù)

GB50495-2009 《太陽能供熱采暖技術規(guī)范》

GB50364-2005 《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范》

GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》

JGJ142-2012《輻射供暖供冷技術規(guī)程》

GB50169-1992 《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》

DB11/635-2009 《村鎮(zhèn)住宅太陽能采暖應用技術規(guī)程》

設計院出具暖通設計圖紙。

3技術方案

采用緊湊式太陽能熱水系統(tǒng)與低溫空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合，滿足山區(qū)居民清潔能源采暖要求。白天，太陽能吸收太陽輻射熱能加熱熱水儲存，作為空氣源熱泵的補充；空氣源熱泵可以利用低谷電夜間供熱采暖，還可以利用白天環(huán)境溫度較高時，以更高的效率工作，以較低的成本獲得建筑得熱。非采暖季，太陽能提供生活熱水。

建筑采暖設計熱負荷45W/m2。據(jù)此負荷計算，單位面積冬季采暖總熱能需求為45W/m2*24小時*125天=135000Wh=135kWh（以北京大多數(shù)家庭作息習慣考慮，早9點到下午4點家中無人或者晴天室內(nèi)溫度較高不需要采暖，夜間12點到早上5點睡眠時間采暖溫度需求較低，故實際采暖時間可取為12小時）。

3.1太陽能配置方案

優(yōu)質(zhì)太陽能集熱器的產(chǎn)熱能力約為每平方米集熱器0.6kW，冬季平均每天可按此功率工作5小時，即每平方米集熱器平均每天可產(chǎn)熱3kWh，全采暖季（125天）中全晴天按80天計算，則每平方米集熱器全采暖季產(chǎn)熱240kWh，即按全采暖季計算，每平方米太陽能集熱器得熱可滿足240/67.5=3.5㎡采暖面積采暖需求。

普通家庭日常生活熱水需求按每戶每天150-250升計算，考慮到無輔助電加熱陰雨天需求，實際配置按180-360升考慮，根據(jù)此配置，兼顧冬季采暖供熱最大化。則針對三種戶型分別配置為(表1)：

表1-三種戶型太陽能設備配置表

3.2空氣源熱泵配置方案

空氣源熱泵利用其壓縮機做功，定向?qū)崿F(xiàn)空氣中熱能轉(zhuǎn)移的特性，根據(jù)需要，使空氣中的熱能向室內(nèi)外轉(zhuǎn)移，達到建筑采暖和制冷空調(diào)的目的。由于其實際供給的熱量大部分來自自然界中的空氣，其得熱量是消耗電能的2-3倍。所以，對其消耗的電能來說，是一種很好的節(jié)能設備。同樣條件下比較，它比電采暖（包括蓄能式電暖器）運行費用降低70%左右。

同樣，空氣源熱泵可以利用低谷電夜間供熱采暖，還可以利用白天環(huán)境溫度較高時，以更高的效率工作，以較低的成本獲得建筑得熱。

圖1 屋頂太陽能安裝

圖2熱泵安裝

圖3室內(nèi)管路安裝

3.3工作原理

采暖季，控制系統(tǒng)檢測太陽能的溫度，當太陽能水箱溫度達到設定溫度，電動三通閥開啟，將太陽能集熱全部即時用于末端采暖，當太陽能水箱溫度低于設定溫度，電動三通閥轉(zhuǎn)換開啟方向，完全采用空氣源熱泵采暖。采暖季夜間及陰天，主要利用空氣源熱泵工作采暖。非采暖季，空氣源熱泵機組停機，太陽能專供生活熱水。

圖4-系統(tǒng)運行原理圖

根據(jù)三種住宅類型和規(guī)格，經(jīng)測算，空氣源熱泵機組分別配置如下（表2）：

表2-三種戶型空氣源熱泵配置表

4運行數(shù)據(jù)采集分析

4.1數(shù)據(jù)分析

在項目建設同期，為跟蹤系統(tǒng)運行效果，選取12戶安裝電表、熱量表在線測量系統(tǒng)的用電量、熱泵提供熱量及太陽能提供熱量。熱泵供熱量由室外遠傳熱量表的累計熱量確定；太陽能供熱量由計量時段的室內(nèi)熱量表的累積冷量與同時段的室外熱量表的累積熱量表的差值確定；系統(tǒng)耗電量由遠傳熱量表確定；循環(huán)水泵的耗電量由水泵功率及水泵運轉(zhuǎn)時間確定。室內(nèi)安裝WIFI溫控器監(jiān)測室內(nèi)溫度。

圖5 遠傳電表

圖6 遠傳熱量表

圖7 WIFI溫控器

圖8遠程智慧管理平臺

由于均為新建民居，在本采暖季只有村民付連朝入住新居。付連朝家為B戶型，按照住戶付連朝家的運行結(jié)果分析系統(tǒng)如下：

表3-B戶型運行數(shù)據(jù)表

圖9循環(huán)水泵運行時間

本項目設備運行耗能約為純電采暖耗能的35%。太陽能的貢獻率為分別為20%和25%。

通過計算3月1日~9日的數(shù)據(jù)，在白天循環(huán)系統(tǒng)不停止的情況下，太陽能每天提供的熱量約為32kWh；而白天循環(huán)水泵停止的情況下，太陽能每天提供的熱量只有18.4kWh。

圖10白天循環(huán)系統(tǒng)開啟時太陽能水箱溫度曲線

圖11白天循環(huán)系統(tǒng)關閉時太陽能水箱溫度曲線

白天由于系統(tǒng)停止，導致太陽能熱量不能及時輸出，致使太陽能的熱損增大，熱效率降低，應采取措施，使太陽能收集熱量及時輸送到建筑內(nèi)，提高太陽能貢獻率，減少系統(tǒng)運行費用。

表4-B戶型采暖期內(nèi)運行數(shù)據(jù)

整個采暖季從2017年11月10日開始至2018年3月20日結(jié)束?？偤碾姙?511.1kWh，平均按照0.3元/kWh（峰電0.4883元/kWh，谷電0.1元/kWh）計算，整個采暖期的運行費用為2553.33元，建筑面積141.18㎡，單位面積采暖費用為18.09元/㎡。本采暖季由于新建建筑較為潮濕，且前期開窗通風較多，采暖能耗較大，下一個采暖季的采暖費用有望大幅下降，可望達到15元/㎡以下。

4.2存在問題及優(yōu)化建議

在系統(tǒng)試運行監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)有如下問題：

1）室外循環(huán)管路熱損大

由于建筑設計未預留管井，太陽能管路在室外房頂太長，導致管道熱損及管道防凍耗能較大，另本系統(tǒng)中熱泵循環(huán)的室外管得到同樣較長，影響系統(tǒng)熱性能。

圖12室外管路

優(yōu)化措施：在建筑房頂設置太陽能專用管井，減少室外管道長度；室外管路保溫加厚，由30mm增加到40mm；

2）供水溫度可適當降低

室內(nèi)采暖末端為地暖盤管，由于為新建建筑，為避免室內(nèi)溫度過低，設置供暖系統(tǒng)的循環(huán)回水控制溫度過高（高達45℃），導致熱泵能效比降低。

優(yōu)化措施：地暖盤管系統(tǒng)供水溫度控制在35℃左右即可，熱泵回水溫度可設定在30~35℃，降低熱泵出水溫度，提高壓縮機性能，提高系統(tǒng)能效比。

3）水泵選型較大

循環(huán)水泵選用SMHT2-30，輸入功率0.4kW，最大揚程28米，最大流量3.5m3/h。系統(tǒng)為滿水系統(tǒng)，水泵只要滿足克服系統(tǒng)管路沿程損失即可，流量在1.5~2m3/h即可。因此現(xiàn)選用水泵過大，能耗較高，導致系統(tǒng)運行費用增高。

優(yōu)化措施：選用較小流量、揚程的循環(huán)水泵，降低水泵能耗，同時優(yōu)化水泵運行控制方式，降低水泵運行時間，減少運行費用。

4）太陽能熱損需要控制，最大化利用太陽能

白天由于系統(tǒng)停止，導致太陽能熱量不能及時輸出，致使太陽能的熱損增大，熱效率降低，應采取措施使太陽能收集熱量及時輸送到建筑內(nèi)，提高太陽能貢獻率，降低電能消耗。

5）最大化利用谷電取暖，降低運行費用。

圖13 2018年1月25日熱泵壓縮機運行圖

2018年1月25日天氣多云，-12℃ ~ -4℃；熱泵總制熱時間11.3小時，谷電時段6.5小時，峰電時段4.8小時。熱泵經(jīng)常制熱8-10分鐘后停止，過20分鐘重新制熱，啟動較為頻繁。

圖14 2018年2月6日熱泵壓縮機運行圖

2018年2月6日天氣多云轉(zhuǎn)陰，-6℃ ~ 3℃；熱泵熱泵總制熱時間7.5小時，谷電時段5小時，峰電時段2.5小時。熱泵經(jīng)常制熱8-10分鐘后停止，過20分鐘重新制熱，啟動較為頻繁。

優(yōu)化系統(tǒng)控制模式，實現(xiàn)分時段控制，讓熱泵盡可能在晚20：00至次日8：00間的谷電時段運行，減少峰電時段的運行，峰電時段主要采用太陽能補充。調(diào)控系統(tǒng)運行參數(shù)，避免熱泵頻繁啟動，提高熱泵的能效比。后續(xù)可采用變頻熱泵，減少系統(tǒng)啟停次數(shù)，提高系統(tǒng)效率。

5結(jié)論