我國(guó)太陽(yáng)能資源較為豐富，全國(guó)有三分之二以上的地區(qū)每年太陽(yáng)福射量都高于5000MJ/m2以上，年日照時(shí)間在3000~3300小時(shí)之間。

太陽(yáng)能是一種可再生能源，與常規(guī)能源相化，太陽(yáng)能具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，含量豐富。到目前為止太陽(yáng)僅消耗了自身能量的2%，因此太陽(yáng)能幾乎是取之不盡、用之不竭的。

第二，方便獲取。太陽(yáng)能可就地開發(fā)—因此不存在運(yùn)輸問題，對(duì)交通不發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)利用價(jià)值尤為突出。

第三，清潔、無(wú)污染。太陽(yáng)能在開發(fā)和利用的過程中不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。

與此同時(shí)，太陽(yáng)能的利用也存在一些不足之處：

第一，能流密度較低。地面上每平方米的面積所接受的太陽(yáng)能只有1000W左右，因此太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中需要較大的集熱器采光面積才能滿足使用要求，増加了系統(tǒng)成本。

第二，間斷性和不穩(wěn)定性。由于受到地理緯度、海拔高度、季節(jié)更替、晝夜和陰雨天等因素的影響，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)必須增加輔助加熱裝置，才能保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

熱泵系是一種能夠通過消耗少量電能將熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。但空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在冬季使用時(shí)對(duì)環(huán)境溫度有一定的要求[1]。

根據(jù)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)自身的優(yōu)勢(shì)和缺陷，利用空氣源熱泵的特點(diǎn)作為輔助加熱，有機(jī)的結(jié)合兩個(gè)系統(tǒng)，組成太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。作為輔助加熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可以彌補(bǔ)太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)的缺陷，既克服了太陽(yáng)能間歇性、不穩(wěn)定的缺陷，延長(zhǎng)了太陽(yáng)能采暖的使用時(shí)間，又彌補(bǔ)了空氣源熱泵在寒冷季節(jié)效率問題的不足，因此能夠?qū)崿F(xiàn)有效、全天候運(yùn)行，這對(duì)降低能源消耗，滿足建筑節(jié)能、環(huán)保具有重要意義。

一、太陽(yáng)能—空氣源熱泵的組成及工作原理

根據(jù)太陽(yáng)能集熱器中工作介質(zhì)的不同，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可分為兩大類：直膨脹式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)和非直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)。按照集熱循環(huán)和熱泵循環(huán)的連接方式的不同，非直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，分為以下幾種結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)式、并聯(lián)式和雙熱源式等[2]。本文采用并聯(lián)的方式。

圖1 太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)圖

圖1是太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)圖。太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要有三部分組成：

（1）太陽(yáng)能集熱供暖系統(tǒng)；

（2）空氣源熱泵供暖系統(tǒng)；

（3）末端用戶。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)泵、蓄熱水箱；空氣源熱泵系統(tǒng)主要包括冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、循環(huán)水泵、蓄熱水箱等；末端用戶主要包括地板輻射采暖等。

太陽(yáng)能—空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要包括：

（1）在太陽(yáng)輻射條件較好、建筑的熱負(fù)荷較小的情況下，此時(shí)僅僅依靠太陽(yáng)能集熱供暖系統(tǒng)就能滿足用戶的供暖需求，不開啟空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。系統(tǒng)中的水流經(jīng)太陽(yáng)能集熱器后流入到蓄熱水箱中，換熱結(jié)束后流回到太陽(yáng)能集熱器中進(jìn)行加熱。

（2）在太陽(yáng)輻射條件較差的情況下，這時(shí)僅僅依靠太陽(yáng)能集熱供暖系統(tǒng)不能滿足用戶側(cè)的供暖要求，此時(shí)開啟空氣源熱泵系統(tǒng)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行為用戶側(cè)供暖。

（3）在沒有太陽(yáng)輻射的條件下，例如夜間、陰雨天氣等，關(guān)閉太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，開啟空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，此時(shí)由空氣源熱泵系統(tǒng)對(duì)用戶進(jìn)行供暖。

二、 太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 模擬建筑負(fù)荷

該別墅建筑面積為189m2，供暖期為11月15日到次年3月15日。首先在Dest軟件中，根據(jù)該別墅建筑的平面圖搭建模擬所需要的三維立體圖形，并按照不同類型房間的不同功能對(duì)每個(gè)房間進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以保證模擬結(jié)果盡可能與實(shí)際工程相似。
圖2是由Dest軟件模擬得出的該建筑供暖期的逐時(shí)負(fù)荷，由圖可知，供暖期最大的熱負(fù)荷出現(xiàn)在1月份，為7.2kW；供暖期平均熱負(fù)荷為2.37kW。

圖2 供暖期建筑逐時(shí)負(fù)荷分布圖

太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括平板集熱器面積的確定、集熱系統(tǒng)流量的確定、集熱循環(huán)水泵的選取和蓄熱水箱的選擇。

2.2 平板集熱器面積的計(jì)算

太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器面積由下式計(jì)算[3]：

式中：Ac為太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)的集熱器總面積（m2）；Qh為供暖負(fù)荷的日平均值（W）；JT為當(dāng)?shù)蒯娕谠诩療崞靼惭b傾斜面上的平均日太陽(yáng)輻照量（J/m2）；f為太陽(yáng)能保證率（%）；ηcd為系統(tǒng)使用期的平均集熱效率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.2~0.5；ηL為管道及貯水箱的熱損失率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.2~0.30。
上式中，Qh為日平均負(fù)荷，為2365.1W。按照文獻(xiàn)[3]的附錄，査得當(dāng)?shù)夭膳谠诩療崞靼惭b傾斜面上的平均日太陽(yáng)轄照量為13.854MJ/(m2·d)。ηcd與ηL根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值分別取0.35和0.2。表1是太陽(yáng)能保證率在不同地區(qū)的推薦選用值范圍。

表1 太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)在不同地區(qū)的太陽(yáng)能保證率

經(jīng)計(jì)算，平板集熱器集熱面積為15.8m2。

2.3 蓄熱水箱體積計(jì)算

蓄熱系統(tǒng)應(yīng)考慮太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的性能、投資、形式、太陽(yáng)能保障率以及供熱采暖負(fù)荷等因素通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析來進(jìn)行選取。在粗略計(jì)算的情況下，可根據(jù)具體的太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)形式，査取單位面積集熱器采光面積所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱水箱、水箱容積范圍，如表2。本文所研究的系統(tǒng)類型為短期蓄熱的太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)，所以每平米集熱器蓄熱水箱的容積為100L/m2，蓄熱水箱容積為1.6m3。

表2 蓄熱水箱的容積范圍

2.4 系統(tǒng)流量的確定

在部分情況下集熱器生產(chǎn)廠家一般會(huì)給出影響太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)流量的特性。若無(wú)相關(guān)技術(shù)參數(shù)可以查詢，可采用估算的形式：平板型集熱器可估算為0.02L/(s·m2)，真空型太陽(yáng)能集熱器可按照0.015~0.02L/(s·m2)估算。

2.5 系統(tǒng)設(shè)備選型

根據(jù)上述計(jì)算，太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要設(shè)備選型型號(hào)和初投資的估算見表3。

表3 系統(tǒng)主要設(shè)備選型和初投資

三、系統(tǒng)的建立和模擬

3.1 Trnsys系統(tǒng)模型的建立

利用Trnsys對(duì)太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)建模，選擇相應(yīng)的模塊。系統(tǒng)用到的模塊有：平板集熱器Type1b、典型氣象年數(shù)據(jù)資料Type109、水泵Type114、集水器Type11b、分水器Type11f、蓄熱水箱Type4c、負(fù)荷讀取器Type682、空氣源熱泵機(jī)組Type505b、方程編輯器Equa、在線繪圖儀Type65c、控制器Type2b等。本文模擬的太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的連接方式如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能—空氣源熱泵系統(tǒng)圖

其中，該系統(tǒng)的控制模式為：

（1）在太陽(yáng)能集熱器出水溫度為30℃以上時(shí)，只運(yùn)行太陽(yáng)能集熱器循環(huán)系統(tǒng)，不開啟空氣源熱泵系統(tǒng)。

（2）在太陽(yáng)能集熱器出水溫度為27℃以上，30℃以下時(shí)，同時(shí)運(yùn)行太陽(yáng)能集熱器循環(huán)系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)為用戶側(cè)聯(lián)合供暖。

（3）在太陽(yáng)能集熱器出水溫度為27℃以下時(shí)，不運(yùn)行太陽(yáng)能集熱器循環(huán)系統(tǒng)，開啟空氣源熱泵系統(tǒng)為用戶側(cè)供暖。

3.2 模擬結(jié)果分析

用戶側(cè)供回水溫度

圖4是供暖期用戶側(cè)的供回水溫度，由圖可以看出，用戶側(cè)的供水溫度基本維持在32℃左右，供水溫度比較穩(wěn)定，符合地板采暖的供暖要求，提高了房間的舒適度。

圖4 用戶側(cè)供回水溫度

圖5是用戶側(cè)供回水溫差與室外氣溫的關(guān)系。由圖5可知，在室外氣溫比較高的情況下，用戶側(cè)的供回水溫差比較??；隨著氣溫的逐漸降低，溫差也逐漸增大。

圖5 供回水溫差與室外氣溫

根據(jù)圖2和圖5可知，一月份的室外氣溫最低，此時(shí)建筑的負(fù)荷也最大，用戶側(cè)的供回水溫差也達(dá)到最大。當(dāng)室外氣溫逐漸升高時(shí)，供回水的溫差也逐漸減小。

由圖6可知，在整個(gè)采暖期，空氣源熱泵機(jī)組的COP在3.5左右，實(shí)際工程中的空氣源熱泵的COP在2~3左右，在復(fù)合能源系統(tǒng)中，空氣源熱泵機(jī)組的COP有所上升；在太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，系統(tǒng)的COP達(dá)到了5.5，和熱泵機(jī)組相比，COP大大提高，說明了太陽(yáng)能—空氣源熱泵系統(tǒng)與單一空氣源熱泵相比，在相同能耗下，制熱效率大大提高。

圖6 機(jī)組COP和系統(tǒng)COP

圖7是太陽(yáng)能—空氣源熱泵系統(tǒng)整個(gè)供暖期的耗電量，由圖可知，整個(gè)供暖期，該系統(tǒng)的耗電量為865.84kW·h；單一空氣源熱泵的耗電量約為2747.41kW·h，節(jié)省電能74.8%。

圖7 太陽(yáng)能—空氣源熱泵

四、 經(jīng)濟(jì)效益分析

常用的熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)方法有:綜合能源價(jià)格法、靜態(tài)投資回收期、動(dòng)態(tài)投資回收期和費(fèi)用年值法等[4-5]。綜合能源價(jià)格法，指在使用年限內(nèi)系統(tǒng)總投資與在此期間所提供的總能量的比值。靜態(tài)投資回收期，一般用系統(tǒng)每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用與初投資的比值來表示，這種方法沒有考慮資金的時(shí)間價(jià)值，能在一定程度上評(píng)價(jià)系統(tǒng)的資金回收能力，但無(wú)法反應(yīng)整個(gè)使用年限內(nèi)的收益能力。動(dòng)態(tài)投資回收期，是在考慮資金時(shí)間價(jià)值的情況下收回投資所需要的時(shí)間。按基準(zhǔn)收益率把投資項(xiàng)目各年的凈現(xiàn)金流量折成現(xiàn)值，再來推算投資回收期。

費(fèi)用年值法，是將參與比較的各方案的系統(tǒng)初投資按資金的時(shí)間價(jià)值折算為每年的費(fèi)用，與運(yùn)行費(fèi)用和得到費(fèi)用年值，各方案中費(fèi)用年值最小的即為最佳方案。該方法全面考慮系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，更加合理和科學(xué)。本文采用費(fèi)用年值法對(duì)熱水系統(tǒng)來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。由于不同供暖方案系統(tǒng)的使用年限不同，費(fèi)用年值的詳細(xì)計(jì)算公式如下：

式中：Yd為費(fèi)用年值（元/年）；i為利率(或部門內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)收益率系數(shù))，取8%；n為系統(tǒng)的使用壽命（年）；Ci，Ck為分別指系統(tǒng)初投資和系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用（元）。

其中，

定文為初投資折算值，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用包括能耗費(fèi)用和維護(hù)管理費(fèi)用，按設(shè)備固定資產(chǎn)投資的2%計(jì)算[6]。

表4 初投資和運(yùn)行費(fèi)用比較

根據(jù)式（2）計(jì)算可知，復(fù)合能源系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為3238元/年，空氣源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為3564元/年。雖然復(fù)合能源系統(tǒng)的初投資高，但其年運(yùn)行費(fèi)用和費(fèi)用年值較空氣源熱泵供暖方案低，同時(shí)也符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的政策。

五、 總結(jié)

太陽(yáng)能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)充分利用了我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富的優(yōu)勢(shì)，有效解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行效率低的缺點(diǎn)，將兩者的特點(diǎn)有效的結(jié)合起來。復(fù)合能源系統(tǒng)的COP較傳統(tǒng)熱泵供暖系統(tǒng)的COP有了較大提高，使用年限延長(zhǎng)，耗電量少，運(yùn)行費(fèi)用低，有利于環(huán)保節(jié)能，符合可持續(xù)發(fā)展的政策。