ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊａｎ．２０１６中国科技信息２０１７年第２期 １０万一３０万⑨ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９７２ ２０１７．０２．０１３ 可实现度 可替代度
新疆北疆和东疆沿天山一带属于严寒地区，每年用于供 暖的能耗非常巨大，燃煤取暖造成大量的环境污染，建筑节 能势在必行。空气热能具有分布广泛，利用方便等特点，因此， 空气源热泵系统理应成为一种良好的供暖空调方式，但是由 于该系统存在低温环境适应性差的问题，在严寒地区几乎不 适用。近年来行业内从改进制冷循环部件性能、制冷循环的 改进与优化控制、采用新型制冷剂、改进融霜技术等几个方 面进行了大量的研究工作，这些工作使得该问题很大程度上 的改善。考虑到严寒地区供暖期总热负荷中有较大比例对应 的室外温度还相对较高，现有的低温空气源热泵产品可以高 效地保障供暖需求，同时新疆具有丰富的太阳能资源，将太 阳能蓄热供暖与低温空气源热泵系统进行有机复合，这样既 可以克服空气源热泵低温适应性差的问题，又可以显著降低 太阳能蓄热供暖系统的容量，使得初投资大大降低，系统的 实用性明显增强，便于系统的推广应用。该系统的设计与应 用将有助于转变严寒地区以单一热源热泵系统为主的传统应 用理念，有助于探索适用于新疆地区的可再生能源供暖空调 系统及其配套的工程应用技术，推进新疆地区节能减排事业 的发展。 示范工程的基本情况 建筑概况 项目实施地点在乌鲁木齐市高新区甘泉堡工业园内， 位于北纬４４．４。，东经８７．７。。实验建筑为热泵技术实验 室，如图１所示，该实验室于２０１４年９月建成，建筑面积 ２００ｍ ，一层砖混结构，空心砖墙厚度３７ｃｍ。房屋整体密 封性较好，外墙以及屋顶均有１０ｃｍ保温层，共有６个窗户 ４１一 单框双玻，每个面积约２－２５ ｍ ：２樘单扇钢制入户门每樘 面积１．８ ｍ ，１樘双扇钢制入户门面积３ ｍ 。计算平均热 负荷２３Ｗ／ｍ 。实验室内沿墙壁四周，均匀布置了１Ｏ组钢 制散热片，每组长１ｍ高０．６ｍ；热风管道采用厚度０．８ｍｍ 镀锌铁皮，卷成直径啦！２０ｍｍ圆桶型风道，由屋顶引入室内， 在窗台下部做４个排风口。
气象条件 乌鲁木齐市地处欧亚大陆腹地，在ＧＢ５０１ ８９—２００５ 《公共建筑节能设计标准》中属于严寒地区Ｂ区，在 ＧＢ５０３５２—２００５《民用建筑设计通则》中属于ＶＩＩ气候区。 其气候特征表现为夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，具有 寒冷干燥多变的特点，冬长夏短，春秋不明显，光照充足， 热量充沛，气温日差大。供暖期由１０月１５日至次年４月 １５日，长达１８２天，相比之下全年需要供冷的时间相对较短， 一般情况下由６月１日至次年９月１日，约为９０天，空调 单位面积冷负荷与供暖单位面积热负荷相比较小。 我国太阳能资源带分类如表，１所示，按照表中规 定的指标，经统计乌鲁木齐地区年平均太阳总辐射量为
图１示范工程现场图 蕊 ◎１ ０万一３０万 中国科技信息２０１ ７年第２期．ＣＨＩＮＡ ＳＣｔＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥｃＨＮＯＬ。Ｇ、，ＩＮＦＯＲＭＡＴＩｏＮ Ｊａｎ．２０１ ７ 表１太阳能资源带分类 年辐射总量指标 分类 地区 ｋＷｈ／（ｍ２１ａ）
西藏大部、新疆南部及青海、甘肃、 最丰富带 ≥１７５０ 内蒙西部
很丰富带 １４００～１７５０ 新疆大部、青海、甘肃东北等 较丰富带 １０５０～１４００ 黑龙江、吉林、辽宁等 —般带 ＜１０５０ 四川中部、贵＇￣Ｉｔ：ＩＩＧ部、湖南西北
图２系统原理图 １ ３７２ｋＷｈ／（ｍ２．８），属于太阳能资源较丰富地区。
系统设计及工作原理 系统原理图如图２所示，该系统有两个热源，其中空气 集热器整列和风道组成热源一，空气源热泵和蓄热水箱组成 热源二。该系统冬季供暖时包含３种运行模式。 运行模式１：太阳能热风直接供暖模式，当冬季气温较 低且阳光较好时，温度探头检测太阳能空气集热的温度，若 ＞４０℃则启动风机，风道内的空气被太阳能真空玻璃管直接 加热，热空气通过风道进入房间，房间温度随热空气温度升 高，通过回风口太阳能空气集热器循环加热房间内空气，如 果空气集热的温度＜３５℃则停止向室内供热。 运行模式２：空气源热泵供暖模式，当阳光不好的时候 启动空气源热泵加热蓄热水箱。当水箱温度低于４５℃时， 启动空气源热泵和循环泵２，并加热蓄热水箱，直到蓄热水 箱温度达到５５℃时停止加热。房间温度如果低于设定温度 ２０℃，则开启室内循环泵１，直到房间温度达到设定温度， 保持房间温度恒定。 运行模式３：太阳能热风与空气源热泵联合供暖模式， 当春、秋季来临时，白天房间温度不需要太热时，可以切换 风道转换开关，使热风直接吹向带风道夹层的蓄热水箱，把 太阳能的热量转移到蓄热水箱中。如果蓄热水箱温度达不到 设定值，则打开空气源热泵给水箱加热，保持蓄热水箱在设 定的温度。蓄热水箱温度升高后，房间的温度由室内温度探 头感知，如果温度低于２０℃，则打开循环泵１对室内进行 供暖，保持房间温度恒定。 主要设备参数 空气源热泵采用的制热介质有：Ｒ２２、Ｒ４１７Ａ、 Ｒ４１０Ａ和ＣＯ２热媒，其中ＣＯ２介质的空气源热泵机组低 温适应性较好在，一般在一２０℃时ＣＯＰ值在３以上，但输 出功率一般都在５０ｋＷ以上，且机组价格最贵。目前国内普 ４２一 通的空气源热泵在气温低于一１ ５℃时就无法工作了。本项目 选取了一台美琳达Ｍ Ｈ一５／Ｄ型超低温空气源热泵，采用普 通Ｒ２２制冷剂，能够在一２５℃下正常工作。室内循环水泵 和空气源热泵循环泵各１台，均选用威乐ＰＨ一１０１ＥＨ热 水循环泵。主要设备型号及参数见表２和表３。 表２空气源热泵参数 制热量 输入功率 进水温度 出水温度 环境温 型号 电源Ｖ ｋｗ ｋｗ ℃ ℃ 度℃ ＭＨ一５／ １５ ４．１７ ５ ７－８ ５．１ ３８Ｏ一３Ｎ一 Ｄ ５ＯＨｚ 表３水泵参数 介质 最大 最大 额定 型号 功率ｗ 重量ｋｇ 温度℃ 扬程ｍ 流量ｍ。 流量ｍ。 ＰＨ一１Ｏ１ＥＨ ２００ １ＯＯ ５ ７．８ ５ １ ８．５ 普通太阳能集热器使用水做为循环介质，冬季采用排空、 系统防冻循环或伴热带来解决防冻，但这些措施都不能很好的 解决系统冻结问题。有的太阳能集热系统采用防冻液循，使用 防冻液循环同时带来了系统腐蚀的问题，在夏季集热系统过 热时防冻液沸腾、蒸发，防冻液的各项比例变化，品质变差。 本系统采用了空气作为集热系统的循环介质，通过玻璃真空管 集热器加热空气，空气由风道进入换热夹层水箱，或由风道 直接送入室内提升室内温度，这样就彻底解决系统冻结的问 题。太阳能集热部分的主要参数：集热器阵列由６台储能式 空气式集热器组成，每台集热面积４ ｍ ，总集热为２４ ｍ 。 因为房屋的朝向为南偏东３０。，为了使安装效果美观，太阳 能集热器也架设成为这个方向。为了避免冬季积雪影响使用 效果，选择集热器倾角为４５。。太阳能储能式空气集热器采 用３０支直径５８ｍｍ，长度１８００ｍｍ双通型玻璃真空管、储 热棒、上下工程联箱构成。储热棒内封装有相变蓄热材料， 每支储热量１．３ＭＪ长１７００ｍｍ直径３０ｍｍ。太阳能集热夹 层水箱高２０００ｍｍ，直径１２００ｍｍ，风管接口０１ １０ｍｍ， 水管接口ＤＮ２５ｍｍ。风机选择ＣＹ一１８０型离心风机、风 量１３８０ｍ３／ｈ、风压９４１ｐａ，功率７５０Ｗ。风道采用直径 １ １ ０ｃｍ镀锌铁皮分段拼装制成，在房间内设置三通以及风阀 开关，可以手动切换转换开关打开位置。控制器选用温差控制 器，可以探测温度一５０～３００Ｅ，温度差可调。 示范工程于２０１４年９月份建成，屋顶架设太阳能集热 器，室外放置空气源热泵，夹层水箱等设备如图４所示，室 内布置控制台与出风口如图５所示。
运行情况测试分析 为了考察系统运行性能，对系统情况进行了跟踪测试， 测试时间从２０１４年１０月１５日至２０１５年４月１５日。测 试期间选取典型气候情况为２０１４年１２月１０日至２５日， 测试期间控制室设定温度为２０℃，数据分析如下。
能效比的测试 冬季室外平均温度一１ １℃，空气源热泵测试期间出水 流量为１．８ｍ。／ｈ，进出口温差５Ｅ，耗电功率Ｐｒ＝４．３ｋＷ，
根据空气源热泵制热量计算能效比为： 图４夹层水箱 图５控制室控制台、出风口 ＱＩ１： △『ｗ／３６００＝９．９ｋＷ （１） ｃｏＰ，Ｉ＝ＯＨ／ ＝２．３ （２） 式中，０Ｈ为热泵机组制热量，ｋＷ；Ｖ１为冷凝器侧循 环水流量 ｍ３／ｈ；ｐ为循环水密度，ｋｇ／ｍａ，Ｃ为循环水的比热，
ｋＪ／（ｋｇ．℃）；Ａｔ 为冷凝器进出水温差，℃；ＣＯＰＨ为热 泵机组制热能效比；Ｐｒ为制热工况压缩机耗功率，ｋＷ。 冬季室外平均温度一１ １℃，打开空气集热器的循环风机， 切换风道转换开关到夹层水箱。通过测量储热水箱１小时的 温度变化得到制热量，当太阳辐射＞９００Ｗ／ｍ 时。循环风 机功率Ｐｘ＝０．７５ｋＷ，蓄热水箱体积Ｖ２为０．９６ ｍ ，水箱 升温７℃，根据太阳能制热量计算能效比为： ＱＴ＝ △ ／３６００＝７．８４ｋＷ （３） ｃ ： ／ｐ ＝１０．４５ （４） 式中，０Ｔ为太阳能制热量，ｋＷ；Ｖ１为蓄热水箱体积 ｍ ；Ｐ为水密度，ｋｇ／ｍ。；Ｃ为水的比热，ｋＪ／（ｋｇ．℃）； △， 为水箱加热前后温度差，℃：ＣＯＰＴ为太阳能集热系统 制热能效比’９ Ｐｘ为太阳能制热时消耗的功率，ｋＷ。 测量１小时与集热器架设方向相同的太阳辐照量 Ｈ＝２．５６ＭＪ／ｍ２。总集热器面积为ＳＺ为２４ 。根据太阳能集热 器１小时集热总量０Ｔ，得到太阳能集热系统的制热效率，７、： ＝ ３．６／（ｓｚ Ｈ）＝４５．９％ （５） 由于示范工程所属地区夏季气温不高，没有设计夏季 制冷工作模式，根据以上计算得到空气源热泵在冬季１ ２月 份时平均制热能效比ＣＯＰ 为２．３，太阳能集热系统制平 均热能效比ＣＯＰ 为１０．４５，太阳能集热系统热效率，７ 为 ４５．９％ 常规能源替代量的计算 按乌鲁木齐市冬季供暖期为１８０天，按照空气源热泵 上的热量表计算整个冬季空气源热泵冬季制热总量为Ｑ 为 １ ２４７４ｋＷｈ，按照集热循环系统的热量表计算整个冬季的太 阳能系统总制热量为Ｑ 为５２２１ ｋｗｈ。按照标准煤热值ｑ 为２９３０６ＭＪ／ｔｃｅ，锅炉热效率ｎ。为０．７，发电效率ｎ 为０．４ 计算，来计算，常规供暖系统所消耗的能量可折合为标准煤 Ｍ 按照如下方式计算： （） ＝（） ，＋ ＝ｌ７６９５ｋＷｈ （６） ７＝ｐ ×３．６／（ｑ×， ×，７，）＝７．７６ｔｃｅ （７） 式中，Ｑｚ为系统采暖期内总能量，实际耗电量Ｑ。， 因为空气源热泵能耗比ＣＯＰ 为２．３，太阳能系统能效比 ＣＯＰ 为１ ０．４５，实际耗电量小于采暖期产生的总能量，由 系统电能表记录耗电量Ｑ。＝５９２３ｋＷｈ，采暖期实际耗电总 量０ 折合成标准煤ＭＴ为： ｚ＝Ｑ×３．６１（ｑ×，≈×，７：）＝７．７６ｔｃｅ （８） 一４３～ １０万～３０万◎ 由上述计算可得冬季采暖期内整个系统节约５．１６ ｔｃｅ。 二氧化碳、二氧化硫、烟尘减排量 该系统冬季常规能源替代量的计算结果０ ＝５．１ ６ｔｃｅ， 按以下公式计算可得二氧化碳减排量（ｔ／ａ）： ０、＝２．４７× ＝１２．７６ｔ，￣ ａ （９） 二氧化硫减排量（ｔ／ａ） ０、＝０．０２× ＝０．１０３ｔ／ａ （１０） 烟尘减排量（ｔ／ａ） ＝０．０１× ＝０．０５Ｉｔ 。ａ （１１） 冬季采暖的运行效果及经济效益 项目的总采暖面积为２００ｍ２，２０１４年１Ｏ月至２０１５ 年３月采暖季期间室外平均气温～８．４℃，测试期室外平均 温度为一１ １℃，控制室内平均温度为２０．４℃。采暖期实际 耗电量为５９２３ｋＷｈ，该系统按照居民普通电费０．５２ｋＷｈ／ 元，来计算整个冬季采暖费用为３０８０元，平均到每平方 米为１５．４元。相比冬季集中供暖２２元／ｍ ，节省采暖费 １３２０元。 太阳能热泵供暖系统总投资９４０００元，系统单位面积 成本为４７０元／ｍ ，整体来说建筑安装以及设备成本较高， 冬季采暖运行费用１５．４元／ｍ ，运行成本较低，如果能够 在完善系统设计，扩大示范面积降低系统单位面积成本，则 可以进一步试验太阳能空气源热泵采暖技术的实用性。