摘要 介紹了北京門頭溝山區(qū)農(nóng)戶太陽(yáng)能加空氣源熱泵采暖工程設(shè)計(jì)實(shí)施案例，采用云監(jiān)控平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出優(yōu)化措施，以提高太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率，提高系統(tǒng)COP，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

0引言

近年，國(guó)家針對(duì)城市大氣環(huán)境治理出臺(tái)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(duì)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(jìn)行的重點(diǎn)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(duì)較高，冬季寒冷，人口居住分散，交通運(yùn)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(jiǎn)單的煤改電或煤改空氣源熱泵方式，因該地區(qū)地形復(fù)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(yīng)到用戶層面，表現(xiàn)為用電量明顯較大，運(yùn)行費(fèi)用高，超出當(dāng)?shù)赜脩舫惺苣芰Α：?jiǎn)單的煤改電或煤改空氣源熱泵對(duì)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(dān)“北京市委、市政府重點(diǎn)工作及區(qū)縣政府應(yīng)急項(xiàng)目”課題“京郊山區(qū)采暖煤改綜合技術(shù)研究與示范”，在妙峰山鎮(zhèn)嶺角村實(shí)施了同名區(qū)級(jí)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(shí)際運(yùn)行一個(gè)完整采暖季。

本項(xiàng)目基本方案為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在保證生活熱水供應(yīng)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(xiàng)目概況

該民居群為以現(xiàn)有村住宅用地為基礎(chǔ)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(jì)124套。供暖設(shè)計(jì)參數(shù)為冬季環(huán)境溫度-7.6℃，風(fēng)速2.6m/s，室內(nèi)設(shè)計(jì)采暖溫度分別為臥室18℃，客廳18℃，廚房15℃，衛(wèi)生間25℃。設(shè)計(jì)采暖熱指標(biāo)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(shè)計(jì)依據(jù)

GB50495-2009 《太陽(yáng)能供熱采暖技術(shù)規(guī)范》

GB50364-2005 《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》

GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》

JGJ142-2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》

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

DB11/635-2009 《村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能采暖應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》

設(shè)計(jì)院出具暖通設(shè)計(jì)圖紙。

3技術(shù)方案

采用緊湊式太陽(yáng)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(yáng)能吸收太陽(yáng)輻射熱能加熱熱水儲(chǔ)存，作為空氣源熱泵的補(bǔ)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(shí)，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(yáng)能提供生活熱水。

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

3.1太陽(yáng)能配置方案

優(yōu)質(zhì)太陽(yáng)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(shí)，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(jì)算，則每平方米集熱器全采暖季產(chǎn)熱240kWh，即按全采暖季計(jì)算，每平方米太陽(yáng)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(jì)算，考慮到無(wú)輔助電加熱陰雨天需求，實(shí)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(duì)三種戶型分別配置為(表1)：

表1-三種戶型太陽(yáng)能設(shè)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(jī)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(dá)到建筑采暖和制冷空調(diào)的目的。由于其實(shí)際供給的熱量大部分來(lái)自自然界中的空氣，其得熱量是消耗電能的2-3倍。所以，對(duì)其消耗的電能來(lái)說(shuō)，是一種很好的節(jié)能設(shè)備。同樣條件下比較，它比電采暖（包括蓄能式電暖器）運(yùn)行費(fèi)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(shí)，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(yáng)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(cè)太陽(yáng)能的溫度，當(dāng)太陽(yáng)能水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度，電動(dòng)三通閥開啟，將太陽(yáng)能集熱全部即時(shí)用于末端采暖，當(dāng)太陽(yáng)能水箱溫度低于設(shè)定溫度，電動(dòng)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(jī)組停機(jī)，太陽(yáng)能專供生活熱水。

圖4-系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

根據(jù)三種住宅類型和規(guī)格，經(jīng)測(cè)算，空氣源熱泵機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)采集分析

4.1數(shù)據(jù)分析

在項(xiàng)目建設(shè)同期，為跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行效果，選取12戶安裝電表、熱量表在線測(cè)量系統(tǒng)的用電量、熱泵提供熱量及太陽(yáng)能提供熱量。熱泵供熱量由室外遠(yuǎn)傳熱量表的累計(jì)熱量確定；太陽(yáng)能供熱量由計(jì)量時(shí)段的室內(nèi)熱量表的累積冷量與同時(shí)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(yuǎn)傳熱量表確定；循環(huán)水泵的耗電量由水泵功率及水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間確定。室內(nèi)安裝WIFI溫控器監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度。

圖5 遠(yuǎn)傳電表

圖6 遠(yuǎn)傳熱量表

圖7 WIFI溫控器

圖8遠(yuǎn)程智慧管理平臺(tái)

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(yùn)行結(jié)果分析系統(tǒng)如下：

表3-B戶型運(yùn)行數(shù)據(jù)表

圖9循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間

本項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行耗能約為純電采暖耗能的35%。太陽(yáng)能的貢獻(xiàn)率為分別為20%和25%。

通過計(jì)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(yáng)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(yáng)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(shí)太陽(yáng)能水箱溫度曲線

圖11白天循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)太陽(yáng)能水箱溫度曲線

白天由于系統(tǒng)停止，導(dǎo)致太陽(yáng)能熱量不能及時(shí)輸出，致使太陽(yáng)能的熱損增大，熱效率降低，應(yīng)采取措施，使太陽(yáng)能收集熱量及時(shí)輸送到建筑內(nèi)，提高太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率，減少系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

表4-B戶型采暖期內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)

整個(gè)采暖季從2017年11月10日開始至2018年3月20日結(jié)束。總耗電為8511.1kWh，平均按照0.3元/kWh（峰電0.4883元/kWh，谷電0.1元/kWh）計(jì)算，整個(gè)采暖期的運(yùn)行費(fèi)用為2553.33元，建筑面積141.18㎡，單位面積采暖費(fèi)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(fēng)較多，采暖能耗較大，下一個(gè)采暖季的采暖費(fèi)用有望大幅下降，可望達(dá)到15元/㎡以下。

4.2存在問題及優(yōu)化建議

在系統(tǒng)試運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)未預(yù)留管井，太陽(yáng)能管路在室外房頂太長(zhǎng)，導(dǎo)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(zhǎng)，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(shè)置太陽(yáng)能專用管井，減少室外管道長(zhǎng)度；室外管路保溫加厚，由30mm增加到40mm；

2）供水溫度可適當(dāng)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(shè)置供暖系統(tǒng)的循環(huán)回水控制溫度過高（高達(dá)45℃），導(dǎo)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(shè)定在30~35℃，降低熱泵出水溫度，提高壓縮機(jī)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(yáng)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(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增高。

優(yōu)化措施：選用較小流量、揚(yáng)程的循環(huán)水泵，降低水泵能耗，同時(shí)優(yōu)化水泵運(yùn)行控制方式，降低水泵運(yùn)行時(shí)間，減少運(yùn)行費(fèi)用。

4）太陽(yáng)能熱損需要控制，最大化利用太陽(yáng)能

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

5）最大化利用谷電取暖，降低運(yùn)行費(fèi)用。

圖13 2018年1月25日熱泵壓縮機(jī)運(yùn)行圖

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

圖14 2018年2月6日熱泵壓縮機(jī)運(yùn)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(shí)間7.5小時(shí)，谷電時(shí)段5小時(shí)，峰電時(shí)段2.5小時(shí)。熱泵經(jīng)常制熱8-10分鐘后停止，過20分鐘重新制熱，啟動(dòng)較為頻繁。

優(yōu)化系統(tǒng)控制模式，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段控制，讓熱泵盡可能在晚20：00至次日8：00間的谷電時(shí)段運(yùn)行，減少峰電時(shí)段的運(yùn)行，峰電時(shí)段主要采用太陽(yáng)能補(bǔ)充。調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，避免熱泵頻繁啟動(dòng)，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