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

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

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

第二，方便獲取。太陽能可就地開發(fā)—因此不存在運輸問題，對交通不發(fā)達的偏遠地區(qū)利用價值尤為突出。

第三，清潔、無污染。太陽能在開發(fā)和利用的過程中不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，不會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

與此同時，太陽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能只有1000W左右，因此太陽能熱水系統(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)運行。

熱泵系是一種能夠通過消耗少量電能將熱量從低溫熱源轉移到高溫熱源的裝置，具有高效節(jié)能的特點。但空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在冬季使用時對環(huán)境溫度有一定的要求[1]。

根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)自身的優(yōu)勢和缺陷，利用空氣源熱泵的特點作為輔助加熱，有機的結合兩個系統(tǒng)，組成太陽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)可以彌補太陽能熱水供暖系統(tǒng)的缺陷，既克服了太陽能間歇性、不穩(wěn)定的缺陷，延長了太陽能采暖的使用時間，又彌補了空氣源熱泵在寒冷季節(jié)效率問題的不足，因此能夠實現(xiàn)有效、全天候運行，這對降低能源消耗，滿足建筑節(jié)能、環(huán)保具有重要意義。

一、太陽能—空氣源熱泵的組成及工作原理

根據(jù)太陽能集熱器中工作介質的不同，太陽能熱泵系統(tǒng)可分為兩大類：直膨脹式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)和非直接膨脹式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)。按照集熱循環(huán)和熱泵循環(huán)的連接方式的不同，非直接膨脹式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，分為以下幾種結構形式：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 太陽能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)圖

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

（1）太陽能集熱供暖系統(tǒng)；

（2）空氣源熱泵供暖系統(tǒng)；

（3）末端用戶。

太陽能集熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、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、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。

太陽能—空氣源熱泵系統(tǒng)的運行模式主要包括：

（1）在太陽輻射條件較好、建筑的熱負荷較小的情況下，此時僅僅依靠太陽能集熱供暖系統(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)太陽能集熱器后流入到蓄熱水箱中，換熱結束后流回到太陽能集熱器中進行加熱。

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

（3）在沒有太陽輻射的條件下，例如夜間、陰雨天氣等，關閉太陽能集熱系統(tǒng)，開啟空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，此時由空氣源熱泵系統(tǒng)對用戶進行供暖。

二、 太陽能供暖系統(tǒng)的設計計算

2.1 模擬建筑負荷

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每個房間進行參數(shù)設置，以保證模擬結果盡可能與實際工程相似。
圖2是由Dest軟件模擬得出的該建筑供暖期的逐時負荷，由圖可知，供暖期最大的熱負荷出現(xiàn)在1月份，為7.2kW；供暖期平均熱負荷為2.37kW。

圖2 供暖期建筑逐時負荷分布圖

太陽能供暖系統(tǒng)的設計計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算

太陽能系統(tǒng)集熱器面積由下式計算[3]：

式中：Ac為太陽能供熱采暖系統(tǒng)的集熱器總面積（m2）；Qh為供暖負荷的日平均值（W）；JT為當?shù)蒯娕谠诩療崞靼惭b傾斜面上的平均日太陽輻照量（J/m2）；f為太陽能保證率（%）；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)驗取值宜為0.2~0.30。
上式中，Qh為日平均負荷，為2365.1W。按照文獻[3]的附錄，査得當?shù)夭膳谠诩療崞靼惭b傾斜面上的平均日太陽轄照量為13.854MJ/(m2·d)。ηcd與ηL根據(jù)經(jīng)驗值分別取0.35和0.2。表1是太陽能保證率在不同地區(qū)的推薦選用值范圍。

表1 太陽能供熱采暖系統(tǒng)在不同地區(qū)的太陽能保證率

經(jīng)計算，平板集熱器集熱面積為15.8m2。

2.3 蓄熱水箱體積計算

蓄熱系統(tǒng)應考慮太陽能集熱系統(tǒng)的性能、投資、形式、太陽能保障率以及供熱采暖負荷等因素通過技術經(jīng)濟性分析來進行選取。在粗略計算的情況下，可根據(jù)具體的太陽能供熱采暖系統(tǒng)形式，査取單位面積集熱器采光面積所對應的儲熱水箱、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)廠家一般會給出影響太陽能集熱系統(tǒng)流量的特性。若無相關技術參數(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)，真空型太陽能集熱器可按照0.015~0.02L/(s·m2)估算。

2.5 系統(tǒng)設備選型

根據(jù)上述計算，太陽能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要設備選型型號和初投資的估算見表3。

表3 系統(tǒng)主要設備選型和初投資

三、系統(tǒng)的建立和模擬

3.1 Trnsys系統(tǒng)模型的建立

利用Trnsys對太陽能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)建模，選擇相應的模塊。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、負荷讀取器Type682、空氣源熱泵機組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）在太陽能集熱器出水溫度為30℃以上時，只運行太陽能集熱器循環(huán)系統(tǒng)，不開啟空氣源熱泵系統(tǒng)。

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

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

3.2 模擬結果分析

用戶側供回水溫度

圖4是供暖期用戶側的供回水溫度，由圖可以看出，用戶側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 用戶側供回水溫度

圖5是用戶側供回水溫差與室外氣溫的關系。由圖5可知，在室外氣溫比較高的情況下，用戶側的供回水溫差比較??；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，此時建筑的負荷也最大，用戶側的供回水溫差也達到最大。當室外氣溫逐漸升高時，供回水的溫差也逐漸減小。

由圖6可知，在整個采暖期，空氣源熱泵機組的COP在3.5左右，實際工程中的空氣源熱泵的COP在2~3左右，在復合能源系統(tǒng)中，空氣源熱泵機組的COP有所上升；在太陽能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，系統(tǒng)的COP達到了5.5，和熱泵機組相比，COP大大提高，說明了太陽能—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 機組COP和系統(tǒng)COP

圖7是太陽能—空氣源熱泵系統(tǒng)整個供暖期的耗電量，由圖可知，整個供暖期，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 太陽能—空氣源熱泵

四、 經(jīng)濟效益分析

常用的熱水系統(tǒng)經(jīng)濟效益的評價方法有:綜合能源價格法、靜態(tài)投資回收期、動態(tài)投資回收期和費用年值法等[4-5]。綜合能源價格法，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)省的運行費用與初投資的比值來表示，這種方法沒有考慮資金的時間價值，能在一定程度上評價系統(tǒng)的資金回收能力，但無法反應整個使用年限內(nèi)的收益能力。動態(tài)投資回收期，是在考慮資金時間價值的情況下收回投資所需要的時間。按基準收益率把投資項目各年的凈現(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)初投資按資金的時間價值折算為每年的費用，與運行費用和得到費用年值，各方案中費用年值最小的即為最佳方案。該方法全面考慮系統(tǒng)的初投資和運行費用，更加合理和科學。本文采用費用年值法對熱水系統(tǒng)來進行經(jīng)濟效益分析。由于不同供暖方案系統(tǒng)的使用年限不同，費用年值的詳細計算公式如下：

式中：Yd為費用年值（元/年）；i為利率(或部門內(nèi)部的標準收益率系數(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)年運行費用（元）。

其中，

定文為初投資折算值，系統(tǒng)運行費用包括能耗費用和維護管理費用，按設備固定資產(chǎn)投資的2%計算[6]。

表4 初投資和運行費用比較

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

五、 總結

太陽能—空氣源熱泵供暖系統(tǒng)充分利用了我國太陽能資源豐富的優(yōu)勢，有效解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運行效率低的缺點，將兩者的特點有效的結合起來。復合能源系統(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，耗電量少，運行費用低，有利于環(huán)保節(jié)能，符合可持續(xù)發(fā)展的政策。