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摘要 介绍了北京门头沟山区农户太阳能加空气源热泵采暖工程设计实施案例，采用云监控平台对系统运行进行监控、数据采集，对运行数据进行分析，提出优化措施，以提高太阳能贡献率，提高系统COP，降低系统运行费用。 0引言 近年，国家针对城市大气环境治理出台了一系列政策，由北京市率先发力的“煤改清洁能源”，更是针对大中城市秋冬季节的雾霾元凶——PM2.5粉尘颗粒以及废气等进行的重点根治。以门头沟为代表的京郊山区具有明显的区域特征：海拔相对较高，冬季寒冷，人口居住分散，交通运输条件较差，现有民宅建筑也多以石材为主，保温性能差。这种特殊环境条件，采用常规简单的煤改电或煤改空气源热泵方式，因该地区地形复杂，交通不便、施工难度大，供电增容成本和线损也成倍增加，综合投入过高，反应到用户层面，表现为用电量明显较大，运行费用高，超出当地用户承受能力。简单的煤改电或煤改空气源热泵对该地区具有局限性，甚至为不可行方案。 门头沟区科委、天普新能源科技有限公司结合承担“北京市委、市政府重点工作及区县政府应急项目”课题“京郊山区采暖煤改综合技术研究与示范”，在妙峰山镇岭角村实施了同名区级研究与示范工程，该工程于2017年12月25日完成施工，至2018年4月已实际运行一个完整采暖季。 本项目基本方案为太阳能集热系统在保证生活热水供应的前提下，提供冬季供暖的部分能源，不足部分由低温空气源热泵满足。 1项目概况 该民居群为以现有村住宅用地为基础平整土地后建造的二层连栋住宅，分三种户型：106.86㎡户型；141.18㎡户型；185.28㎡户型。共计124套。供暖设计参数为冬季环境温度-7.6℃，风速2.6m/s，室内设计采暖温度分别为卧室18℃，客厅18℃，厨房15℃，卫生间25℃。设计采暖热指标45W/㎡。室内采暖末端采用低温地板辐射采暖地板辐射供水温度45℃，回水温度35℃。 2设计依据 GB50495-2009 《太阳能供热采暖技术规范》 GB50364-2005 《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》 GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 JGJ142-2012《辐射供暖供冷技术规程》 GB50169-1992 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》 DB11/635-2009 《村镇住宅太阳能采暖应用技术规程》 设计院出具暖通设计图纸。 3技术方案 采用紧凑式太阳能热水系统与低温空气源热泵系统结合，满足山区居民清洁能源采暖要求。白天，太阳能吸收太阳辐射热能加热热水储存，作为空气源热泵的补充；空气源热泵可以利用低谷电夜间供热采暖，还可以利用白天环境温度较高时，以更高的效率工作，以较低的成本获得建筑得热。非采暖季，太阳能提供生活热水。 建筑采暖设计热负荷45W/m2。据此负荷计算，单位面积冬季采暖总热能需求为45W/m2*24小时*125天=135000Wh=135kWh（以北京大多数家庭作息习惯考虑，早9点到下午4点家中无人或者晴天室内温度较高不需要采暖，夜间12点到早上5点睡眠时间采暖温度需求较低，故实际采暖时间可取为12小时）。 3.1太阳能配置方案 优质太阳能集热器的产热能力约为每平方米集热器0.6kW，冬季平均每天可按此功率工作5小时，即每平方米集热器平均每天可产热3kWh，全采暖季（125天）中全晴天按80天计算，则每平方米集热器全采暖季产热240kWh，即按全采暖季计算，每平方米太阳能集热器得热可满足240/67.5=3.5㎡采暖面积采暖需求。 普通家庭日常生活热水需求按每户每天150-250升计算，考虑到无辅助电加热阴雨天需求，实际配置按180-360升考虑，根据此配置，兼顾冬季采暖供热最大化。则针对三种户型分别配置为(表1)： 表1-三种户型太阳能设备配置表 3.2空气源热泵配置方案 空气源热泵利用其压缩机做功，定向实现空气中热能转移的特性，根据需要，使空气中的热能向室内外转移，达到建筑采暖和制冷空调的目的。由于其实际供给的热量大部分来自自然界中的空气，其得热量是消耗电能的2-3倍。所以，对其消耗的电能来说，是一种很好的节能设备。同样条件下比较，它比电采暖（包括蓄能式电暖器）运行费用降低70%左右。 同样，空气源热泵可以利用低谷电夜间供热采暖，还可以利用白天环境温度较高时，以更高的效率工作，以较低的成本获得建筑得热。 图1 屋顶太阳能安装 图2热泵安装 图3室内管路安装 3.3工作原理 采暖季，控制系统检测太阳能的温度，当太阳能水箱温度达到设定温度，电动三通阀开启，将太阳能集热全部即时用于末端采暖，当太阳能水箱温度低于设定温度，电动三通阀转换开启方向，完全采用空气源热泵采暖。采暖季夜间及阴天，主要利用空气源热泵工作采暖。非采暖季，空气源热泵机组停机，太阳能专供生活热水。 图4-系统运行原理图 根据三种住宅类型和规格，经测算，空气源热泵机组分别配置如下（表2）： 表2-三种户型空气源热泵配置表 4运行数据采集分析 4.1数据分析 在项目建设同期，为跟踪系统运行效果，选取12户安装电表、热量表在线测量系统的用电量、热泵提供热量及太阳能提供热量。热泵供热量由室外远传热量表的累计热量确定；太阳能供热量由计量时段的室内热量表的累积冷量与同时段的室外热量表的累积热量表的差值确定；系统耗电量由远传热量表确定；循环水泵的耗电量由水泵功率及水泵运转时间确定。室内安装WIFI温控器监测室内温度。 图5 远传电表 图6 远传热量表 图7 WIFI温控器 图8远程智慧管理平台 由于均为新建民居，在本采暖季只有村民付连朝入住新居。付连朝家为B户型，按照住户付连朝家的运行结果分析系统如下： 表3-B户型运行数据表
图9循环水泵运行时间 本项目设备运行耗能约为纯电采暖耗能的35%。太阳能的贡献率为分别为20%和25%。 通过计算3月1日~9日的数据，在白天循环系统不停止的情况下，太阳能每天提供的热量约为32kWh；而白天循环水泵停止的情况下，太阳能每天提供的热量只有18.4kWh。
图10白天循环系统开启时太阳能水箱温度曲线
图11白天循环系统关闭时太阳能水箱温度曲线 白天由于系统停止，导致太阳能热量不能及时输出，致使太阳能的热损增大，热效率降低，应采取措施，使太阳能收集热量及时输送到建筑内，提高太阳能贡献率，减少系统运行费用。 表4-B户型采暖期内运行数据
整个采暖季从2017年11月10日开始至2018年3月20日结束。总耗电为8511.1kWh，平均按照0.3元/kWh（峰电0.4883元/kWh，谷电0.1元/kWh）计算，整个采暖期的运行费用为2553.33元，建筑面积141.18㎡，单位面积采暖费用为18.09元/㎡。本采暖季由于新建建筑较为潮湿，且前期开窗通风较多，采暖能耗较大，下一个采暖季的采暖费用有望大幅下降，可望达到15元/㎡以下。 4.2存在问题及优化建议 在系统试运行监测过程中，发现有如下问题： 1）室外循环管路热损大 由于建筑设计未预留管井，太阳能管路在室外房顶太长，导致管道热损及管道防冻耗能较大，另本系统中热泵循环的室外管得到同样较长，影响系统热性能。
图12室外管路 优化措施：在建筑房顶设置太阳能专用管井，减少室外管道长度；室外管路保温加厚，由30mm增加到40mm； 2）供水温度可适当降低 室内采暖末端为地暖盘管，由于为新建建筑，为避免室内温度过低，设置供暖系统的循环回水控制温度过高（高达45℃），导致热泵能效比降低。 优化措施：地暖盘管系统供水温度控制在35℃左右即可，热泵回水温度可设定在30~35℃，降低热泵出水温度，提高压缩机性能，提高系统能效比。 3）水泵选型较大 循环水泵选用SMHT2-30，输入功率0.4kW，最大扬程28米，最大流量3.5m³/h。系统为满水系统，水泵只要满足克服系统管路沿程损失即可，流量在1.5~2m³/h即可。因此现选用水泵过大，能耗较高，导致系统运行费用增高。 优化措施：选用较小流量、扬程的循环水泵，降低水泵能耗，同时优化水泵运行控制方式，降低水泵运行时间，减少运行费用。 4）太阳能热损需要控制，最大化利用太阳能 白天由于系统停止，导致太阳能热量不能及时输出，致使太阳能的热损增大，热效率降低，应采取措施使太阳能收集热量及时输送到建筑内，提高太阳能贡献率，降低电能消耗。 5）最大化利用谷电取暖，降低运行费用。
图13 2018年1月25日热泵压缩机运行图 2018年1月25日天气多云，-12℃ ~ -4℃；热泵总制热时间11.3小时，谷电时段6.5小时，峰电时段4.8小时。热泵经常制热8-10分钟后停止，过20分钟重新制热，启动较为频繁。
图14 2018年2月6日热泵压缩机运行图 2018年2月6日天气多云转阴，-6℃ ~ 3℃；热泵热泵总制热时间7.5小时，谷电时段5小时，峰电时段2.5小时。热泵经常制热8-10分钟后停止，过20分钟重新制热，启动较为频繁。 优化系统控制模式，实现分时段控制，让热泵尽可能在晚20：00至次日8：00间的谷电时段运行，减少峰电时段的运行，峰电时段主要采用太阳能补充。调控系统运行参数，避免热泵频繁启动，提高热泵的能效比。后续可采用变频热泵，减少系统启停次数，提高系统效率。 5结论 |
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