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摘要 將集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統全年運行模式分為兩類：冬季供暖和其他季節僅供應生活熱水，提出了確定太陽能熱水、空氣源熱泵及燃氣采暖熱水爐容量的基本規則及考核要求，同時提出以集成系統一次能源全年能效因數作為綜合評價集成系統能效的指標，以及計算方法。

關鍵詞 太陽能熱水系統  空氣源熱泵  燃氣采暖熱水爐

0 引言

集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐住宅太陽能供暖系統是住宅太陽能供暖技術的主要發展方向之一，由于多個熱源聯合運行產生優化運行問題突出，制訂合理性能評價指標體系對該領域技術發展產生重要的引導作用。目前已發布的太陽能技術標準，GB/T 25967-2010《帶輔助能源的家用太陽能熱水系統熱性能試驗方法》的編制參考了歐洲標準EN 12976-1:2006《太陽能熱利用系統和部件 工廠制造的系統 第1部分：總體要求》和EN 12976-2:2006《太陽能熱利用系統和部件 工廠制造的系統 第2部分：試驗方法》，對于僅用于加熱生活熱水的集成系統具有較好適用性，但對于供暖應用集成系統，未考慮相應內容。而GB/T 29158-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統（儲水箱容積大于0.6m3）技術規范》和GB/T 29160-2012《帶輔助熱源的太陽能熱水系統（儲水箱大于0.6m3）性能試驗方法》雖然適用系統規模較大，但對于供暖應用系統也不適宜使用。因此，本文提出集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統性能試驗方法，系統用于考核這類系統的供熱性能和運行能效，本文未考慮熱泵系統夏季用于空調運行的相關性能試驗項目。

1 集成系統概述

住宅太陽能供暖系統的基本特征是可以集成太陽能熱利用裝置、熱泵裝置和燃氣加熱裝置，提供衛生熱水和采暖熱水，也可以根據用戶需要擴展空調制冷功能和熱回收功能等，并可集成住宅新風系統等裝置，同時配備循環系統、末端裝置以及監控系統。

2 系統供熱性能

從技術經濟性的角度，太陽能供暖系統中受安裝條件和購置成本影響最大的部分是太陽能集熱器，從熱量需求的角度，通常一晝夜的住宅供暖負荷約為生活熱水負荷的5～10倍，顯然在非供暖季節，住宅的熱量需求只有生活熱水，如果太陽能集熱器的供熱能力在冬季供暖需求中的份額較大，就可能導致非供暖季節太陽能集熱器的供熱能力嚴重過剩，不僅由于這些集熱器閑置導致浪費，而且容易導致太陽能熱水系統出現過熱現象，對保證系統運行安全和可靠性都產生一定程度的不良影響。從國外一些地區采用太陽能實現住宅供暖的實踐來看，在供暖季節通常太陽能提供的熱量不超過全部熱需求的1/3。因此，本文假設在供暖季節太陽能的保證率為15%以上，太陽能利用方式為，在白天獲得的太陽能熱量首先用于房間的保溫，剩余部分用于加熱生活熱水。保溫作為在房間無人逗留而需要維持必要的室內溫度的運行狀態，雖然熱負荷較小，但是由于通常持續時間比有人在房間而進行供暖的運行時間更長，所以，供暖季節期間房間保溫的熱負荷通常為全天供暖負荷的1/5以上，由此可見，太陽能集熱器獲得的熱量能夠用于生活熱水加熱的并不多。

2.1 供熱性能測試條件

集成系統的配置以及運行模式合理與否，與供熱性能測試條件有重要關系，考慮到我國的地理因素和人文因素，本文將年平均氣溫≥7℃，且冬季日平均氣溫≥－10℃的地區作為推薦使用地區，在此基礎上提出了供熱性能的測試條件，如表1所示。

表1 集成不同輔助熱源的集成系統性能測試運行條件

住宅太陽能供暖系統的熱性能要求主要針對制熱能力和能效兩部分，由于這類系統全年運行狀況差異較大，采用兩種方式進行考核，在供暖季節僅考核供暖性能，不單獨考核生活熱水性能，對生活熱水加熱性能只考核功能指標；在非供暖季節，只考核生活熱水加熱性能，無需考核供暖性能。

由于全天生活熱水熱負荷視為供暖熱負荷的組成部分，生活熱水使用過程中大部分熱量在室內散發，成為供暖負荷的一部分，所以在供暖季節不單獨考核生活熱水對系統供熱性能的影響不會對集成系統性能考核產生明顯的影響。而且本文假設集成系統全天24h平均供熱功率按50%系統額定供熱功率計算，加熱生活熱水所需的熱量通常只占住宅全天熱需求的20%以下，在配備蓄熱水箱的工整正常運行條件下，在系統部分負荷運行狀態下加熱生活熱水是輕而易舉的，無論對供暖運行和生活熱水使用需求基本不會造成不良影響。

2.2 熱源系統參數確定

集成空氣源熱泵與燃氣采暖熱水爐住宅太陽能供暖系統的主要參數包括：系統額定供熱功率、 生活熱水流量、太陽能全天平均供熱功率、空氣源 熱泵額定供熱功率、燃氣采暖熱水爐供熱功率以 及蓄熱水箱容積等。

系統額定供熱功率是反映集成系統使用特性的主要指標，指標規定供暖測試條件下的供熱功率；而生活熱水流量則是使用性能指標，要求以規定溫度和流量輸出生活熱水。而其它指標要求為：蓄熱水箱容積和出水率應保證在蓄水溫度達到55℃時滿足全天生活熱水需求。太陽能集熱器面積應按冬季集熱條件考核，本文推薦在日輻照量12MJ/m2條件下，以循環方式供熱溫度/ 回水溫度為45℃/30℃全日供熱量，應不小于系統全天供熱功率的15%；而且在日輻照量17MJ/m2條件下，單獨將初始水溫為20±5℃的蓄熱水箱中的生活熱水溫度提高35℃以上。顯然需在兩個條件中選擇較大集熱面積。

空氣源熱泵熱水系統容量分兩種配置方案考慮，在配套燃氣采暖熱水爐系統中，空氣源熱泵在進風條件為15℃/12℃（DB/WB），在6h 內單獨將初始水溫為15±1℃蓄熱水箱中生活熱水溫度提高至55±2℃以上；而在不配套燃氣采暖熱水爐系統中，空氣源熱泵在進風條件為2℃ /1℃（DB/WB），以熱水循環方式運行，供熱/ 回水溫度為45℃/30℃，在無燃氣熱源系統中，熱泵額定供熱功率應高于系統額定供熱功率。

燃氣采暖熱水爐的容量應符合生活熱水加熱能力標準以輸出規定的生活熱水流量，即持續將15℃的進水加熱至45℃以上；供暖能力應以熱水循環方式運行，供熱/ 回水溫度為45℃/30℃，供熱量應不小于系統額定供熱功率。

3 能效指標

在集成空氣源熱泵和燃氣采暖熱水爐的住宅太陽能供暖系統中，消耗能源有多種類型，包括太陽能、電能和燃氣、環境空氣熱源利用，因此，在考核系統能效時，太陽能得熱和環境空氣熱源得熱不計入能量消耗，利用一次能源與電能轉換系數，將電能折算為一次能源，以一次能源單位消耗量獲得的供熱量作為能效考核指標，提出集成系統一次能源全年能效因數考核指標，如式（1）所示：

                              

式中：

PAPFIES———集成系統一次能源全年能效因數；

S——太陽能熱水系統供熱量，MJ；

H——空氣源熱泵系統供熱量，MJ；

B——燃氣采暖熱水爐供熱量，MJ；

Es——太陽能熱水系統耗電量，kW·h；

Eh——空氣源熱泵系統耗電量，kW·h；

Eb——燃氣采暖熱水爐系統耗電量，kW·h；

C——一次能源與電能轉換系數，MJ（/ kW·h）；

G——燃氣采暖熱水爐耗氣量，MJ；

i——季節代號，i=1，春季和秋季；i=2，夏季；i=3，冬季。

4 結語

集成空氣源熱泵或燃氣采暖熱水爐的太陽能供暖系統，能較好解決太陽能輻照不穩定問題，但多種熱源聯合運行產生的問題需妥善解決，本文推薦了由供熱性能導出的系統配置方案及系統全年能效指標，這需在相關工作中進一步完善。

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