集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统性能试验方法探讨
0 引言
集成空气源热泵和燃气采暖热水炉住宅太阳能供暖系统是住宅太阳能供暖技术的主要发展方向之一，由于多个热源联合运行产生优化运行问题突出，制订合理性能评价指标体系对该领域技术发展产生重要的引导作用。目前已发布的太阳能技术标准，GB/T 25967-2010《带辅助能源的家用太阳能热水系统热性能试验方法》的编制参考了欧洲标准EN 12976-1:2006《太阳能热利用系统和部件 工厂制造的系统 第1部分：总体要求》和EN 12976-2:2006《太阳能热利用系统和部件 工厂制造的系统 第2部分：试验方法》，对于仅用于加热生活热水的集成系统具有较好适用性，但对于供暖应用集成系统，未考虑相应内容。而GB/T 29158-2012《带辅助热源的太阳能热水系统（储水箱容积大于0.6m3）技术规范》和GB/T 29160-2012《带辅助热源的太阳能热水系统（储水箱大于0.6m3）性能试验方法》虽然适用系统规模较大，但对于供暖应用系统也不适宜使用。因此，本文提出集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统性能试验方法，系统用于考核这类系统的供热性能和运行能效，本文未考虑热泵系统夏季用于空调运行的相关性能试验项目。
1 集成系统概述
住宅太阳能供暖系统的基本特征是可以集成太阳能热利用装置、热泵装置和燃气加热装置，提供卫生热水和采暖热水，也可以根据用户需要扩展空调制冷功能和热回收功能等，并可集成住宅新风系统等装置，同时配备循环系统、末端装置以及监控系统。住宅太阳能供暖系统技术，是传统住宅暖通领域冷热源设施与应用系统结合，冷热源产品制造商的业务向系统应用领域扩展的新型业务模式，可简化终端用户系统构建成本，缩短建造周期，便利维护管理，适应低碳社会发展要求，改善运行过程的经济性和舒适性。
住宅太阳能供暖系统是面向住宅应用需求的冷热源系统，其主要功能是以一个系统满足住宅采暖、卫生热水、空调制冷等多样热能需求，满足这些热能需求大约占家庭能源支出的2/3、家庭总能耗的2/3，提高住宅太阳能供暖系统的能源利用效率，减少能源费用支出不仅对生态社会建设具有积极意义，同时也有利于提高生活水平。住宅生态热能系统是能够将太阳能热水、热泵与燃气热水单元等按用户需要进行合理组合，满足住宅采暖、卫生热水、空调制冷等需求，并具备扩展余热回收功能以及利用生物质能的功能。由于充分利用热泵装置的节能作用，以及利用太阳能或生物质能等可再生能源，因而不仅可减少住宅化石能源消耗，同时还有利于减少用户的电力、燃气等能源费用支出。住宅生态热能系统作为是积极利用可再生能源和采用节能技术的集成系统，其意义在于：
——提高供热系统能源利用效率，降低家庭碳排放水平；
——减少空气污染物排放，改善住宅区局部空气质量；
——缓解燃气供应紧张局面，促进燃气具行业可持续发展；
——充分利用太阳能以及热泵节能的优势，减少住宅化石能源消耗；
——减少能源费用支出。
2 系统供热性能
组成热水系统的各热源单元的容量配置的合理性，也成为一个重要问题，过高的配置可能导致系统的经济性受到不良影响，而过低的配置则可能导致热水供应能力不能达到预期的使用要求。针对不同的环境条件和需求特性，合理确定热源装置的配置准则将决定住宅生态热能系统市场竞争力。
事实上，近年太阳能热利用技术发展的趋势之一，就是在供热系统中较小容量的太阳能集热系统与较大容量的辅助热源配套，其技术经济性较优，虽然冬季辅助热源运行费用较高，但是夏季太阳能集热系统的过剩容量大大减小。太阳能集热器的造价较高，若配套集热面积较小的集热器，就可以将节省下来的部分购置费用冲减辅助热源装置所需的部分费用，从而降低系统总造价。热泵单元的容量配置问题与太阳能集热系统类似。
从技术经济性的角度，太阳能供暖系统中受安装条件和购置成本影响最大的部分是太阳能集热器，从热量需求的角度，通常一昼夜的住宅供暖负荷约为生活热水负荷的5～10倍，显然在非供暖季节，住宅的热量需求只有生活热水，如果太阳能集热器的供热能力在冬季供暖需求中的份额较大，就可能导致非供暖季节太阳能集热器的供热能力严重过剩，不仅由于这些集热器闲置导致浪费，而且容易导致太阳能热水系统出现过热现象，对保证系统运行安全和可靠性都产生一定程度的不良影响。从国外一些地区采用太阳能实现住宅供暖的实践来看，在供暖季节通常太阳能提供的热量不超过全部热需求的1/3。因此，本文假设在供暖季节太阳能的保证率为15%以上，太阳能利用方式为，在白天获得的太阳能热量首先用于房间的保温，剩余部分用于加热生活热水。保温作为在房间无人逗留而需要维持必要的室内温度的运行状态，虽然热负荷较小，但是由于通常持续时间比有人在房间而进行供暖的运行时间更长，所以，供暖季节期间房间保温的热负荷通常为全天供暖负荷的1/5以上，由此可见，太阳能集热器获得的热量能够用于生活热水加热的并不多。
2.1 供热性能测试条件
集成系统的配置以及运行模式合理与否，与供热性能测试条件有重要关系，考虑到我国的地理因素和人文因素，本文将年平均气温≥7℃，且冬季日平均气温≥－10℃的地区作为推荐使用地区，在此基础上提出了供热性能的测试条件，如表1所示。
表1 集成不同辅助热源的集成系统性能测试运行条件
住宅太阳能供暖系统的热性能要求主要针对制热能力和能效两部分，由于这类系统全年运行状况差异较大，采用两种方式进行考核，在供暖季节仅考核供暖性能，不单独考核生活热水性能，对生活热水加热性能只考核功能指标；在非供暖季节，只考核生活热水加热性能，无需考核供暖性能。
由于全天生活热水热负荷视为供暖热负荷的组成部分，生活热水使用过程中大部分热量在室内散发，成为供暖负荷的一部分，所以在供暖季节不单独考核生活热水对系统供热性能的影响不会对集成系统性能考核产生明显的影响。而且本文假设集成系统全天24h平均供热功率按50%系统额定供热功率计算，加热生活热水所需的热量通常只占住宅全天热需求的20%以下，在配备蓄热水箱的工整正常运行条件下，在系统部分负荷运行状态下加热生活热水是轻而易举的，无论对供暖运行和生活热水使用需求基本不会造成不良影响。
2.2 热源系统参数确定
集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统主要参数包括：系统额定供热功率、生活热水流量、太阳能全天平均供热功率、空气源热泵额定供热功率、燃气采暖热水炉供热功率以及蓄热水箱容积等。各种热源系统的性能要求汇总见表2。
系统额定供热功率是反应集成系统使用特性的主要指标，该指标其实就是规定供暖测试条件下的供热功率；而生活热水流量则是另一个使用性能指标，要求以规定的温度和流量输出生活热水。而其它指标只要针对热源系统，主要要求大致为：
——蓄热水箱容积和出水率应保证在蓄水温度达到55℃时能够满足全天生活热水需求。
——太阳能集热器面积应按冬季集热条件考核，本文推荐在日辐照量为12MJ/ m2的条件下，以循环方式供热温度/回水温度为45℃/30℃的全日供热量，应不小于系统全天供热功率的15%；而且在日辐照量为17MJ/ m2的条件下，单独将初始水温为20℃±5℃的蓄热水箱中的生活热水温度提高35℃以上。显然需要在两个条件中选择较大的集热面积。
——空气源热泵热水系统容量分两种配置方案考虑，在配套燃气采暖热水炉的系统中，空气源热泵在进风条件为15℃/12℃（DB/WB），在6h内单独将初始水温为15℃±1℃的蓄热水箱中的生活热水温度提高至55℃±2℃以上；而在不配套燃气采暖热水炉的系统中，空气源热泵在进风条件为2℃/1℃（DB/WB），以热水循环方式运行，供热温度/回水温度为45℃/30℃，在无燃气热源的系统，热泵额定供热功率应不小于系统额定供热功率。
——燃气采暖热水炉的容量应符合，生活热水加热能力应满足以规定的生活热水流量，持续将15℃的进水加热至45℃以上；供暖能力应满足以热水循环方式运行，供热温度/回水温度为45℃/30℃，供热量应不小于系统额定供热功率。
3 能效指标
在集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统中，消耗的能源有多种类型，包括太阳能、电能和燃气，同时也包括环境空气热源的利用，因此，在考核系统能效时，太阳能得热和环境空气热源得热不计入能量消耗，利用一次能源与电能转换系数，将电能折算为一次能源，以一次能源的单位消耗量获得的供热量作为能效考核指标，所以，提出集成系统一次能源全年能效因数的考核指标，如式（1）所示：
式中：
PAPFIES—集成系统一次能源全年能效因数
S—太阳能热水系统供热量，MJ；
H—空气源热泵系统供热量，MJ；
B—燃气采暖热水炉供热量，MJ；
Es—太阳能热水系统耗电量，kWh；
Eh—空气源热泵系统耗电量，kWh；
Eb—空气源热泵系统耗电量，kWh；
C—一次能源与电能转换系数，MJ/(kWh)；
G—燃气采暖热水炉耗气量，MJ；
i—季节代号，i＝1，春季和秋季；i＝2，夏季；i＝3，冬季。
为方便计算，春季、秋季和夏季的能效计算，以加热蓄热水箱的加热量作为供热量，而以加热这些热水所消耗的电能和燃气作为耗能量。而在冬季运行能耗中，假设全天以系统额定供热功率的50%的供热功率运行，由于太阳能得热量是以全天获得的全部热能测量的，在计算时将该得热量平均摊到全天计算其供热功率。各种辅助热源供热负荷计算见表3，各种系统集成方式的能效计算见表4，集成系统一次能源全年能效因数计算见表5。
需要特别说明的，是空气源热泵的能耗计算，不应按进水温度计算初始温度，因为在正常运行条件下，空气源热泵加热生活热水的初始温度均为进水与水箱中原有的热水混合后的温度，本文规定在春季和秋季，热泵加热运行的初始温度为35℃；在夏季，热泵加热运行的初始温度为40℃。至于太阳能集热器和燃气采暖热水炉的电能和燃气消耗，应按照其供热量而不是容量计算。
4结束语
集成空气源热泵或燃气采暖热水炉的太阳能供暖系统，能够较好地解决太阳能辐照不稳定问题，但是多种热源的联合运行产生的一系列问题需要妥善解决，本文推荐了一个基于供热性能导出的系统配置方案，以及系统全年能效指标。本文提出的性能试验方法仅仅是一个初步的构思，需要在相关工作中进一步完善。
