陈廷敏
（宁夏银晨太阳能科技有限公司，宁夏，石嘴山，753000）
【摘要】以宁夏银晨公司办公楼工程采暖工程为例，介绍了空气源热泵辅助太阳能采暖系统的设计指标和运行原理，并对其经济性、采暖效果、节能环保效益、稳定程度以及能源利用率进行计算与分析，探究太阳能采暖工程的实践应用效果。
【关键词】太阳能采暖；空气源热泵；效益分析
引言
近年来，可再生能源的利用成为了社会各界广泛关注的焦点。作为可再生能源，太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和经济性等优点，被公认为最具有竞争性的能源之一。
一、项目概况
本项目位于宁夏石嘴山市平罗县，始建于2011年6月，工期6个月。宁夏银晨太阳能科技有限公司科研楼是一幢局部4层框架结构建筑，屋顶形式为平屋顶，建筑面积2388m?。计划投资781.37万元。
1、项目位置及当地气候条件
项目所在地平罗县位于宁夏回族自治区北部，北纬38°53″－39°5″，东径106°20″－106°30″，东与内蒙古鄂托克前旗相临，西与阿拉善左旗接壤，南与银川市贺兰县、北与石嘴山市惠农区相连，面积2086.13平方公里。平罗县地处宁夏北部，处于中国季风区边缘，属中温带干旱气候区，具有明显的大陆性气候特征。雨雪稀少，日照充足，年降雨量199.6mm。四季分明，昼夜温差大，年平均气温为9.4℃，一年中以一月份的气温最低，月平均气温为－7.5℃，以七月份气温最高，月平均气温为24.0℃。极端最低温为－22.7℃，极端最高温为37.1℃。气温年较差平均为12.2℃－14.0℃。当地太阳能资源丰富，年平均日照时间2800－3100小时，日照保证率60%-70%，年太阳能辐射强度约3850－6036兆焦/平方米，是全国太阳能资源较丰富地区。
2、维护结构及采暖设备设置情况
科研楼墙体材料为混凝土空心砌块，具有保温隔热和减轻荷载的作用，外墙采用挤塑板阻燃保温材料，XPS挤塑板外保温传热系数≤0.48W/m?K。玻璃采光窗及幕墙采用中空钢化玻璃、断桥铝合金节能窗，传热系数2.7W/m?K。另外还采用空气集热器窗代替外围护砌体，减轻荷载，提高性价比，全楼共计50块空气集热器，集热面积103.02m?；其中一层14块空气集热器，集热面积28.85m?；二层14块空气集热器，集热面积28.85m?；三层11块空气集热器，集热面积22.06m?；四层11块空气集热器，集热面积22.06m?。全楼采用空气源热泵与风机盘管节能机组，夏季给楼内制冷换热；二层楼顶安装40块平板太阳能辅助空气源热泵与风机盘管节能机组供冬季采暖；女儿墙及大厅安装光伏板发电。其中女儿墙安装36块光伏板发电量3240w/h，大厅顶部安装92块光伏板发电量27600w/h。根据相关规范和设计要求，对研发中心进行采暖需求分析，计算出采暖设计指标如下：
①建筑物耗热量指标：=65W/㎡；
②太阳能日平均辐射强度(H)：太阳能日平均辐射强度5400－6700MJ/㎡；
③太阳能保证率设计值(f)：太阳能保证率设计值为30%～50%；
④集热器安装倾角：集热器安装倾角宜在33°53″－48°53″之间；
⑤集热器瞬间效率（ηo.a）：集热器瞬间效率为0.62～0.67；
⑥集热器总热损系数（U）：集热器总热损系数应≦0.2；
⑦环境和周围空气温度（ta）
整个冬季采暖周期为90天，按最冷月份月平均气温计算，平罗县全年最冷月份为1月份，月平均气温为－7.5℃。
（1）系统控制原理
在科研楼屋顶设置太阳能平板集热器，室外的空地上放置储热水箱和空气源热泵机组。太阳能平板集热器吸收热量，将换热介质加热，经由空气源热泵通过风机盘管将热量传送到室内，从而在建筑内发挥供暖的功能。该系统有三种运行模式：
①当太阳能辐射照度充足时，只开启太阳能制热模块，即可节能高效地满足楼内采暖需求。
②如果在多云天气或者是阴雨天气时，太阳能的辐射照度不能满足需求，则可启动空气源热泵制热模块与太阳能协同作用，即可消除由于太阳能的不稳定性对采暖效果的影响。
③当深冬极限天气出现时，太阳能集热器不能满足采暖需求时，热泵机组将在夜间低谷电时段对水箱循环加热，若空气源热泵也满足不了要求时，则可启动电辅助加热，避免室内温度下降。
（2）部件设计及选型
系统采用40组平板太阳能集热器，以40°的倾角安装，间隔3m分两排摆放。
采用直径1000mm的圆形水箱，水箱高1500mm，容量1177.5L，接口位置为上进下出式。
选取上海新杰功率为22kW，厂程25m，流量20t/h的水泵。
管道型号为主管道长20m、内外径?80mm，支管道长80m，内外径?60mm；保温材料采用40mm厚橡塑管。
电辅助加热设备型号为DKFXRS-64IIB，功率23700w，效率460%。
二、经济性分析
1、采暖效果检验
采用定时定点测定建筑内温度的方式检测系统的采暖效果。具体方法为自10月30日起至次年3月31日止，该时段为宁夏地区采暖需求周期，从上午5:00—7:00到下午17:00—18:00间10到12个小时的供暖时间内，分别于上午9:00、中午11:00、下午15:00三个时间段，测定科研楼室内温度，读取用电表读数，计算出日采暖耗电量，并记录下当日天气。
对所收集5个月的数据进行分析，得出室内外平均温度对比曲线，直观地反映应用该系统采暖的实际效果。为探究不同方式下系统发挥作用的程度，对于有空气集热器辅助的房间以及采用地暖管的一层检测中心，数据分析与其他房间分别进行。
对比分析平均温度，随室外温度的波动，室内温度始终恒定在20℃至15℃之间，受空气源热泵原理影响自12月份天气进一步变寒冷后，室内温度略有下降，但始终不低于15℃。室内温度曲线走势平稳，说明采暖效果比较稳定。通过采用不同采暖形式的三个房间间的对比，可以看出，采用空气集热器辅助的房间在气温不是很低的11月份效果最好，随着室外温度的降低，空气集热器的辅助效果逐渐减弱。而采用地暖管的一层检测中心则随着天气逐渐寒冷采暖效果愈见突出。
2、经济性分析
根据数据记录，采暖周期5个月内供热系统耗电数据情况如下：
11月份：11745.92（kW?h）；12月份：14463.28（kW?h）；1月份：18668（kW?h）；2月份：7616（kW?h）；3月份：7120（kW?h）；
以上数据为每日24小时供暖月总耗电量，其中2月份数值较小是因为春节假期员工放假，系统停止运行。3月天气回暖，系统不需每天开启，且于3月22日后停止供暖，因此本月耗电量也较少。
当地电价为0.5元每kW?h，系统初投资781.37万元，经计算本项目静态投资回收期为11年。减排效益为降低CO2排放量81t/年，费效比1.49元/kW?h。
三、结论
空气源热泵辅助太阳能采暖工程系统能够满足宁夏地区冬季建筑采暖的需求，且采暖效果比较稳定；空气集热器辅助室内升温的方式在气温不低于零度时效果显著，室外温度降低时辅助效用将会散失；太阳能热水结合地暖管采暖的形式不受外界温度影响，在气温较低时采暖效果仍然显著。
空气源热泵辅助太阳能采暖工程经实践验证，不仅具有良好的可行性与经济性，且采暖效果显著、稳定。系统利用无毒、无害、清洁的可再生能源太阳能与空气能，辅助少量电能即可有效发挥作用，能耗较低，能源利用效率高，对环境的影响较小，适用于建筑采暖具有明显优越性。