引言我国从20世纪80年代开始研究被动式太阳房，并取得了显著的成果[1-4]。主动式和被动式结合的太阳能采暖系统发展比较缓慢。采用带阳光的平房（以下简称太阳房）、热水集热器式太阳能和空气源热泵组成太阳能采暖系统，对系统进行测试和分析。1太阳能采暖系统1.1试验建筑概况试验建筑位于北京市怀柔地区，为单层住宅建筑，正南朝向，建筑面积60 m2，层高3 m。太阳房的地板被50 cm×50 cm的钢筋混凝土柱子架空；阳光间安装了18.2 m2的玻璃窗，公用墙的窗墙比为0.22。围护结构的热工参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.T001表1围护结构的热工参数结构特征传热系数/[W/(m2·K)]东、西、北墙砖墙370 mm+挤塑板0.40门/南窗单层玻璃5.70北窗双层玻璃3.10地层预应力混凝土空心板+挤塑板0.59屋顶防水层+保温层+钢筋混凝土0.82阳光间玻璃5.701.2采暖热负荷太阳房的建筑平面如图1所示。以太阳房的实际建筑为基础模型，利用DeST软件进行模拟，通过在建筑模型中增加阳光间，探讨应用太阳房的节能效果。太阳房模拟参数设置为：建筑物自然通风，室内无热扰，房间之间室内通风，室温为15.8~16.3 ℃。冬季太阳房逐时热负荷模拟值如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F001图1太阳房的建筑平面10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F002图2冬季太阳房逐时热负荷模拟值由图2可知，北京最冷月（1月）期间，太阳房的设计热负荷为3.2 kW，采暖热负荷为74.5 W/m2，安装阳光间后，太阳房整个采暖季的节能贡献率为28.9%。1.3采暖系统构成及运行模式太阳能采暖系统的热源由太阳能集热器和空气源热泵组成。主动式采暖系统的结构如图3所示。采用3台闷晒式真空管储水式太阳能集热器，倾角45°，总集热面积9.93 m2，总容积720 L，采用并联的连接方式，置于屋顶；辅助热源为输入功率为1 900 W的空气源热泵，热泵系统的蓄水箱体积为800 L，置于太阳房的设备间；室内采用低温热水地埋管辐射供暖，保温层为50 mm的聚苯板，地面铺设10 mm陶瓷面砖，内、外管径为16 mm和20 mm，地板盘管的辐射方式为回折型，管间距150 mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F003图3主动式采暖系统的结构室内温度低于控制系统的设置温度（15.8 ℃）时，判断太阳能集热器中的水温是否满足要求。满足要求值（30 ℃）时，启动太阳能集热供暖；太阳能集热器水箱中的水温低于30 ℃时，启动空气源热泵供暖。室温达到控制系统设置温度上限（16.3 ℃）时，停止工作。采暖系统中，辅助热源（空气源热泵）采用独立控制方式，辅助热源的工作不受太阳能集热器工作状态的影响，保证了采暖系统的稳定运行。为了防止夜间室外温度过低导致的管道结冰，在太阳能集热器的室外管道安装伴热带防冻系统。2结果及分析2.1太阳房的室内外温度2014年1月8日至15日对太阳房的室温进行测试。太阳房的平均室温如图4所示。测试期间，平均室温为16.2 ℃，室温范围为15.0~18.5 ℃。室外环境的平均温度为-6.3 ℃，范围为-13.3~4.5 ℃。14：00至次日10：00，室温稳定为15~16 ℃，夜间未出现低温状况。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F004图4太阳房的平均室温2.2系统运行情况连续测试7 d，试验期各天的天气情况相近，均为晴朗天气，气温接近。取1月10日的室内外温度分析系统的具体运行情况。太阳房室内外温度如图5所示。太阳房采暖系统的运行情况如图6所示。太阳能和热泵的水箱水温及热泵运行状况如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F005图5太阳房室内外温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F006图6太阳房采暖系统的运行情况10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F007图7太阳能和热泵的水箱水温及热泵运行状况将太阳房的采暖过程分为6个阶段：（1）第一阶段。蓄水箱供暖时间为22：30至次日9：50，蓄水箱温度32~40 ℃，太阳能水温为25~29 ℃，未达到采暖水温要求，房间温度为16 ℃。（2）第二阶段。非主动采暖时间为9：50~16：10。9：50~14：00阶段太阳辐射强度为626.5~887.8 W/m2，辐射得热使室温在13：00~13：45阶段达到峰值，为18.1 ℃；房间室温峰值的出现时间约为太阳辐射强度峰值出现（12：30）的1 h后，围护结构处于蓄热阶段；14：00~16：10阶段，太阳辐射强度由652.6 W/m2陡降为0，围护结构向房间散热，使房间室内温度维持不低于16 ℃。（3）第三阶段。太阳能热水供暖时间为16：10~18：20，热水温度30.0~45.7 ℃，水温低至30 ℃时停止工作。（4）第四阶段。18：20~18：40阶段，室温保持16 ℃以上，系统停止工作。（5）第五阶段。热泵供暖时间为18：40~19：50，室温达到设定值，停止供热。（6）第六阶段。系统均停止工作，时间为19：50~22：30。采暖系统存在两方面不足：可能出现室温低于系统设置值下限的情况，8：00~8：45和22：45~23：00阶段，室温均低于系统设置值下限（15.8 ℃），8：00和22：45时室温下降至系统设置值的下限，采暖系统开始启动，但地板传热具有惰性导致热量不能及时传入室内，房间温度上升出现延迟；热泵的运行时间集中在白天温度较低的时段，导致热泵能耗较高。3采暖系统能耗分析被动式部分的供热量为：Qps=∫0τGsvAsvdτ-∑i=1n∫0τKiFiTi,s-Tadτ (1)式中：Qps——被动式系统得热量，kWh；Gsv——南向垂直面太阳辐射强度，W/m2；Asv——南向垂直面面积，m2；Ki——围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；Fi——围护结构的面积，m2；Ti,s——室内空气温度，℃；Ta——环境温度，℃。主动式部分的供热量为：Que=∫0τCpsmhstf,in-tf,outdτ (2)式中：Que——集热器系统供热量，J；Cps——水的定压比热，J/(kg·℃)；mhs——循环水流量，m3/h；tf,in——进水温度，℃；tf,out——出水温度，℃。空气源热泵辅助热源系统的供热量为：Qh=∫0τCpwmhpth,out-th,indτ (3)式中：Qh——空气源热泵的制热量，J；Cpw——水的定压比热，kJ/(kg·℃)；mhp——循环水流量，m3/h；th,in——进水温度，℃；th,out——出水温度，℃。试验期间的系统总供热量为611.9 kWh，被动部分的供热量为121.5 kWh，主动部分的供热量为102.7 kWh，辅助热源系统的供热量为387.7 kWh。因为太阳房下部楼板与空气相通，向室外散热的热损失占采暖总供热量的18.7%，单位面积采暖负荷为43.2 W。系统各部分的供热比例及电耗如图8、图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F008图8系统各部分的供热比例10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.003.F009图9系统各部分的电耗4结语被动式阳光房的节能效果显著，无采暖辅助热源的情况下，通过DeST软件计算，采暖季的节能率为28.9%。试验期间，采暖系统出现室温低于系统设置值下限的情况，主要原因为系统启动时地板传热的惰性导致热量不能及时传入室内，房间温度上升出现延迟现象。采暖系统中，被动部分的供热量为121.5 kWh，主动部分的供热量为102.7 kWh，辅助热源的供热量为387.7 kWh，太阳能的贡献率为36.7%（被动部分为19.9%，主动部分为16.8%），系统主要能耗部分为空气源热泵辅助热源，为系统总能耗的88.5%，空气源热泵在每天气温最低的时候运行，导致能耗较高。