引言2017年，中国建筑能源消费总量为9.47亿吨标准煤，农村居住建筑能耗为2.23亿吨标准煤，占比为23.55%[1]。我国农村建筑能耗不容忽视。我国北方农村地区住宅多使用砖木，普遍使用年限长，房屋有一定程度的损毁，门窗年老失修、封闭性差，围护结构传热系数大，使热量散失，增大了建筑负荷。北方农村地区冬季供暖主要以燃烧煤、秸秆等燃料为主，采暖设备的燃烧效率普遍较低，燃料燃烧不充分，造成了能源浪费，燃烧产生的有害气体严重威胁人们的健康，是造成雾霾的主要因素。太阳能作为清洁可再生能源，储量巨大且不会对环境造成污染，利用方便，能够节省大量的人力物力。但太阳能具有分散性，能量巨大但密度低，需要大面积的集热器进行收集；太阳能具有间歇性，夜晚收集不到太阳能，且受天气因素影响较大，需要与储能装置相结合，以保持系统的稳定性。空气源热泵是应用较广泛的热泵技术，主要优点包括空气使用不受限、系统安装简便、占用面积小、投资费用低、结构简单、便于日常管理维护；缺点是机组效率一般，机组效率在温度低时较低，在较冷天气下运行时，机组效率低甚至不能正常使用[2]。对太阳能集热系统与空气源热泵系统在我国严寒地区超低能耗农村住宅的实际应用进行系统构建，弥补各自单独采暖的缺陷，充分利用了可再生能源，满足农宅的供热需求。研究主要集中在系统组成、耦合方式、控制模式及系统优化等方面。1太阳能-空气源系统构建1.1系统组成太阳能-空气源热泵耦合供暖系统分为3个部分，分别为空气源热泵辅助供热系统、蓄热系统和太阳能集热系统。空气源热泵辅助供热系统主要设备为空气源热泵；蓄热系统主要设备为蓄热水箱；太阳能集热系统主要设备为平板式集热器、循环泵、换热器。太阳能-空气源热泵耦合供暖系统应用于农村地区，对集热器与建筑的结合具有较高要求，由于农村地区的太阳能-空气源热泵耦合供暖系统维修不便，要求系统的故障率低，避免频繁的维修；由于太阳能-空气源热泵耦合供暖系统维护不方便，对部件的寿命提出较高要求。平板集热器结构简单，抗压、抗冲击、抗冷热能力强，具有故障率低、使用寿命长等优点，易与建筑结合[3]。因此，选取平板集热器作为研究对象。空气源热泵适用范围广、能效高，但是冬季夜间温度极其低时，热泵的能耗比随室外温度的降低而降低，与建筑热负荷需求矛盾，室外温度低于热泵平衡点温度时，蒸发器中介质的蒸发温度低于临界点，造成结霜现象，使传热效率降低[4]。将太阳能和空气源热泵技术进行互相补充，是建筑节能的主要研究方向之一。冯国会[5]等研究沈阳地区净零能耗建筑，选取不同种类的可再生能源系统进行适宜性分析。李业绩[6]等对比北方农村地区常见的取暖方式，从多种清洁暖方式中，选取太阳能耦合空气源并联供暖，实现了供暖的清洁与稳定。高光跃[7]提出吸收式热泵、太阳能、蓄热电锅炉相结合的系统形式，提升了清洁能源的利用率。赵芝蓉[8]等以内蒙古地区工厂作为研究对象，以COP及费用年值作为评价指标，利用正交优化的方法，得出系统的最佳组合参数。太阳能-空气源热泵耦合供暖系统结构组成如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F001图1太阳能-空气源热泵耦合供暖系统结构组成1.2系统运行模式及控制策略太阳能-空气源热泵耦合供暖系统具有两种运行模式，分别为太阳能单独供热模式和空气源热泵单独供热模式。为了最大限度利用太阳能，太阳能利用的优先级大于空气源热泵，在满足太阳能单独供热的条件下，优先使用太阳能。系统的控制策略如下：（1）太阳能集热循环：太阳能集热循环系统采用温差控制逻辑进行控制，换热器供回水温差小于2 ℃时，关闭集热循环。换热器负荷侧供回水温差大于5 ℃，且负荷侧供水温度大于45 ℃时，开启集热循环。为了防止蓄热水箱内的水过热，设定过热保护温度为55 ℃，蓄热水箱温度高于55 ℃时，立即切断太阳能集热循环。（2）空气源热泵循环：建筑热负荷存在、蓄热水箱温度低于44 ℃时，热泵启动进行补热，蓄热水箱温度高于46 ℃时，空气源热泵关闭。（3）供暖末端循环：只要建筑具有热负荷，就启动末端循环水泵。2建筑负荷动态模拟及设备选型2.1建筑动态负荷模拟朝阳地区位于寒冷A区，在我国太阳能资源分区中属于资源较丰富区，具有较为优越的太阳能资源利用优势。选取辽宁省朝阳市某村庄二层住宅作为研究对象，建筑长10.9 m、宽9.1 m、层高3.1 m，主功能房间温度设计为18 ℃，次功能房间温度设计为16 ℃。建筑围护结构严格按照《超低能耗农宅技术规程》（T/CECS 739—2020）选取。房间平面结构及换气次数如图2所示。超低能耗农村住宅主要围护结构参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F002图2房间平面结构及换气次数（单位：次/h）10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.T001表1超低能耗农村住宅主要围护结构参数围护结构部位传热系数屋面0.30外墙0.30地面0.45楼板0.55隔墙1.55外窗1.20W/(m2·K)使用DeST软件对农村住宅供暖季的逐时热负荷进行动态模拟，农村住宅全年逐时动态负荷如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F003图3农村住宅全年逐时动态负荷由图3可知，农村住宅全年最大热负荷为6.70 kW，累计热负荷为4 980.79 kWh，供暖面积为183 m2，全年累计热负荷指标为27.21 kWh/m2。2.2系统设备选型2.2.1太阳能集热器选型依据《太阳能供热采暖技术规范》（GB 50495—2019）规定，考虑冬季防冻等原因，不能使用直接太阳能集热系统，应选用间接太阳能集热系统。短期蓄热直接系统集热器总面积Ac为：Ac=86 400QJfJTηcd(1-ηL) (1)式中：Ac——直接系统集热器总面积，m2；QJ——系统设计负荷，W；f——太阳能保证率，％；JT——12月平均日太阳辐照量，J/(m2·d)；ηcd——平均集热效率，％；ηL——管路及贮热装置热损失率，％。间接系统集热器总面积AIN为：AIN=Ac(1+ULAcUhxAhx) (2)式中：AIN——间接系统集热器总面积，m2；UL——集热器总热损系数，W/(m2·℃)；Uhx——换热器传热系数，W/(m2·℃)；Ahx——间接系统换热器换热面积，m2。最终选取的集热器面积为14 m2，瞬时效率截距为0.75，一阶热损失系数为15 W/m2，二阶热损失系数为0.05 W/(m2·K2)。2.2.2蓄热水箱选型不同集热系统对应的蓄热水箱体积具有差异，目前水箱的选取主要依靠单位面积集热器对应的水箱容积确定，短期蓄热液体工质太阳能集热系统中的太阳能集热器面积对应容积按照40~300 L/m2选取，取100 L/m2，经计算水箱的体积为1.4 m³。3供暖系统动态模拟及结果分析3.1系统模型的建立利用Trnsys仿真模拟软件建立系统仿真模型，以原理图作为基准，对系统的相关模块进行选择，并对模块的参数进行设定，最后对模块进行连接，组成完整的系统。系统使用的主要模块包括平板式集热器模块、定速水泵模块、换热器模块、分层水箱模块、分水器模块、集水器模块、理想末端模块、温差控制模块、负荷模块、在线绘图仪模块、输出模块等。太阳能-空气源耦合供暖系统模拟结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F004图4太阳能-空气源耦合供暖系统模拟结果3.2系统模拟结果分析全年共8 760 h，以1 h为步长，对系统的蓄热水箱出水温度及末端供水温度进行模拟，系统温度曲线如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F005图5系统温度曲线在整个供暖季节，蓄热水箱的温度一般能够很好地保持在45~50 ℃，个别情况下蓄热水箱温度会略微超过50 ℃，或者略微低于45 ℃。供暖初期及供暖末期，会出现蓄热水箱温度偏高的情况，可能因为供暖初期及末期，热负荷偏小，太阳能集热器收集的热量未被全部利用，导致的蓄热水箱温度上升，但从整体角度观察发现，末端的供水温度还是保持在45 ℃左右，具有较好的稳定性，可以较好满足建筑供暖的需求。选取1月1日~1月7日共7 d进行模拟，模拟分析得出太阳能集热器在这段时间白天的具体运行情况。太阳能集热循环与空气源热泵运行时间如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F006图6太阳能集热循环与空气源热泵运行时间由图6可知，7 d内，太阳集热器开始收集热量的时间约在9：00，太阳能集热系统停止循环的时间大约在15：00，太阳能集热系统集热的时间大约为6 h，但会受天气影响时间有所增加或减少。太阳能集热刚刚开始时，空气源热泵仍在运行当中，因为在集热初期，太阳能收集的热量还不足以完全承担建筑的热负荷，需要空气源热泵进行辅助，因此太阳能完全承担室内热负荷的时间相应缩短。太阳能停止收集热量之后，存在蓄热水箱中的热量在一段时间内，仍能承担室内的热负荷，维持的时间受日照强度以及建筑热负荷等因素影响而有所波动。太阳能集热器收集的热量可以完全承担建筑负荷的时间约为8~9 h，在此期间空气源热泵不需要进行辅助加热。对系统在1~12月份的热泵逐时制热量和集热量进行积分，得到每月的制热量和集热量数据。系统逐月制热量与集热量如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.006.F007图7系统逐月制热量与集热量由图7可知，在1月~3月，热泵的制热量呈现逐步下降的趋势，因为室外温度的升高，建筑热负荷减小。1月~2月集热器的集热量基本持平，为300 kWh，3月份，集热量降低，这是因为随着建筑热负荷的减小，蓄热水箱内温度较高，不满足太阳能集热器的启动条件，太阳能集热器循环时间较短，集热量减小。11月~12月，热泵的制热量逐渐升高，太阳能集热器的集热量也逐渐升高。4结语以朝阳市某超低能耗农宅为研究对象，提出太阳能耦合空气源热泵供暖系统，运用DeST及Trnsys软件分别对农宅的热负荷及系统运行情况进行模拟，得出以下结论：（1）对超低能耗农宅逐时热负荷进行模拟分析，由于门窗高度的气密性以及低传热系数的围护结构，与传统农宅相比在建筑热特性方面具有非常大的优势，其冬季建筑所需热负荷非常低，全年最大热负荷为6.70 kW，累计热负荷为4 980.79 kWh。（2）太阳能耦合空气源热泵供暖系统全年的供水温度维持为45~50 ℃，个别情况下蓄热水箱温度会略微超过50 ℃，供暖初期、末期供水温度会略微升高，但系统具有良好的系统稳定性。（3）模拟系统在较冷日的运行情况，时长为7 d，太阳能系统每天运行时长为7~10 h不等，太阳能系统工作时间平均为8 h，期间空气源热泵无须运行，大大降低了空气源热泵在低效率下的运行时间。超低能耗农宅的低热负荷以及对供水温度要求较低的特性，使得系统产生的低温热水能与建筑的热需求较好地吻合，该系统运行稳定，且能够最大限度地利用太阳能资源，实现与空气源热泵的优势互补，对未来该系统与超低能耗建筑在农村地区的推广与普及起到了一定的借鉴作用。