1工程概况选择山西省长治市某农村建筑作为采暖对象，建筑为长治市及周边市居民建筑的主要房屋类型，是一栋单层建筑，采暖建筑平面如图1所示。文中只对主卧进行采暖，其他房间不进行采暖设计。根据实地测量，采暖主卧室高3.4 m、宽3.6 m、长5.5 m，窗户尺寸为1.5 m×0.9 m。建筑围护结构如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F001图1采暖建筑平面（单位：m）10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T001表1建筑围护结构围护结构建筑构造传热系数/[W/(m2·℃)]外墙20 mm水泥砂浆0.8325 mm挤塑聚苯板20 mm水泥砂浆200 mm钢筋混凝土40 mm细石混凝土屋顶40 mm挤塑聚苯板0.7725 mm水泥砂浆30 mm水泥陶粒混凝土120 mm钢筋混凝土外墙普通中空玻璃（中空12 mm）遮阳系数0.8302.902太阳能联合空气源热泵采暖系统设计2.1采暖负荷计算根据《太阳能供热采暖工程技术标准》[1]（GB 50495—2019），太阳能集热系统的采暖负荷是采暖期室外温度为平均气温条件下的建筑物耗热量。QH=QHT+QIFT-QIH (1)式中：QH——建筑物耗热量，W；QHT——围护结构耗热量，W；QIFT——空气渗透耗热量，W；QIH——建筑物内部得热量，W。根据《暖通空调》[2]中建筑内部得热量的计算公式，依据采暖建筑的设计环境，取采暖建筑内部单位面积的得热量为3.8 W/m2。计算得出采暖房间的总采暖热负荷为1 608.9 W，根据总采暖热负荷计算单位面积采暖负荷为81.3 W/m2。2.2采暖系统构成及运行原理太阳能+空气源热泵采暖系统由太阳能集热单元、空气源热泵、采暖末端单元、循环水泵、控制单元及辅助设施组成。太阳能集热器获取太阳辐射将其转化为热量，加热热媒，热媒通过散热器对流和辐射散热为室内提供热负荷。太阳能集热器提供的热量不满足房间的采暖需求时，启动空气源热泵为室内采暖[3]。空气源热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀以及缓冲水箱组成，应进行保温防冻处理，采用电伴热带防止系统出现冰堵现象。太阳能联合空气源热泵采暖系统的运行原理如图2所示。采暖系统由智能控制仪YL-6控制，电源开启，采暖系统启动。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F002图2太阳能联合空气源热泵采暖系统的运行原理太阳能辐射强度较大时，太阳能集热器将太阳能转化为热能传递给介质水。水温到达40 ℃时，水温水位探头T2将温度传到YL-6控制仪，控制仪控制太阳能水泵运行，太阳能集热器运行供暖，此时空气源热泵停止运行。太阳能辐射较弱时，太阳能集热器吸收太阳辐射少，制热能力变弱，此时集热系统中的水温逐渐降低。当温度降低到40 ℃时，控制仪控制太阳能热水泵停止运行，此时空气源热泵启动，空气源热泵运行产生热水，给室内提供热负荷，保证室内温度的稳定。当太阳能辐射强度逐渐增强，将太阳能集热器的热水加热到40 ℃时，水温水位探头T2将温度传给YL-6控制仪，控制仪控制太阳能热水泵运行，此时空气源热泵停止运行，由太阳能集热器提供热水。太阳能联合空气源热泵采暖系统根据太阳能集热器的制热能力来调节控制采暖系统的运行，最大限度地利用太阳能资源。3采暖系统测试分析3.1测试方法测试期间被测试的供暖系统运行良好，数据采集在系统连续运行的状态下完成。开始收集数据时，被测试系统至少连续运行10 d，室内温度应稳定在(18±2) ℃[2]。测试时间不少于3 d。3.2测试内容室内外参数：干球温度。空气源热泵和太阳能集热器：机组耗电量、机组进出水温度、集水器出水温度和太阳辐射强度。测试仪器汇总如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T002表2测试仪器汇总仪器名称型号测试对象仪表精度温度传感器TE太阳能集热器、空气源热泵进出口温度0.1温度记录仪HOBO室内外温度±0.21 ℃总辐射表PSP太阳能辐射强度0.01智能电量测试仪W400耗电量0.013.3测试时间测试时间选择该项目所在地区最冷月，如果太阳能联合空气源热泵采暖系统满足最冷月的供暖需求，其他时间段的供暖需求也可以满足。山西长治地区最冷月为1月，测试时间为2021年1月10日至2021年1月16日。3.4数据采集分析采暖系统的运行效果，应首先分析采暖系统的单日得热量，系统有效得热量的计算公式为[4]：QS=ρwcPWVs(te-tb) (2)式中：QS——日有用得热量，MJ；ρw——水的密度，根据《暖通空调》[2]附录3-3，取值999.8 kg/m3；cPW——水的比热容，取4.2×103 J/(kg·℃)；Vs——贮热水箱容量，取350 L=0.35 m3；te——日有用得热量测试终止温度，℃；tb——日有用得热量测试开始温度，℃。太阳能运行数据如表3所示。空气源热泵运行数据如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T003表3太阳能运行数据日期太阳辐射量/(MJ/m2)日照时长/h室温/℃集热器水温（8：00）/℃集热器水温（16：00）/℃温差/℃有效得热量/MJ1月6日13.47.919.815816697.01月7日9.67.218.117553855.81月8日14.77.819.216796392.61月9日13.4819.514766291.11月10日12.97.618.917826595.41月11日13.18.119.416776189.61月12日14.28.220.1137875110.210.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T004表4空气源热泵运行数据日期平均室内温度/℃室外温度/℃耗电量/kWh1月6日19.3-18～014.321月7日18.7-19～-918.611月8日19.2-15～-512.461月9日19.8-13～-112.95.续表4　空气源热泵运行数据10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T005日期平均室内温度/℃室外温度/℃耗电量/kWh1月10日18.9-11～-213.981月11日19.6-8～-212.621月12日20.1-5～713.764测试结果分析4.1室外干球温度分析根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012），依据长治地区的气候条件得冬季采暖室外计算温度为-6.6 ℃。室外干球温度实测结果如图3所示。测量期间，除了1月7日和1月8日的室外干球温度平均值与室外设计温度相差较大，其他日期的室外干球温度平均值与室外设计温度相差不大。系统选取的室外设计温度与实际值相符，长治地区的冬季室外温度相对稳定，符合采暖系统的设计要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F003图3室外干球温度实测结果4.2太阳能辐射强度分析太阳能辐射强度实测结果如图4所示。太阳能辐射相对稳定，测试数据与长治地区太阳能年平均日辐射量(13.38 MJ)相近，太阳能集热器获取太阳能资源稳定性。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F004图4太阳能辐射强度实测结果4.3室内温度分析室内温度实测结果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F005图5室内温度实测结果由图5可知，测试期间，室内温度均在18 ℃以上，采暖系统符合设计的采暖要求。在采暖系统实际推广过程中，应该考虑资金投入，适当减少太阳能集热器和散热器的面积。4.4太阳能集热器供回水温度分析太阳能集热器供回水温度如图6所示。太阳能资源稳定时，太阳能集热系统的运行效率稳定，提供热水的温度相对稳定。太阳能集热器在14：00时运行效率最好，此时系统的运行效果最佳，热水温度值最大，太阳能集热器运行相对稳定。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F006图6太阳能集热器供回水温度4.5空气源热泵供回水温度分析空气源热泵的供回水温度也是影响室内供暖效果的直接因素，空气源热泵的运行效果直接决定室内的供暖效果。空气源热泵供回水温度实测结果如图7所示。空气源热泵系统运行良好，在太阳能资源不足时，空气源热泵的运行可以满足室内的供暖效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.F007图7空气源热泵供回水温度实测结果4.6太阳能采暖保证率分析太阳能采暖保证率是采暖系统中太阳能供给的能量占整个系统供给能量的百分比。根据《北方农村户用太阳能采暖系统性能测试及评价方法》[5]（NB/T 10151—2019）可知太阳能采暖保证率公式[6]为：f=QtQZ×100% (3)式中：f——太阳能采暖保证率，%；Qt——测试期间太阳能的供热量，MJ；QZ——测试期间系统总供热量[5]，MJ。太阳能采暖保证率如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T006表5太阳能采暖保证率日期采暖保证率日期采暖保证率1月6日731月10日741月7日581月11日691月8日631月 12日781月9日68%1月7日采暖系统的太阳能保证率最低，为58%。原因可能这天的天气温过低，太阳能集热器运行效果较差。其他日期的太阳能保证率均在60%以上，太阳能采暖保证率符合本地区的限值要求。太阳能采暖系统在本地区的运行状况良好。5系统的经济性、节能性和效益性评价5.1经济性经济性分析主要包括初始投资费用和运行费用[7]。对比不同太阳能采暖系统的初始投资、运行费用和单位面积采暖费用。各类型清洁能源经济性比较如表6所示。不同太阳能采暖设备的年运行费用相差不大，太阳能+电能的单位面积采暖费用较高，太阳能辅助其他能源采暖的单位面积采暖费用相差较小。辅助能源为空气源热泵的系统初始投资较大，但从长远采暖考虑，太阳能+空气源热泵更具经济性，与其他辅助能源相比，空气源热泵节能效果更好。综合分析分析各种因素后，太阳能+空气源热泵采暖系统的经济性更好。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T007表6各类型清洁能源经济性比较清洁采暖类型初投资/万元年运行费用/万元折合采暖费/（元/m2）太阳能+空气源热泵1.2~1.30.10~0.1210~12太阳能+生物质能0.7~0.90.09~0.139~13太阳能+电能0.8~1.10.20~0.2920~29太阳能+燃气能0.9~1.20.10~0.1210~125.2节能性常规能源替代量QC为：QC=Qtq×η (4)式中：QC——系统的常规能源替代量，千克标准煤；Qt——测试期间太阳能的供热量，MJ；q——常规能源热值，MJ/千克标准煤；η——常规能源为热源时的运行效率。各类型能源热值如表7所示。常规能源为热源时的运行效率如表8所示。根据公式计算系统常规能源替代量，测试期间的平均供热量为139.1 MJ，供暖期为150 d。常规能源替代量为792.1千克标准煤。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T008表7各类型能源热值能源类型热值电3.6 MJ/kWh天然气38.6 MJ/m3煤29.27 MJ/kg10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T009表8常规能源为热源时的运行效率能源类型运行效率电90天然气90煤、生物质70%5.3效益性参考《北方农村户用太阳能采暖系统性能测试及评价方法》[5]（NB/T 10151—2019），根据常规能源替代量计算二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、颗粒减排量和氮氧化物减排量。各污染物减排量如表9所示[5]。M为减排量，EF为排放因子。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.010.T010表9污染物减排量污染物类型减排量公式减排量/kg二氧化碳MCO2=QC×EFCO22 059.46二氧化硫MSO2=QC×EFSO21 0005.86颗粒物MPM=QC×EFPM1 00010.69氮氧化物MNOX=QC×EFNOX1 0001.276结语太阳能联合空气源热泵采暖系统有着良好的经济效益、节能效益和环境效益，是值得推广的清洁能源采暖方式。太阳能采暖应与建筑节能结合，在应用太阳能联合空气源热泵采暖系统时，对房屋进行适当改良，房屋改良后可以降低单位面积采暖负荷。合理利用资源，充分利用太阳能资源和太阳能集热器，在太阳能集热器外加蓄热水箱，可以满足一年四季的热水需求，提高设备使用率和太阳能资源的利用率。