甘肃省建筑设计研究院有限公司包欣苏继程毛明强赵立新
摘要：对甘肃省寒冷地区兰州某农宅加装太阳能屋顶蓄热温室，在此温室中放置空气源热泵室外机组，尝试将太阳能蓄热与空气源热泵供暖系统结合，进行了理论计
算分析，并对此系统的运行状况进行了实测。实测结果标明，太阳能屋顶蓄热温室白
天室温可高达50℃以上，有着较大供暖潜力；按照当地居民用电每0.5元/（kW·h）测
阿洛酮糖算，整个供暖季（150天）的费用可以降低到20.8元/m2。
关键词：太阳能；蓄热；温室；空气源热泵；供暖
资助项目：甘肃日照丰富地区单层民居太阳能屋顶蓄热温室空气源热泵供暖试验研究（KY2017-NR02）
DOI编码:10.16641/jki11-3241/tk.2021.01.020
Test and analyst of air source heat pump heating system on a rural residential roof solar energy storage greenhouse
Gansu Province Architectural Design and Research Institute Co.Ltd.
Bao Xin，Su Jicheng，Mao Mingqiang，Zhao Lixin Abstract：A solar energy storage greenhouse was installed on a rural residential roof located in Lanzhou，a cold region in Gansu Province，an outdoor unit of air source heat pump was placed in it，and the solar heat storage was combined with the air source heat pump heating system.Theoretical calculations were carried out and the operating conditions of the system were measured.The result indicates that the indoor temperature of the greenhouse is over50℃in the daytime，which has a large heating potential.According to the caculation local residential electricity price of0.5yuan per kilowatt hour，the cost of a entire heating season（150days）can be reduced to20.8yuan per square meter. Keywords：solar energy；heat storage；greenhouse；air source heat pump；heating
0引言
近年来，政府、社会对清洁供暖越来越重视，政府各级部门、科研机构、高校及企业都在尝试各种清洁能源供暖的研究工作。随着
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农村生活水平的提高，农村居民对室内温度的需求已经趋近于城镇，农村土暖气锅炉－散热器的供暖方式已经渐渐取代土炕和火炉取暖［1］。近年来空气源热泵+散热器的供暖方式也逐渐增多，但室外温度较低时可能存在空气源热泵机组效率下降较多，能效比（COP）约为1.4［2］，导致供暖电费偏高。相对于单一的空气源热泵系统，空气源热泵辅助太阳能供暖系统具有较好的运行性能，但其中太阳能利用率还是不高，相关实测表明太阳能贡献率仅4.87％［3］。太阳能-地源热泵联合供能系统具有良好的运行效率，但是该系统结构复杂，初投资较高，系统性能的可靠性、稳定性有待于进一步验证［4］。现在对各种太阳能被动房的研究也较多，但因其对已有房屋改造量大，初投资较多［5］，所以也有其推广的局限性。
在实际工作中经常遇见新农村改造的项目，分散且空置率越来越高的农宅不适用集中供暖，而太阳能和空气源热泵的缺点也十分明显。为将我国北方丰富的太阳能资源和空气源热泵技术有效结合，降低农户的实际运行成本，本研究初步尝试将太阳能、蓄热温室以及空气源热泵供暖系统三者有机结合，以期探索一条初投资和运行费用更低的供暖方案。实验是对甘肃省寒冷地区某农村一套现有住房进行局部改造，加装太阳能屋顶蓄热温室以及空气源热泵系统。改造后这栋房屋可以在冬季白天有日照时
利用风机将屋顶蓄热温室内的热空气直接供给室内使用，即可达到18℃以上的供暖要求，而不用额外的热源。在夜间，则可以利用太阳能屋顶蓄热温室里在白天已蓄的热能，为空气源热泵提供较高的环境温度，从而提升空气源热泵机组的COP值。根据相关文献［6］［7］论述，甘肃广大地区降水逐年增多，对空气中的大气污染物有抑制作用，各地年太阳总幅射值逐年增多，更有利于太阳能的利用。
1实验设计
实验对象位于兰州市周边农村（寒冷地区），被改造农户住房有两层，其中一层为汽车库和农具库（不作为实验对象），二层为生活用房。生活用房主要包括两间卧室、一间客厅和一间厨房。按照农户要求，仅为两间卧室和一间客厅供暖，供暖面积为57.1m2，建筑面积为87m2。面积较小的卧室各设1台风机盘管，面积较大的客厅设2台风机盘管，室外机设于屋面太阳能蓄热温室。本套住宅外墙无保温，屋面敷设约10cm炉渣，窗户使用单层钢窗。客厅和两个卧式均采用一个东朝向暖廊连接。
实验所建太阳能蓄热温室朝向正南，受房间形状和实验资金限制，蓄热温室面积
26.4m2。蓄热温室顶设电动保温卷帘，无日照时，可将电动卷帘放下以达到较好的保温效果。蓄热温室顶面采用双层阳光板，四周采用10cm厚彩钢保温夹芯板。水是太阳能系统中最常用的蓄热介质，岩石是除水以外应用最广的蓄热介质，岩石价格低廉，容易取得［8］。本实验蓄热材料选用我国北方各地均很容易获取的鹅卵石作为蓄热介质。改造实验结构示意如图1所示，改造完成后实物图片如图2
所示。
图1太阳能蓄热温室原理图
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原实验改造预期是在蓄热屋面与供暖房间之间开洞接风道，在白天利用风机将蓄热温室中的热空气直接送入室内供暖，但因住户临时改变主意未能如此改造。改造费用（包括2万元的整套空气源供暖系统）大约为3.2万元左右，其中屋顶蓄热温室成本大约为1.2万元。比传统的太阳能集热供暖系统要
nfj金属防静电不发火>拉链鞋低。
2理论计算
实验开始前进行相关理论计算，以确定热泵设备选型、蓄热材料用量，并预估保温效果及蓄热温室有效得热量等内容。根据屋面尺寸及施工要求最终将蓄热温室尺寸定为图3所示：
2.1
保温计算
蓄热温室四周除了采光面，其它面都用了彩钢夹芯板。彩钢夹芯板的保温材料为聚苯乙烯泡沫塑料，厚度10cm ，整体传热系数K 为0.51W/（m 2·K ）。考虑到夜间散热，采光
面上夜间设置保温卷帘。nhdt-471
设计条件：温室内温度最低-7℃（空气源热泵机组的名义制热量下的环境温度），最高温度30℃。兰州的冬季供暖室外计算温度：-9.0℃。采光面面积F 约为28m 2，非采光面面积约为32m 2。根据厂家提供数据，双层阳光板的传热系数K 取值为3W/（m 2·℃），保
温卷帘传热系数K 取2W/（m 2·℃）。每日非日照时间均考虑为散热时间，为16h 。根据公式：
Q=K·F·Δt
（1）
式中：Q 为蓄热温室的散热量，W ；
K 为围护结构的传热系数，W/（m 2·℃）；
F 为围护结构的面积，m 2；Δt 为蓄热内外温差，℃。
经计算：非采光面散热量为26MJ ，不加保温卷帘设计散热量为133MJ ，加保温卷帘设计散热量为53MJ 。因此可以不加保温卷帘蓄热温室每天总散热量计算值大约为159MJ ，加保温卷帘后的蓄热温室每天总散热量计算值大约为79MJ 。
2.2
蓄热材料计算
兰州地区居住建筑的冬季每平方米每天需要4.32MJ 的供暖热量（根据《城镇供热管网设计规范》按50W/m 2供暖热指标计算）。鹅卵石比热容约为1000J/（kg·℃），密度大约为1500kg/m 3，按笔者过经验温室内温度至少可以达到30℃，温差Δt 按30-（-7）=37（℃）。则根据公式：
Q=c·m·Δt
（2）
式中：c 为蓄热材料比热容，J/（kg·℃）；
m 为蓄热材料质量，kg ；
Δt 为蓄热温差，℃。
计算出大约需要117kg/m 2鹅卵石蓄热。换算成敷设厚度，大约为7.8cm 。
本实验对象有57m 2供暖面积，则共需要
6669kg 鹅卵石。蓄热温室地面面积仅26.4m 2，经计算需要铺设16.8cm 的鹅卵石才可以满足蓄热要求。如果4.32MJ
是每平方
图2
屋顶蓄热温室现场照片
图3屋顶蓄热温室尺寸图
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米房间全天的供暖负荷，考虑到蓄热的目的主要是为夜间蓄热，白天蓄热温室有直接日照时（从早上九点至下午五点左右共八个小时）供热量约占总供暖负荷的20%，铺设量至少可以减少20%，降为13.5cm 。
即本实验温室大约需要铺设13.5cm 厚度的鹅卵石才能满足无直接日照时16h 蓄热需求，即从理论计算上该项目需要铺设3.56m³的鹅卵石即可满足实验房间的蓄热需求。但在实际敷设时，农户改变主意，仅同意敷设5cm 左右厚度的鹅卵石，即从理论上仅能满
足5.9h 的蓄热需求。
2.3
可有效利用热量计算
根据兰州地区纬度和海拔，从NASA 中查到的兰州地区理论水平面辐射强度，如表1中所示。考虑到大气透明度的修正系数0.80，实验所选双层阳光板透光率大约为
0.75，总的修正系数为0.6，可得出实际可利用辐射强度，根据温室面积26.4m 2，可得出实际可利用总热量。
如果本实验房屋的供暖热负荷为50W/m 2，
则每天本实验房屋的冬季每天大约需要4.32MJ/m 2的供暖热量，一天需要247MJ 供热量。因此对比表1数值可以看出，兰州十二月的太阳能实际可利用一天总热量为167MJ ，为各月份中实际可利用总热量中最低的。在实验条件（蓄热温室净面积与房间供暖净面积比为0.46）下，如果使用充分，兰州地区仅太阳能蓄热这一块就可以满足冬季供暖负荷至少67%以上的量。
3实验数据及分析3.1
实验系统搭建
根据实验需要，选用了空气源热泵机组作为供暖热源，风机盘管作为室内供暖末端。空气源热泵机组主要参数：额定制热量10000W ，额定制热功率2200W ，额定制热系数4.55W/W 。制热环境温度范围：-25℃～30℃。室外机将周围环境中的热量吸收，通过冷媒将热量传递至水模块，再由水模块通过水将热量传递至风机盘管给室内供暖。供暖系统原理如4所示：
测试仪器有：多路温度测试仪和T
型热
图4供暖系统原理图
项目
理论水平面辐射强度/（MJ·m -2·d -1）
实际可利用辐射强度/（MJ·m -2·d -1）实际可利用总热量
/（MJ·d -1）十月13.287.97210
十一月12.067.24191
十二月10.556.33167
一月11.636.98184
二月14.448.66229
三月16.7410.04265
四月19.7311.84313
表1
本实验房间实际可利用太阳能热量表
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电偶测温线（测试精度0.7℃，范围0～400℃；测试精度1.0℃，范围-150～0℃）、红外线测温仪（测试精度1.5℃，≥0℃）、酒精温度计（测试精度0.5℃，范围-20～60℃）等，三种仪器互相验证，以减小测量误差。多路温度测试仪共连接有8路热电偶。1号位为布置在卵石层内部的热电偶（用来测卵石蓄热层内部温度），2号位为布置在温室大棚内离地面1m 高处的热电偶（用来测温室大棚内部空
气温度），3号位为布置在温室大棚外处的热电偶（用来测室外空气温度），4号位为布置在卵石层表面的热电偶（用来测卵石蓄热层表面温度），5、6号位为布置在客厅离地面1.3m 高处的热电偶（用来测客厅空气温度），7号位为布置在卧室离地面1.3m 高处的热电偶（用来测卧室空气温度），8号位为布置在水模块出水管表面的热电偶（用来测水模块出水温度）。另外为此实验的空调系统单独设置电表，以测量系统实际耗电量。
3.2实验数据3.2.1
蓄热温室温度
2018年1月14日13点48分，室外空气温
度2.9℃，当空调系统停机状态时，温室大棚内温度最高可以高达50.2℃，见图5。同时用酒精温度计、热电偶测温仪同时测试，均为
50℃。可见温室大棚内的热潜力很大。如果
有新建的农村住宅，考虑用风机通过风道将温室内的空气直接送入室内，笔者认为是北方农村供暖最节能经济的方法之一。
另外当空调机组启动数分钟后，大棚内温度迅速降至35℃左右并随着太阳辐射逐渐减少而缓慢降低。人工智能开发板
3.2.2
测试各点状态变化
经多路温度测试仪和T 型热电偶测温线测试，2018年1月14日下午15点左右至19点左右测试，数据如图6
所示。
图5
蓄热温室内最高温度
图6蓄热时间测试
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