农宅屋顶太阳能蓄热温室空气源热泵供暖系统测试分析

2021.1

农宅屋顶太阳能蓄热温室空气源

热泵供暖系统测试分析

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

算，整个供暖季（150天）的费用可以降低到20.8元/m

2

。

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:10.16641/11-3241/tk.2021.01.020

Testandanalystofairsourceheatpumpheatingsystemonarural

residentialroofsolarenergystoragegreenhouse

.

BaoXin，SuJicheng，MaoMingqiang，ZhaoLixin

Abstract：Asolarenergystoragegreenhousewasinstalledonaruralresidentialrooflocatedin

Lanzhou，acoldregioninGansuProvince，anoutdoorunitofairsourceheatpumpwasplacedinit，

andthestical

indicatesthattheindoortemperatureofthegreenhouseisover50℃inthedaytime，whichhasalarge

hour，thecostofaentireheatingseason（150days）canbereducedto20.8yuanpersquaremeter.

Keywords：solarenergy；heatstorage；greenhouse；airsourceheatpump；heating

ingtothecaculationlocalresidentialelectricitypriceof0.5yuanperkilowatt

calculationult

0引言

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

近年来，政府、社会对清洁供暖越来越重

-125-

2021.1

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。

-126-

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57.1m

2

，建

筑面积为87m

2

。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

26.4

间形

照时，

m

状和实验资金限制，蓄热温室面积

2

。蓄热温室顶设电动保温卷帘，无日

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

图2屋顶蓄热温室现场照片

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

3.2

2万元的整套空气源供暖系统）大约为

1.2

万元左右，

万元。比传统的太阳能集热供暖系统要

其中屋顶蓄热温室成本大约为

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：

图3屋顶蓄热温室尺寸图

2.1

蓄热温室四周除了采光面，

保温计算

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，

K为0.51W/（m

厚度10cm，整体传热系数

2

·K）。考虑到夜间散热，采光

2021.1

面上夜间设置保温卷帘。

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

温卷帘传热系数K取2W/（m

2

·℃），保

日照时间均考虑为散热时间，

·℃

为

）

16

。每日非

h。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

2.2

79MJ。

兰州地区居住建筑的冬季每平方米每天

蓄热材料计算

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。

6669

本实验对象有

kg鹅卵

57m

2

供暖面积，则共需要

26.4m

2

，经计算需要铺设

石。蓄热

16.8

温室

cm

地

的鹅卵石才

面面积仅

可以满足蓄热要求。如果4.32MJ是每平方

-127-

（包括

（

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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

足5.9h的蓄热需求。

2.3

5cm左右厚度的鹅卵石，即从理论上仅能满

可有效利用热量计算

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。

3.1

3实验数据及分析

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

根据兰州地区纬度和海拔，从NASA官网

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

0.75，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

，

表1

项目

理论水平面辐射强度

实际可利用辐射强度

实际可利用总热量

（/MJ·d

-1

）

（/MJ·m

-2

·d

-1

）

（/MJ·m

-2

·d

-1

）

十月

13.28

7.97

210

0.80，实验所选双层阳光板透光率大约为

本实验房间实际可利用太阳能热量表

十一月

12.06

7.24

191

十二月

10.55

6.33

167

一月

11.63

6.98

184

二月

14.44

8.66

229

三月

16.74

10.04

265

四月

19.73

11.84

313

图4供暖系统原理图

-128-

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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

3.2.1

实验数据

蓄热温室温度

图5蓄热温室内最高温度

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。

3.2.2测试各点状态变化

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

2018年1月14日13点48分，室外空气温

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6蓄热时间测试

-129-

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从图6中可以看出：从15:15开始至18:00

后，大棚内空气温度开始比室外温度更低，

18:30温度降至-7℃，蓄热效果维持了约3.25h。

即经前文理论计算，5cm左右厚度的石头能

满足5.9h的蓄热需求。理论时间和实际时间

相差2.65h，即蓄热温室围护结构的热耗散及

空气源热泵系统的热损失。由实测数据得出

整个系统的热损失约占总蓄热量的45%，也

可以推论蓄热材料（鹅卵石）的蓄热量应为房

间整体耗热量的1.45倍才可满足使用要求。

2018年1月15日中午14点左右至1月16日

5℃。测试数据结果如图7。

之后，我们又进行了二次测试，时间为

在系统调试稳定后，在各房间室内机满

负荷连续三天运行状态下，经查验本系统专

用电表，三天72h总共耗电量为165kW·h电

（实测数据）。此数据从2018年1月31日12

点开始至2018年2月3日12点截止，室外温

度大约为-15℃至5℃之间。

空调系统三天72h全开时耗电量165kW·h，

以此值测算，每天耗电量大约为55kW·h，如

果按建筑面积测算，每平方米相当于耗电

电。按照居民用电0.5元（/kW·h）测算（兰州

0.632kW·h，一个采暖季耗电相当于95kW·h/m

2

地区无峰谷电价和阶梯电价），一个采暖季为

47元/m

2

左右（兰州地区一个采暖季为150

天）。这显然是远高于兰州地区集中供暖的

一个采暖季25元/m

2

的标准。但是这个数据

是在一年之中最冷的一月份测量，应该考虑

冬季采暖季日平均温度的修正。兰州地区冬

季采暖季日平均温度的修正系数0.74（根据

兰州采暖期室外平均温度计算，依据公式是

《城镇供热管网设计规范》中3.2.1-1式）。另

外这个数据是72h全开状态下测量的，正常

情况下，很少会有农户一天24h同时开启客

厅和卧式供暖系统，供暖系统同时开启系数

取0.6（经实地询问多家农户生活习惯），则每

个供暖季的费用可以降到20.8元/m

2

，换算成

每日费用约0.14元（/m

2

·d）。因此本实验供

下午15点左右，室外温度最低-11℃，最高

从图7中可以看出：通过48h以上系统的

连续满负荷运行，客厅两个测点均在20℃左

右，卧式均在14℃，因为卧式受住户房间布局

所限，室内机放置在顶部送风，而客厅两个室

内机在地面靠窗边放置。可以推断，如果都

像客厅那样，室内机布置在房间下部的话，本

系统基本能满足住户使用需求。蓄热卵石层

数量明显不够，蓄热量明显不够的情况下，室

外温度长期高于大棚内温度。建议在大棚内

温度低于室外温度时打开大棚大门与室外相

通，以达到温室内外温度基本接近的目的。

3.2.3系统耗电量

图7稳定状态下各点温度变化

（下转第144页）

-130-

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第4台锅炉。四台锅炉负荷降至30%。

随后四台锅炉一起升负荷，直至合计负

荷400%。

2）降负荷时

群控系统工作时，控制器会进行更复杂的控

制，避免群控系统频繁启停。

从该例子中可以看出，锅炉的调节比越

大，“早开、晚关”的群控策略的效果越好，

锅炉可以工作在更低负荷，带来更高的效

率。

当四台锅炉合计负荷降至120%且趋势

是继续降低时，关闭一台锅炉，剩余三台锅炉

负荷变为40%。

当剩余三台锅炉合计负荷降至90%且趋

势是继续降低时，再关闭一台锅炉，剩余两台

锅炉负荷变为45%。

当剩余两台锅炉合计负荷降至60%且趋

势是继续降低时，再关闭一台锅炉，剩余一台

锅炉负荷变为60%。

需要注意的是，上述例子是为了便于理

解“早开，晚关”的群控策略的理想模型，实际

3结语

对于冷凝锅炉系统来说，适当的水力系

统和管理逻辑至关重要，否则无法发挥出冷

凝锅炉高效的特点。另外，本文主要讨论了

一次侧的水力系统和管理逻辑，如果要达到

更佳的节能效果，也需要考虑二次侧，包括：

末端用户的采暖方式推荐地暖或高效散热

片；二次侧需要有良好的水力平衡；二次侧需

要有合适的循环水流量管理等。

（上接第130页）

暖系统相较传统集中供暖费用减少16.8%。

4结语

参考文献

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节能技术解析［J］.建筑节能，2017，45（04）:14-19.

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术与应用［P］.北京:中国建筑工业出版社.2015，9.

经上述数据结果，可以大体得出如下结论：

（1）本研究首次将太阳能、蓄热温室及空

气源热泵三者有机结合，具有一定的创新性。

经初步实验测试，本实验供暖系统相较传统

集中供暖费用减少16.8%。

（2）兰州为寒冷地区，供暖室外计算温度

为-9.0℃，因此研究结果具有一定的参考性。

（3）蓄热温室内的空气温度在晴天最高

可以达到40～50℃，可以在新建住宅中考虑

直接加风机将热量送入室内取暖。

（4）由实测数据得出整个系统的热损失

约占总蓄热量的37.5%，也可以推论蓄热材料

（鹅卵石）的蓄热量应为房间整体耗热量的

1.45倍。

（5）因笔者能力、时间、资金等诸多客观

因素限制，实验和系统本身尚有很多需完善

改进的地方，希望更多人能参与改进，如将蓄

热材料换为蓄热性能更好的水，将氟水系统

换为氟系统提高效率等等。

-144-