第 1 章 绪论
1.1 研究背景
我国能源、资源人均占有量严重不足,石油、天然气等资源人均可开采量仅为世界平均水平 7%左右[1,2]。根据我国现阶段能源结构形式，不可再生能源仍居于能源消耗主流。其开发与利用会对生态环境造成严重破坏，包括大气污染、固体废弃物污染、水体污染等在内的多种环境问题。随着国家经济与科技地飞速发展，人民生活水平不断提高，农村地区城镇化速度加快，居民对人居环境舒适性要求日益提高，导致我国建筑用能消耗逐年增加。建筑能耗作为我国能源消耗的重要组成部分之一[3,4]，约占我国能源总消耗量的 30%以上[5]。根据国家住建部相关数据显示，随着中国国力进一步发展，建筑能耗占比将持续增长，到 2020 年我国建筑能耗将占全社会总能耗的比例将高达到 35%，超过工业成为第一用能领域，其中，将近 70%建筑能耗为冬季建筑室内采暖能耗与夏季空调制冷能耗[6]。因此，在满足建筑室内人居环境舒适性地基础上，采取更加合理地节能方式，减少冬夏建筑能耗，对可再生能源进行充分开发与利用，提升现有建筑地节能性与环保性，实现可持续发展[7]。为此，需要进一步研究解决暖通行业存在的供热制冷设备效率低、能耗过高的问题。主要的解决方式包括提升能源利用率、开发可再生能源替代传统化石能源消耗。
为加快改善空气污染现状，减少煤炭等化石能源的使用，国家相继对北京、天津等“2+26”城市下达了空气污染治理任务，并在国内部分省市推行“煤改电”项目，由政府出资对煤改清洁能源设备进行一系列的财政补贴[8]。
“煤改电”供热项目的实施减少了煤炭的燃烧，在一定程度上减轻了局部空气污染。以北京地区为例，目前北京农村地区“煤改电”后冬季采暖以空气源热泵采暖为主。空气源热泵机组的运行主要是通过将低品位空气能源转化为高品位热能，并输送至建筑内部，满足用户对冬季室内热舒适性要求。空气源热泵采暖方式是现阶段市场上认可度最高的“煤改电”采暖方式之一[9]，相比于其他空气调节方式，空气源热泵运行不受地域限制，且运行效率高，能耗相对较低，安装简便[10]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 太阳能光热技术研究现状
太阳能光热技术主要是通过集热器吸收太阳能辐射，并转化为热量传递给集热工质输送至用热末端加以利用的技术。主要有太阳能采暖利用技术、太阳能热水技术等。在光热转化中存在着辐射、传导、对流等热交换过程。但太阳能具有不稳定性，且存在太阳能资源与实际应用不匹配的问题[11]，因此对于如何更高效的利用太阳能进行热水制取与采暖的研究具有重要意义[12]。
Leong[13，14]研发了一种新型孔状结构，该结构置于平板集热器吸热板与盖板之间，可有效的减少因对流换热造成的热损失。李雅瑾[15]等研究了平板集热器在不同形状的流道截面下集热性能的变化，研究结果表明承压式平板型太阳能集热器无泵耗要求，验证了集热器采用三角形的内翅流道换热效果最好。Cabeza[16]研制了一种平板集热器，采用波状构造的太阳能集热管，增大传热介质和集热器间的换热面积，增强了介质与水之间的换热效果。张彦峰、俞颐泰[17]研究了平板集热器中传热介质与水之间的自然对流换热特性，得出了不同步集热器摆放角度对应的空气夹层厚度最优值。
KK Matrawy[18]研究了同等太阳辐射强度与供回水温度下，系统蓄热水箱体积、集热器面积配比对太阳能负荷率的影响。白剑[19,20]对太阳能供暖系统蓄热体蓄热特性进行了模拟研究，分析了蓄热体材质与流体温度对蓄热体蓄热特性的影响，得出采用相变蓄热材料可使得太阳能供暖系统性能提高 21.6%。赵树兴[21]对平板集热器在冬季采暖进行研宄，通过建立太阳能集热器数学模型，以单位面积集热器集热量为目标函数，得到在全国不同地区利用太阳能集热器时最佳的倾斜角度。
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第 2 章 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统设计
2.1 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统原理设计
太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统主要由空气源热泵机组、太阳能集热器、太阳能蓄热水箱、热泵缓冲水箱、循环泵以及低温地板辐射采暖末端组成。
太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统原理图如下图 2-1 所示。该双水箱复合供热系统中太阳能系统采用独立供/储热的方式，可通过对太阳能和空气源热泵两种不同供热方式进行智能切换来满足不同室外气象条件下室内采暖需求。其中，太阳能集热器将太阳辐射热量收集并储存在太阳能蓄热水箱中，并在太阳能供热时段将热量供入室内。空气源热泵通过吸收空气侧低品味热能，并将其转化为高品位热能传递给缓冲水箱中的水，在相应的供热时段供热向房间内供热。
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2.2 太阳能集热系统设计选型
太阳能供热采暖系统是将太阳能转化为热能，将热量传递给工作介质，利用泵或风机等动力供给建筑物冬季采暖及其他用热系统。太阳能供热采暖系统主要部件有太阳能集热器、换热蓄热装置、控制系统、其他能源辅助加热/换热设备、泵和末端供热采暖系统等。
短期太阳能蓄/供热系统中，集热器内循环工质通常为液体工质，以地板辐射、散热器等作为采暖末端。采用液态工质作为集热器集热工质，可有效减小蓄热以及输送空间，利于与水箱等蓄热装置、辅助热源等配合使用，以保证全天建筑室内达到热舒适性要求。但采用液态传热介质与也有可能出现冻结、过热等问题，需在冬季采取采取适当的防冻措施，并在夏季进行遮挡，来保证系统正常运转。另外，为保证全天无间歇供热，需合理配备辅助热源进行联合供热。本文将太阳能系统与空气源热泵系统进行联合供热，以保证室内全天热舒适性。
2.2.1 太阳能集热器概况
太阳能集热器主要通过内部循环介质对太阳能辐射资源进行转化和传递。根据集热工质的种类不同，太阳能集热器可被划分为两种，一种是以液体为传热介质的集热器，一种是以空气为传热介质的集热器。根据集热器形状，太阳能集热器分为平板太阳能集热器与真空管太阳能集热器。
太平板集热器由玻璃盖板、保温层、吸热板和壳体等结构组成，吸热板上的吸收层将吸收的太阳辐射转化为热量，并将热量传递给集热器内的集热工质。集热器内的集热工质将太阳辐射热量转移至蓄热水箱中，在传热过程中存在较大的热损失。平板型集热器承压能力以及抗机械冲击力较好，中低温集热效率好，便于与建筑本体集合，适合建筑一体化设计，且造价低，适用于太阳能热水以及非寒冷地区采暖工程；但防冻能力较差，当环境温度低于冰点时，要考虑解决防冻问题。
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1.2.1 太阳能光热技术研究现状
太阳能光热技术主要是通过集热器吸收太阳能辐射，并转化为热量传递给集热工质输送至用热末端加以利用的技术。主要有太阳能采暖利用技术、太阳能热水技术等。在光热转化中存在着辐射、传导、对流等热交换过程。但太阳能具有不稳定性，且存在太阳能资源与实际应用不匹配的问题[11]，因此对于如何更高效的利用太阳能进行热水制取与采暖的研究具有重要意义[12]。
Leong[13，14]研发了一种新型孔状结构，该结构置于平板集热器吸热板与盖板之间，可有效的减少因对流换热造成的热损失。李雅瑾[15]等研究了平板集热器在不同形状的流道截面下集热性能的变化，研究结果表明承压式平板型太阳能集热器无泵耗要求，验证了集热器采用三角形的内翅流道换热效果最好。Cabeza[16]研制了一种平板集热器，采用波状构造的太阳能集热管，增大传热介质和集热器间的换热面积，增强了介质与水之间的换热效果。张彦峰、俞颐泰[17]研究了平板集热器中传热介质与水之间的自然对流换热特性，得出了不同步集热器摆放角度对应的空气夹层厚度最优值。
KK Matrawy[18]研究了同等太阳辐射强度与供回水温度下，系统蓄热水箱体积、集热器面积配比对太阳能负荷率的影响。白剑[19,20]对太阳能供暖系统蓄热体蓄热特性进行了模拟研究，分析了蓄热体材质与流体温度对蓄热体蓄热特性的影响，得出采用相变蓄热材料可使得太阳能供暖系统性能提高 21.6%。赵树兴[21]对平板集热器在冬季采暖进行研宄，通过建立太阳能集热器数学模型，以单位面积集热器集热量为目标函数，得到在全国不同地区利用太阳能集热器时最佳的倾斜角度。
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第 2 章 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统设计
2.1 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统原理设计
太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统主要由空气源热泵机组、太阳能集热器、太阳能蓄热水箱、热泵缓冲水箱、循环泵以及低温地板辐射采暖末端组成。
太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统原理图如下图 2-1 所示。该双水箱复合供热系统中太阳能系统采用独立供/储热的方式，可通过对太阳能和空气源热泵两种不同供热方式进行智能切换来满足不同室外气象条件下室内采暖需求。其中，太阳能集热器将太阳辐射热量收集并储存在太阳能蓄热水箱中，并在太阳能供热时段将热量供入室内。空气源热泵通过吸收空气侧低品味热能，并将其转化为高品位热能传递给缓冲水箱中的水，在相应的供热时段供热向房间内供热。
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2.2 太阳能集热系统设计选型
太阳能供热采暖系统是将太阳能转化为热能，将热量传递给工作介质，利用泵或风机等动力供给建筑物冬季采暖及其他用热系统。太阳能供热采暖系统主要部件有太阳能集热器、换热蓄热装置、控制系统、其他能源辅助加热/换热设备、泵和末端供热采暖系统等。
短期太阳能蓄/供热系统中，集热器内循环工质通常为液体工质，以地板辐射、散热器等作为采暖末端。采用液态工质作为集热器集热工质，可有效减小蓄热以及输送空间，利于与水箱等蓄热装置、辅助热源等配合使用，以保证全天建筑室内达到热舒适性要求。但采用液态传热介质与也有可能出现冻结、过热等问题，需在冬季采取采取适当的防冻措施，并在夏季进行遮挡，来保证系统正常运转。另外，为保证全天无间歇供热，需合理配备辅助热源进行联合供热。本文将太阳能系统与空气源热泵系统进行联合供热，以保证室内全天热舒适性。
2.2.1 太阳能集热器概况
太阳能集热器主要通过内部循环介质对太阳能辐射资源进行转化和传递。根据集热工质的种类不同，太阳能集热器可被划分为两种，一种是以液体为传热介质的集热器，一种是以空气为传热介质的集热器。根据集热器形状，太阳能集热器分为平板太阳能集热器与真空管太阳能集热器。
太平板集热器由玻璃盖板、保温层、吸热板和壳体等结构组成，吸热板上的吸收层将吸收的太阳辐射转化为热量，并将热量传递给集热器内的集热工质。集热器内的集热工质将太阳辐射热量转移至蓄热水箱中，在传热过程中存在较大的热损失。平板型集热器承压能力以及抗机械冲击力较好，中低温集热效率好，便于与建筑本体集合，适合建筑一体化设计，且造价低，适用于太阳能热水以及非寒冷地区采暖工程；但防冻能力较差，当环境温度低于冰点时，要考虑解决防冻问题。
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第 3 章 住宅热特性模拟及 TRNSYS 仿真平台各设备数学模型介绍.. 17
3.1TRNSYS 模拟平台介绍...........................17
3.2 北京农村地区住宅负荷特性模拟...........................17
第 4 章太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统性能模拟分析.......... 30
4.1 太阳能空气源热泵复合供热系统系统形式及运行策略对比分析.............30
4.1.1 太阳能系统性能分析.............................31
4.1.2 空气源热泵系统性能分析............................32
第 5 章 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统技术经济性分析.... 51
5.1 双水箱复合供热系统技术经济性评价指标...............................51
5.1.1 节能性评价指标..............................51
5.1.2 环保性评价指标..............................51
第 5 章 太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统技术经济性分析
5.1 双水箱复合供热系统技术经济性评价指标
经济性评价指标相比与煤改电工程中的单一空气源热泵供热方式，本文研究的太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统，通过引入太阳能并设置独立的太阳热蓄热水箱的方式减少了系统冬季采暖能耗，节省了运行费。但与此同时增加了太阳能集热器、蓄热水箱以及水泵等设备投资费用。所以在实际工程应用中，应充分考虑太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统的经济性。在研究复合供热系统经济性时，需要合理选取经济评价指标。
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结论与展望
本文提出了一种适用于北京农村地区的太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统，该系统采用双热源独立供/储热的形式，将两种热源供热方式与供热时段进行合理优化匹配。通过建立太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统仿真模型，对该系统进行模拟优化，并对系统节能性、环保性、经济性进行分析计算，得到结论如下：
（1）针对单一空气源热泵系统存在的采暖能耗过高，热泵机组制热性能随环境温度衰减严重的情况，提出了一种适用于北京农村地区的太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统，同时提出一种分时段控制策略，用于探究太阳能系统与空气源热泵系统两种热源更为合理的供热时段匹配方式。
（2）借助 TRNSYS 仿真模拟平台搭建了太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统仿真模型，通过对三种太阳能空气源热泵复合供热模式进行了性能模拟分析，验证了三种供热模式中，双水箱复合供热系统策略一供热模式在北京农村地区适用性最佳。
（3）通过降低双水箱复合供热系统供热水温度可以有效提升复合供热系统能效。在本文模拟工况下，通过对系统供热水进行变工况优化，发现采用逐月变供热水温度的方式可以达到提升双水箱复合系统性能的目的。当 12 月与 1 月供热水温度为 40℃，其余时间供热水温度为 35℃时，采暖季平均太阳能贡献率达到 51.60%，空气源热泵机组平均制热性能系数为 2.93，复合供热系统能效比可达 5.57。
本文提出了一种适用于北京农村地区的太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统，该系统采用双热源独立供/储热的形式，将两种热源供热方式与供热时段进行合理优化匹配。通过建立太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统仿真模型，对该系统进行模拟优化，并对系统节能性、环保性、经济性进行分析计算，得到结论如下：
（1）针对单一空气源热泵系统存在的采暖能耗过高，热泵机组制热性能随环境温度衰减严重的情况，提出了一种适用于北京农村地区的太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统，同时提出一种分时段控制策略，用于探究太阳能系统与空气源热泵系统两种热源更为合理的供热时段匹配方式。
（2）借助 TRNSYS 仿真模拟平台搭建了太阳能空气源热泵双水箱复合供热系统仿真模型，通过对三种太阳能空气源热泵复合供热模式进行了性能模拟分析，验证了三种供热模式中，双水箱复合供热系统策略一供热模式在北京农村地区适用性最佳。
（3）通过降低双水箱复合供热系统供热水温度可以有效提升复合供热系统能效。在本文模拟工况下，通过对系统供热水进行变工况优化，发现采用逐月变供热水温度的方式可以达到提升双水箱复合系统性能的目的。当 12 月与 1 月供热水温度为 40℃，其余时间供热水温度为 35℃时，采暖季平均太阳能贡献率达到 51.60%，空气源热泵机组平均制热性能系数为 2.93，复合供热系统能效比可达 5.57。
（4）太阳能集热器面积一定，太阳能蓄热水箱体积增大有利于提高太阳能贡献率与复合系统能效。当每平米集热器对应 110L 蓄热水箱体积时，系统节能性最佳。但增大水箱体积会增加初投资，考虑到用户的经济能力，建议采用每平方米集热器对应 50L 蓄热水箱体积的设计值进行设计选型。每平米集热器对应50L 蓄热水箱体积时，系统能效比为 5.93，太阳能贡献率为 55.17%。
（5）在设计阶段，太阳能负荷率增大有利于提高双水箱复合供热系统能效。在本文模拟工况下，当太阳能负荷率增大至 40%时，系统节能性最佳，太阳能贡献率为 63.69%，系统能效比为 7.22。但在实际工程应用中还应考虑集热器面积增加对经济性的影响。
参考文献（略）
（5）在设计阶段，太阳能负荷率增大有利于提高双水箱复合供热系统能效。在本文模拟工况下，当太阳能负荷率增大至 40%时，系统节能性最佳，太阳能贡献率为 63.69%，系统能效比为 7.22。但在实际工程应用中还应考虑集热器面积增加对经济性的影响。
参考文献（略）