吉林建筑大学 长春 130022
摘要：太阳能-空气源复合热源热泵具有节能环保、性能稳定等优点，但是在实际工程中存在盲目应用的情况。本文分析了影响太阳能-空气源复合热源热泵应用的主要因素，运用层次分析法建立了寒冷地区太阳能-空气源复合热源热泵适宜性评价体系，并基于评价体系运用地理信息系统（GIS），得到了寒冷地区的太阳能-空气源热泵适宜性分布图，为寒冷地区太阳能-空气源复合热源热泵的合理应用提供了科学依据。
关键词：太阳能-空气源复合热源热泵；评价体系；层次分析法；地理信息系统
Research on Suitability Evaluation of Solar-air Source Heat Pump System in Cold Area
TIAN Houkuan，WANG Haoyan，SUO Yumai，TAN Huilin，ZHANG Jianjie，LI Mingzhu，WANG Chunqing
（College of Civil and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun 130000）
Abstract：The solar-air source heating source heat pump has the advantages of stable performance and low operating cost，but there are blind applications in actual projects.This paper analyzes the main factors that affect the application of solar-air source heating source heat pump，and uses AHP to establish a solar-air source heating source heat pump suitability evaluation system in cold regions.Based on the evaluation system and the use of Geographic Information System（GIS），The distribution map of solar-air source heating source heat pump suitability in cold regions provides a scientific basis for the reasonable application of solar-air source heating source heating pump in cold regions.
Key words：solar-air source heating pump system；analytic hierarchy process；geographic information system；
引言
我国的建筑能耗约占全社会总能耗的29%以上，建筑节能已是我国的重大战略问题[1]。相比单一空气源热泵，太阳能-空气源复合热源热泵弥补了空气源热泵在室外环境温度较低时制热能力下降、能效比低等问题。太阳能-空气源复合热源热泵具有空气热源、太阳能-空气双热源和太阳能热源三种运行模式，可以根据建筑的负荷情况和气象条件进行调控，减少空气源热泵在低温条件下的运行时间，也可以解决太阳能具有间歇性，无法在夜晚直接利用的问题，在寒冷地区具有较大潜力[2]。目前，太阳能-空气源复合热源热泵在寒冷地区的推广过程中存在着大量盲目应用的情况，急需对各个地区的适宜性进行评价研究。本文以地域条件为基础，从技术因素，经济因素、环境因素三个维度综合考虑筛选确定了影响太阳能-空气源复合热源热泵运行效率的评价指标；随后建立了太阳能-空气源复合热源热泵适宜性评价体系，运用层次分析法为评价指标赋予权重；最后基于评价体系对我国寒冷地区进行综合评价并通过地理信息系统（GIS），对评价结果进行可视化表达。
1 国内外研究现状
国外对太阳能-空气源热泵的研究始于20世纪50年代。Jordan和Threlkeld最早提出了在室外环境温度较低时将太阳能集热器和热泵系统联合运行，同时提高热泵的性能系数与太阳能集热器的热效率的观点[2]。在此基础上，Saad Odeh通过双管式蒸发器实现了太阳能低温热水与空气热源复合的热泵系统[3]。Kamil Kaygusuz设计了可以多种模式运行的太阳能-空气复合热源热泵，研究结果表明，与空气源热泵相比，太阳能与空气源联合供热模式可节能70%[4]。
国内对太阳能-空气源热泵的研究始于20世纪80年代。哈尔滨建筑科技大学马最良提出采用两种热源的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能降低的问题[5]。西安建筑科技大学刘寅建立了太阳能-空气源热泵系统数学模型并进行模拟计算，分析了热源温差、太阳能热媒流量及温度等因素对系统运行特性的影响[6]。
国内外的研究主要集中在对具体工程中太阳能-空气源复合热源热泵的系统性能和运行特性的分析，并提高系统在不同地域及气象条件下的性能。对于在实际工程应用中太阳能-空气源复合热源热泵的应用适宜性研究仍然停留在对具体工程项目或部分城市上，缺少区域性的应用适宜性研究。由于室外环境温度、相对湿度、太阳辐射强度等因素对建筑冷、热负荷及太阳能-空气源复合热源热泵性能均有影响，为保证太阳能-空气源复合热源热泵的节能优势，对其进行整体适宜性评价及规划迫在眉睫。
2 评价体系的建立及权重计算
太阳能-空气源复合热源热泵的适应性评价从技术适宜性、经济效益、环境效益三个方面分别考虑，基于文献研究、工程资料分析和专家咨询，确定太阳能-空气源复合热源热泵适宜性评价指标。其中影响技术适宜性的因素有室外环境温度、相对湿度、太阳辐射强度，影响经济效益的因素包括初投资和运行费用，影响环境效益的因素主要为城市热岛效益的影响。运用层次分析法将评价体系划分为目标层、准则层1和准则层2，其中目标层为太阳能-空气复合热源热泵在该地区的适宜性，准则层1为评价维度，准则层2为具体的影响因素，评价体系结构图如图1所示。
由表4可以得出太阳辐射强度所占权重最高，说明该评价指标相对于目标层最重要。
考虑到寒冷地区各区域温度差异较小，而不同地区之间太阳辐射强度差别较大，且太阳辐射强度与太阳能集热器的效率和建筑负荷的大小均有关系，因此在评价体系中，太阳辐射强度所占权重较大。初投资及运行费用受地域影响较小，因此所占权重低于太阳辐射强度和室外环境温度。
层次分析法可以定量分析各评价指标对寒冷地区的太阳能-空气源复合热源热泵系统的影响，为实际工程提供一种更科学，更全面，更直观的评价方法。该评价体系克服了目前实际工程中单纯追求经济性的弊端，而是综合考虑了技术可行性、环保性以及经济性三方面，分析结果较为全面科学。
3 基于GIS的寒冷地区太阳能-空气
复合热热泵适宜性可视化表达
本文使用了ArcGis10相关组件技术，基于上文所建立的评价体系及其权重参数，通过搜集整理的数据进行计算，最终得到适宜性分析图。
数据搜集后对其进行整理，运用空间插值分析法对已有数据进行计算，最后根据评价体系对影响因子进行等级划分，适宜性分布情况如图2所示。
图2 寒冷地区适宜性分布图
根据寒冷地区适宜性分布图可看出：
1.适宜地区：新疆大部分地区、宁夏中北部、内蒙古南部、山东北部部分地区。
2.较适宜地区：甘肃东部、陕西中部、山西南部、河北西南部分地区、山东南部地区、江苏北部地区。
3.不适宜地区：西藏东部、四川西北大部、山西中北部部分地区、河北中北部分地区、青海南部部分地区。
4 结论
本文从技术适宜性、经济效益、环境效益三个维度，对太阳能-空气源复合热源热泵在寒冷地区的适宜性进行研究。随后运用层次分析法（AHP）构建了寒冷地区太阳能-空气源复合热源热泵适宜性评价体系，并完成寒冷地区太阳能-空气源复合热源热泵适宜性评价。研究结果表明：太阳辐射强度为影响太阳能-空气源复合热源热泵适宜性主要因素，在工程的实际应用过程中应当着重考量。
新疆地区日照资源丰富，适宜使用太阳能-空气源复合热源热泵。京津唐地区人口稠密，建筑能耗巨大，宜采用太阳能-空气源复合热源热泵，降低建筑采暖和供冷能耗。
参考文献
[1]涂逢祥.王庆一.我国建筑节能现状及发展[J].新型建筑材料.2004.7
[2]Jordan R，Threlkeld L.Utilization of solar energy for house heating[J].Heat.Piping Air Cond.；（United States），1954，26.
[3]Saad Odeh，Salem Nijmeh，Bilal Akash.Performance evaluation of solar-assisted double-tube evaporator heat pump system[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2004，31（2）.
[4]Kamil Kaygusuz.Experimental and theoretical investigation of latent heat storage for water based solar heating systems[J].Energy Conversion and Management，1995，36（5）.
[5]马最良，杨自强，姚杨，喻银平.空气源热泵冷热水机组在寒冷地区应用的分析[J].暖通空调，2001（03）：28-31.
[6]刘寅.太阳能—空气复合热源热泵系统性能研究[D].西安建筑科技大学.2010.
论文作者:田厚宽,李明柱,王浩岩,索雨麦,谭慧琳,章建杰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/10
标签：热源论文; 太阳能论文; 空气论文; 热泵论文; 适宜论文; 地区论文; 寒冷论文; 《建筑学研究前沿》2018年第13期论文;