大气中PM2.5超标的一个重要来源是燃煤炉，在北方采暖期更加严重，北京五环以外的别墅和农宅多数采用燃煤采暖，据统计每年消耗的商品煤达600～700万吨，其排放有害物之多可想而知，并且用这种采暖方式的农宅室内达不到热舒适与合格的空气品质，由此引发的呼吸道等有害人体健康的疾病，给农民和社会都带来极大的危害。

　　 北京市十分重视这些地区的建筑节能与采暖方式的改造，改造的方针是要服从大环境的要求，但是，怎样顺乎民间习俗?怎样顺应“国与家”的经济承受能力，并能切实因地制宜的获得生活环境的改善?还京郊一片绿水青山是值得汇集各界意见，从实践中找出答案的大课题。对此，清华大学教授李元哲提出的“太阳能——空气源水源热泵双级耦合的地板采暖系统在寒冷地区的应用”或许可以给人们治理PM2.5提供启示

　　 一、引言

　　 太阳能采暖由于它利用廉价、可再生的太阳能资源获得热量，既环保，又能满足人们的采暖需求，并越来越受到人们关注，成为太阳能热利用的一个亮点，具有很大的发展潜力。热泵是把低品位的热能通过压缩机耗电做功，提升为可用的高品位热能，它是节能的供热技术。因此，把热泵作为太阳能采暖系统的辅助热源，多能互补，具有高效、节能、环保的优势。由于空气源热泵作为太阳能的辅助热源，是在夜间或阴天的情况下运行，工作时的环境温度低，制取35℃以上热水，制热量及能效比有所下降，采用水源热泵与空气源热泵耦合，降低空气源热泵的冷凝温度，可广泛应用于办公、住宅、学校等民用建筑。为太阳能热泵在建筑采暖空调综合利用领域提供低碳、环保、节能的范例。

　　 二、双级耦合热泵系统构成及特点

　　 清华阳光阳坊办公楼主动式太阳能地板采暖系统建于2002年，建筑面积640㎡，太阳能集热面积160㎡，冬季采暖设计负荷为36kW。晴好天气，太阳能可满足白天采暖要求，夜间需要辅助热源。空气源热泵作为太阳能地板采暖辅助热源系统，在原有的太阳能地板采暖系统基础上，采用索兰公司的1台16HP空气源热泵作为辅助热源供热，同时可满足夏季空调需要。由于空气源热泵制热效率受室外温度影响，热泵系统平均COP1.8，取得较好的效果。为进一步提高热泵的利用率，增加1台12HP水源热泵作为二级与空气源热泵耦合。在低温工况下，空气源热泵制备15℃～25℃的较低温度的热水给低温水箱，12HP水源热泵蒸发器吸收低温水箱热量，制备35℃～40℃的热水，供地板采暖。

　　 (2.1)系统组成

　　 主动式太阳能—热泵地板采暖系统包括

　　 A太阳能集热系统;

　　 B空气源/水源热泵耦合的系统;

　　 C室内地板采暖系统;

　　 D电锅炉备用热源系统。

　　 (2.2)系统工作原理及运行模式

　　 A太阳能集热系统采用温差循环运行模式。集热器出口水温高于太阳能水箱温度8℃，集热系统循环泵P1、P2启动，加热储热水箱，低于3℃，集热系统循环泵P1、P2停，水箱供地板采暖热水。

　　 B热泵热源运行模式

　　 a、室外温度高于-5℃，空气源热泵可以制40℃的热水直接供地板采暖。

　　 b.室外温度低于-5℃，夜间，早晨，空气源热泵/水源热泵耦合作为辅助热源供地板采暖。当低温水箱温度低于15℃，空气源热泵启动，水箱温度高于25℃，空气源热泵停止。水源热泵供太阳能水箱，水箱温度低于33℃，水源热泵启，高于38℃停。当空气源热泵化霜时，若低温水箱温度低于7℃，水源热泵低温保护，等空气源热泵化霜结束后制热，低温水箱温度高于10℃，水源热泵启动。由于化霜时间不长，对采暖系统影响不大。

　　 C水箱温度高于30℃，且室温低于设定值，室内采暖循环泵P4运行。达到室温设定值，P4停。

　　 D下雪天可开启备用热源电锅炉补热。

　　 三、双级耦合热泵的搭配

　　 为了使热泵系统更高效地工作，根据不同外温的采暖负荷，采用不同的系统运行模式。不太冷的初冬、初春季节，外温-4℃以上，采用单级空气源热泵供暖。空气源热泵制热量满足外温-4℃时采暖负荷要求。

　　 寒冷冬季，外温低于-5℃，采用双级耦合热泵供暖。双级耦合时，水源热泵制热量满足冬季采暖设计负荷要求。

　　 以本工程为例，建筑采暖负荷系数1140W/℃，不同外温下采暖负荷。(见表1)

　　 热泵机组压缩机制热量随蒸发温度不同而变化。12HP水源热泵与16HP空气源热泵机组在不同蒸发温度下制热性能曲线。蒸发温度-10℃，出水温度42℃，单台16HP空气源热泵制热量28kW，能满足采暖需求。蒸发温度-20℃，16HP空气源热泵与12HP水源热泵双级耦合时，出水温度42℃，制热量42kW，可满足采暖需求。

　　 四、数据整理分析

　　 双级耦合热泵系统在2010年～2011年冬季作为太阳能地板采暖的辅助热源，11月26日～3月15日，其耗电量14814kWh。通过不同环温的典型天数据，分析热泵系统的节能效果。(见表2)

　　 由表2，在初冬、初春季，室外温度较高，此时空气源热泵单级运行制热，满足采暖要求，且能效比较高。寒冷季节双级热泵耦合制热，对于12HP水源热泵由2台6HP压机组成，蒸发温度10℃～20℃，单台压机出力18kW～21kW，机组出力36kW～42kW，出力大小受低温水箱影响，与室外温度影响不大。

　　 室外16HP空气源热泵，冷凝温度对电功率的影响小，低温水箱温度10℃～20℃，功率10kW。2010年～2011年冬季太阳能——双级耦合采暖能耗，太阳能得热，热泵制热量，耗电量统计。(见表3)

　　 五、太阳能建筑节能减排效果

　　 在2010年～2011年冬季实际运行中，采暖耗热量223615.4MJ，太阳能有效得热量98523MJ，按65%的燃煤效率，太阳能冬季采暖节能折合标煤5180.2kg;热泵制热量125092.8MJ，节电19934kWh，每度电折0.36kg标煤，折合节约标煤7176.2kg。本采暖季共节约标煤12356.4kg，每平米建筑面积节标煤19.3kg。(见表4)

　　 六、结语

　　 1)太阳能地板采暖系统是一种节能舒适的采暖系统。作为其辅助热源，多数在夜间低温工况下运行，使用单级空气源热泵，蒸发温度与冷凝温度差加大，造成压缩比增加，能效比降低，制热量下降大等诸多问题。

　　 2)空气源/水源热泵双级耦合作为太阳能的辅助热源，在寒冷地区夜间低温的不利条件下运行，充分利用太阳能，并解决冬季室外温度低、空气源热泵出力不足的问题，在寒冷地区运行提高热泵能效比，节省运行费用。经过2010年～2011年冬季实际运行，太阳能保证率44%，系统节能率76%，热泵系统平均COP为2.34，采暖季节省标煤12356.4kg，取得很好的经济效益和环境效益。