太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合采暖探討

太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合采暖探討摘要：太陽(yáng)能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，至今已有300多年歷史。作為最清潔的能源之一，目前在我國(guó)，利用太陽(yáng)能加熱生活熱水的技術(shù)相對(duì)成熟，使用率較高。但由于太陽(yáng)能具有分散性、不穩(wěn)定性及效率偏低的缺點(diǎn)，在居民采暖使用方面發(fā)展緩慢。結(jié)合太陽(yáng)能存在的特點(diǎn)，需要選擇另一種合適的熱源，作為保證太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。本文就空氣源熱泵作為太陽(yáng)能輔助熱源系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在設(shè)計(jì)匹配上同時(shí)考慮初投資及運(yùn)行成本，盡可能揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮太陽(yáng)能和空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；空氣源熱泵；聯(lián)合采暖我國(guó)大氣環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)竣，冬季供暖時(shí)期尤為嚴(yán)重。目前我國(guó)冬季采暖仍以燃煤鍋爐為主要熱源，冬季以臭氧、細(xì)顆粒物（PM2.5）和酸雨為特征的區(qū)域性復(fù)合型大氣污染格外突出，區(qū)域內(nèi)大范圍同時(shí)出現(xiàn)空氣重污染現(xiàn)象的頻次日益增多，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅人民群眾身體健康。因此，大力推進(jìn)清潔能源在冬季采暖中的利用，加快淘汰落后產(chǎn)能，大幅削減污染物排放量，是改善區(qū)域大氣環(huán)境的有效途徑。太陽(yáng)能作為最節(jié)能、最清潔的能源，利用太陽(yáng)能光熱采暖是節(jié)能減排，減少霧霾的有效途徑之一。我國(guó)是太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)大國(guó)，是世界上太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一，但目前太陽(yáng)能的利用還是偏重用于生活用熱水的制取上，用于采暖還沒(méi)有很大的推廣。太陽(yáng)能光熱具有普遍、巨大、無(wú)害、長(zhǎng)久等眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也具有集熱器占地面積大、且分散性、不穩(wěn)定性、初始投資高及效率偏低的缺點(diǎn)。因此，需要積極的尋求一種節(jié)能環(huán)保的技術(shù)，與太陽(yáng)能聯(lián)合應(yīng)用達(dá)到供暖的目的。熱泵技術(shù)無(wú)疑成為很好的選擇。其中，空氣源熱泵相對(duì)其他形式熱泵，對(duì)場(chǎng)地、安裝地區(qū)地質(zhì)、地下水量等硬性環(huán)境條件沒(méi)有過(guò)多要求，成為與太陽(yáng)能光熱采暖最佳的輔助熱源。一、太陽(yáng)能+空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式太陽(yáng)能+空氣源熱泵系統(tǒng)是目前最先進(jìn)、最節(jié)能的中央熱水加熱方式。不僅可以滿足生活熱水需求，而且可以提高系統(tǒng)溫度進(jìn)行房屋采暖。整套系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵、蓄熱水箱、換熱系統(tǒng)、水泵及末端系統(tǒng)組成。由于當(dāng)代城鎮(zhèn)建設(shè)相對(duì)密集，建筑設(shè)計(jì)很少考慮太陽(yáng)能集熱器的安裝位置，樓頂面積十分有限，太陽(yáng)能+空氣源熱泵根據(jù)屋面實(shí)際可利用的有效空間優(yōu)化設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器，缺少的熱量使用效率非常高的空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充，即使在天氣狀況最不利的情況下，也可以滿足采暖所需供熱溫度。最大限度的利用太陽(yáng)能減少電輔助加熱需要的能耗。（一）聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行原理冬季供暖時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將熱量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)水箱中。當(dāng)太陽(yáng)能產(chǎn)熱溫度大于設(shè)定的供暖回水溫度時(shí)，采用太陽(yáng)能供暖，空氣源熱泵主機(jī)不啟動(dòng)；當(dāng)太陽(yáng)能產(chǎn)熱溫度高于系統(tǒng)回水溫度而低于采暖供水溫度時(shí)，采用太陽(yáng)能與空氣源熱泵主機(jī)聯(lián)合供暖；當(dāng)太陽(yáng)能產(chǎn)熱溫度低于采暖回水溫度時(shí)，單獨(dú)采用空氣源熱泵主機(jī)供暖。另外，可在儲(chǔ)熱水箱設(shè)電輔助加熱器，滿足冬季天氣不好時(shí)的洗浴用水需求。如有制冷需求，夏季也可單獨(dú)采用空氣源熱泵主機(jī)為室內(nèi)進(jìn)行制冷。（二）空氣源熱泵運(yùn)行原理空氣源熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來(lái)的一種節(jié)能、環(huán)保技術(shù)?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過(guò)輸入少量的高品位能源（電能），實(shí)現(xiàn)能量由低溫向高溫轉(zhuǎn)移。以室外空氣為冷熱源，以制冷劑（R417a或CO2）為媒介，制冷劑在蒸發(fā)器（或冷凝器）中吸收空氣中的能量，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮制熱（或制冷）后，通過(guò)換熱裝置將熱量（或冷量）傳遞給水，再經(jīng)過(guò)室內(nèi)末端向建筑物供暖（或制冷），還可直接用于熱水供應(yīng)。通?？諝庠礋岜妹肯?KW的能量，可以從空氣中吸收2KW左右的熱量或冷量。加上輸入的1KW電能，則實(shí)際可產(chǎn)生3KW-3.5KW的能量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70-90%的燃料內(nèi)能變?yōu)闊崃?，供用戶使用，而空氣源熱泵的熱效率可以達(dá)到350%，因此空氣源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省50%-70%的電能，比燃料鍋爐可節(jié)省30%-40%的能量。（三）太陽(yáng)能+空氣源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)1、該系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能集與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行方式提供熱源，有效的降低了單一采用太陽(yáng)能系統(tǒng)供暖的工程造價(jià)。2、彌補(bǔ)太陽(yáng)能不穩(wěn)定特性。3、根據(jù)實(shí)際屋頂面積合理安排太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵比例，最大化利用可再生的太陽(yáng)能，同時(shí)又滿足住戶需求。4、該系統(tǒng)不燃燒，水電分離，水溫適度恒定，沒(méi)有任何危險(xiǎn)性。5、該系統(tǒng)采用蓄熱式，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，將采暖系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)分開(kāi)，使用兩套蓄熱水箱，可同時(shí)滿足采暖和中央生活熱水需求，且系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，溫度分別設(shè)定，互不影響。6、不僅滿足冬季采暖、夏季制冷，同時(shí)滿足建筑一年四季用生活熱水。真正實(shí)現(xiàn)了一套設(shè)備三用。在系統(tǒng)運(yùn)行中，太陽(yáng)能系統(tǒng)永遠(yuǎn)作為優(yōu)先啟動(dòng)系統(tǒng)，充分利用太陽(yáng)能熱量，其次才啟動(dòng)空氣源熱泵系統(tǒng)，在能源輸入上盡可能節(jié)能，降低運(yùn)行成本。二、單獨(dú)太陽(yáng)能作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點(diǎn)太陽(yáng)能具有高效、清潔、環(huán)保、永不枯竭等優(yōu)點(diǎn)，但由于受緯度、海拔高度、季節(jié)、晝夜等自然條件和陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響，太陽(yáng)能具有一定的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，單一的太陽(yáng)能采暖裝置很難滿足寒冷地區(qū)辦公建筑的供暖需求，配置高效、環(huán)保的輔助熱源十分必要。在建筑中應(yīng)用太陽(yáng)能作為采暖熱源符合國(guó)家的能源政策，是充分利用可再生能源降低常規(guī)能源使用的重要途徑，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低。但是由于其能源本身存在的弊端造成了太陽(yáng)能在采暖推廣過(guò)程中有很多阻礙：（1）太陽(yáng)能分散性的特點(diǎn)，導(dǎo)致需要的集熱器占地面積大。（2）太陽(yáng)能季節(jié)變化大，供應(yīng)不穩(wěn)定。冬季本身輻照度低，日照時(shí)間少，太陽(yáng)能采暖屬于反季節(jié)使用。（3）在設(shè)計(jì)上太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中太陽(yáng)能的保證率一般不超過(guò)40%，若要提高太陽(yáng)能保證率則須增加集熱面積，此項(xiàng)增加工程造價(jià)。三、太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)的對(duì)比地源熱泵采暖是利用地源熱泵機(jī)組將巖土體中的能量提取出來(lái)，提高水溫后進(jìn)行供暖的技術(shù)。具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，然而由于地源熱泵長(zhǎng)期連續(xù)取熱或蓄熱，將會(huì)使地下溫度場(chǎng)遭到破壞，長(zhǎng)期得不到有效恢復(fù)，造成土壤溫度不斷降低或升高，從而降低了熱泵機(jī)組的能效比，使熱泵的運(yùn)行情況不穩(wěn)定。因此，利用地源熱泵采暖技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行采暖往往也需要輔助熱源進(jìn)行配合。將太陽(yáng)能+地源熱泵結(jié)合成聯(lián)合采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理：冬季通過(guò)太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)輻射熱量，利用熱泵機(jī)組從地源吸收熱量，將兩種能源結(jié)合起來(lái)，提高建筑物供暖需要的溫度；夏季將太陽(yáng)能集熱器收集的太陽(yáng)輻射熱量和熱泵機(jī)組從室內(nèi)吸收的熱量一起釋放到地源中貯存起來(lái)，這樣既可以實(shí)現(xiàn)夏季建筑物的空調(diào)制冷，又可以實(shí)現(xiàn)地源的能量平衡，為冬季取暖提供能源保障。太陽(yáng)能+地源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)可以在集熱器介質(zhì)溫度為10?20°C時(shí)為建筑物采暖，較普通太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)需要的集熱系統(tǒng)介質(zhì)溫度低20?30C，大大降低了集熱器介質(zhì)的工作溫度，提高了集熱器的效率。在承擔(dān)相同熱負(fù)荷的情況下，太陽(yáng)能+地源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)較普通單一太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所需的集熱面積小很多，更大限度地發(fā)揮太陽(yáng)能和地?zé)崮芨髯缘膬?yōu)越性，彌補(bǔ)二者不足之處，提高兩種可再生能源的利用率，達(dá)到穩(wěn)定供暖的目的。但由于初始投資高、存在熱島效應(yīng)，對(duì)周邊環(huán)境影響大、效率下降快等缺點(diǎn)，相對(duì)空氣源熱泵對(duì)環(huán)境、土質(zhì)要求更加嚴(yán)格，使得太陽(yáng)能+地源熱泵的使用率低于太陽(yáng)能+空氣源熱泵。五、工程案例介紹本工程為某銀行采暖一空調(diào)工程，總建筑面積為900m2。層數(shù)為2層，層高為3.8m，吊頂高度為3.3m。樓體為磚混結(jié)構(gòu)。（1）冷/熱源設(shè)置：本工程冬季采暖熱源采用太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合供暖，目的是節(jié)能環(huán)保。夏季采用空氣源熱泵制冷，供回水溫度為7°C?12°C。（2）末端設(shè)置:根據(jù)建筑使用性質(zhì)及特點(diǎn)，該空調(diào)系統(tǒng)末端采用臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，由液晶顯示器進(jìn)行控制，用戶可根據(jù)情況，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的風(fēng)量及室內(nèi)設(shè)定溫度。（3）冷/熱負(fù)荷計(jì)算：經(jīng)計(jì)算，建筑所需總冷負(fù)荷為90kW，所需總熱負(fù)荷為81kW。（4）太陽(yáng)能集熱面積匹配：設(shè)計(jì)太陽(yáng)能供熱量為室內(nèi)總需熱量的50%，以滿足室外溫度較低時(shí)系統(tǒng)能正常供熱。所需供熱負(fù)荷為40kW，營(yíng)業(yè)時(shí)間為8h，則太陽(yáng)能系統(tǒng)需提供的總熱量為：40kW*8h=320kwh。冬季太陽(yáng)能集熱器每平米實(shí)際得熱量為：2.592kwh。根據(jù)上述計(jì)算，所需的太陽(yáng)能集熱面積為：320kWh/2.592kwh=123m2。根據(jù)太陽(yáng)能實(shí)際安裝尺寸，匹配面積為117m2。（5）空氣源熱泵主機(jī)選型：選用1臺(tái)模塊化空氣源熱泵FM-20Q（R），機(jī)組的制冷量為70.78KW，制熱量為75.02KW。即可滿足使用要求。（6）運(yùn)行費(fèi)用分析：本系統(tǒng)運(yùn)行方式為太陽(yáng)能+空氣源熱泵模式，太陽(yáng)能的加入，為系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)約大量費(fèi)用，體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)之處在于降低空氣源熱泵的開(kāi)機(jī)率及開(kāi)機(jī)時(shí)間。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)：冬季系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用：17720元，則冬季每平方米運(yùn)行費(fèi)用約為：19.69元/m2。夏季系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用：14056元，則夏季每平方米運(yùn)行費(fèi)用約為：15.62元/m2o結(jié)束語(yǔ)目前，很多大型空調(diào)生產(chǎn)公司已經(jīng)研發(fā)出適合于北方的超低溫空氣源熱泵，可以應(yīng)用在冬季氣溫非常低的北方地區(qū)。這種低溫空氣源熱泵系