太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合采暖探討

太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合采暖探討摘要：太陽能作為一種能源和動力加以利用，至今已有300多年歷史。作為最清潔的能源之一，目前在我國，利用太陽能加熱生活熱水的技術(shù)相對成熟，使用率較高。但由于太陽能具有分散性、不穩(wěn)定性及效率偏低的缺點，在居民采暖使用方面發(fā)展緩慢。結(jié)合太陽能存在的特點，需要選擇另一種合適的熱源，作為保證太陽能采暖系統(tǒng)正常運行的保證。本文就空氣源熱泵作為太陽能輔助熱源系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在設(shè)計匹配上同時考慮初投資及運行成本，盡可能揚長避短，充分發(fā)揮太陽能和空氣源熱泵的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；聯(lián)合采暖我國大氣環(huán)境形勢日益嚴(yán)竣，冬季供暖時期尤為嚴(yán)重。目前我國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。太陽能作為最節(jié)能、最清潔的能源，利用太陽能光熱采暖是節(jié)能減排，減少霧霾的有效途徑之一。我國是太陽能光熱產(chǎn)業(yè)大國，是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，但目前太陽能的利用還是偏重用于生活用熱水的制取上，用于采暖還沒有很大的推廣。太陽能光熱具有普遍、巨大、無害、長久等眾多優(yōu)點的同時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。因此，需要積極的尋求一種節(jié)能環(huán)保的技術(shù)，與太陽能聯(lián)合應(yīng)用達(dá)到供暖的目的。熱泵技術(shù)無疑成為很好的選擇。其中，空氣源熱泵相對其他形式熱泵，對場地、安裝地區(qū)地質(zhì)、地下水量等硬性環(huán)境條件沒有過多要求，成為與太陽能光熱采暖最佳的輔助熱源。一、太陽能+空氣源熱泵聯(lián)合運行模式太陽能+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)相對密集，建筑設(shè)計很少考慮太陽能集熱器的安裝位置，樓頂面積十分有限，太陽能+空氣源熱泵根據(jù)屋面實際可利用的有效空間優(yōu)化設(shè)計太陽能集熱器，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能減少電輔助加熱需要的能耗。（一）聯(lián)合系統(tǒng)運行原理冬季供暖時通過太陽能集熱器將熱量儲存到儲水箱中。當(dāng)太陽能產(chǎn)熱溫度大于設(shè)定的供暖回水溫度時，采用太陽能供暖，空氣源熱泵主機不啟動；當(dāng)太陽能產(chǎn)熱溫度高于系統(tǒng)回水溫度而低于采暖供水溫度時，采用太陽能與空氣源熱泵主機聯(lián)合供暖；當(dāng)太陽能產(chǎn)熱溫度低于采暖回水溫度時，單獨采用空氣源熱泵主機供暖。另外，可在儲熱水箱設(shè)電輔助加熱器，滿足冬季天氣不好時的洗浴用水需求。如有制冷需求，夏季也可單獨采用空氣源熱泵主機為室內(nèi)進(jìn)行制冷。（二）空氣源熱泵運行原理空氣源熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種節(jié)能、環(huán)保技術(shù)?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)通過輸入少量的高品位能源（電能），實現(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)壓縮機壓縮制熱（或制冷）后，通過換熱裝置將熱量（或冷量）傳遞給水，再經(jīng)過室內(nèi)末端向建筑物供暖（或制冷），還可直接用于熱水供應(yīng)。通常空氣源熱泵每消耗1KW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)闊崃浚┯脩羰褂?，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）太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)特點1、該系統(tǒng)通過太陽能集與熱泵機組聯(lián)合運行方式提供熱源，有效的降低了單一采用太陽能系統(tǒng)供暖的工程造價。2、彌補太陽能不穩(wěn)定特性。3、根據(jù)實際屋頂面積合理安排太陽能集熱器與空氣源熱泵比例，最大化利用可再生的太陽能，同時又滿足住戶需求。4、該系統(tǒng)不燃燒，水電分離，水溫適度恒定，沒有任何危險性。5、該系統(tǒng)采用蓄熱式，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，將采暖系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)分開，使用兩套蓄熱水箱，可同時滿足采暖和中央生活熱水需求，且系統(tǒng)相對獨立，溫度分別設(shè)定，互不影響。6、不僅滿足冬季采暖、夏季制冷，同時滿足建筑一年四季用生活熱水。真正實現(xiàn)了一套設(shè)備三用。在系統(tǒng)運行中，太陽能系統(tǒng)永遠(yuǎn)作為優(yōu)先啟動系統(tǒng)，充分利用太陽能熱量，其次才啟動空氣源熱泵系統(tǒng)，在能源輸入上盡可能節(jié)能，降低運行成本。二、單獨太陽能作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點太陽能具有高效、清潔、環(huán)保、永不枯竭等優(yōu)點，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因素的影響，太陽能具有一定的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，單一的太陽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)用太陽能作為采暖熱源符合國家的能源政策，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)運行費用低。但是由于其能源本身存在的弊端造成了太陽能在采暖推廣過程中有很多阻礙：（1）太陽能分散性的特點，導(dǎo)致需要的集熱器占地面積大。（2）太陽能季節(jié)變化大，供應(yīng)不穩(wěn)定。冬季本身輻照度低，日照時間少，太陽能采暖屬于反季節(jié)使用。（3）在設(shè)計上太陽能采暖系統(tǒng)中太陽能的保證率一般不超過40%，若要提高太陽能保證率則須增加集熱面積，此項增加工程造價。三、太陽能與地源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)的對比地源熱泵采暖是利用地源熱泵機組將巖土體中的能量提取出來，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、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，然而由于地源熱泵長期連續(xù)取熱或蓄熱，將會使地下溫度場遭到破壞，長期得不到有效恢復(fù)，造成土壤溫度不斷降低或升高，從而降低了熱泵機組的能效比，使熱泵的運行情況不穩(wěn)定。因此，利用地源熱泵采暖技術(shù)對建筑物進(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：冬季通過太陽能集熱器收集太陽輻射熱量，利用熱泵機組從地源吸收熱量，將兩種能源結(jié)合起來，提高建筑物供暖需要的溫度；夏季將太陽能集熱器收集的太陽輻射熱量和熱泵機組從室內(nèi)吸收的熱量一起釋放到地源中貯存起來，這樣既可以實現(xiàn)夏季建筑物的空調(diào)制冷，又可以實現(xiàn)地源的能量平衡，為冬季取暖提供能源保障。太陽能+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時為建筑物采暖，較普通太陽能采暖系統(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，太陽能+地源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)較普通單一太陽能集熱系統(tǒng)所需的集熱面積小很多，更大限度地發(fā)揮太陽能和地?zé)崮芨髯缘膬?yōu)越性，彌補二者不足之處，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)，對周邊環(huán)境影響大、效率下降快等缺點，相對空氣源熱泵對環(huán)境、土質(zhì)要求更加嚴(yán)格，使得太陽能+地源熱泵的使用率低于太陽能+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，該空調(diào)系統(tǒng)末端采用臥式暗裝風(fēng)機盤管系統(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)機盤管的風(fēng)量及室內(nèi)設(shè)定溫度。（3）冷/熱負(fù)荷計算：經(jīng)計算，建筑所需總冷負(fù)荷為90kW，所需總熱負(fù)荷為81kW。（4）太陽能集熱面積匹配：設(shè)計太陽能供熱量為室內(nèi)總需熱量的50%，以滿足室外溫度較低時系統(tǒng)能正常供熱。所需供熱負(fù)荷為40kW，營業(yè)時間為8h，則太陽能系統(tǒng)需提供的總熱量為：40kW*8h=320kwh。冬季太陽能集熱器每平米實際得熱量為：2.592kwh。根據(jù)上述計算，所需的太陽能集熱面積為：320kWh/2.592kwh=123m2。根據(jù)太陽能實際安裝尺寸，匹配面積為117m2。（5）空氣源熱泵主機選型：選用1臺模塊化空氣源熱泵FM-20Q（R），機組的制冷量為70.78KW，制熱量為75.02KW。即可滿足使用要求。（6）運行費用分析：本系統(tǒng)運行方式為太陽能+空氣源熱泵模式，太陽能的加入，為系統(tǒng)運行節(jié)約大量費用，體現(xiàn)的優(yōu)勢之處在于降低空氣源熱泵的開機率及開機時間。根據(jù)實際監(jiān)測：冬季系統(tǒng)運行費用：17720元，則冬季每平方米運行費用約為：19.69元/m2。夏季系統(tǒng)運行費用：14056元，則夏季每平方米運行費用約為：15.62元/m2o結(jié)束語目前，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