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【工程技术】太阳能+热泵的供暖系统应用大解析(有图有数据)
太阳能产业资讯网 2017-08-22 16:37:38 分享至:
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[摘要]现就不同环境及使用条件下,如何选用合适的太阳能及热泵供暖系统作了概括性分析,并对基于地源热泵供热的太阳能土壤源跨季节储热系统作了简要的技术阐述。

“雾霾”是近些年所有人都躲不过、绕不开的话题,北方的供暖,更是采暖季雾霾直线加剧的根本原因。采用清洁能源供暖,是缓解甚至解决这一污染问题的最直接有效的办法。北方部分城市及地区,也对太阳能和热泵等清洁能源供暖项目给予了补贴。但各地区实施的方案合理性也是参差不齐,很多厂商也是任意发挥,使各类型太阳能、热泵等清洁能源采暖的效果大打折扣。现就不同环境及使用条件下,如何选用合适的太阳能及热泵供暖系统作了概括性分析,并对基于地源热泵供热的太阳能土壤源跨季节储热系统作了简要的技术阐述。


从该热工分区图可以看出,不需要供暖的“温和地区”及“夏热冬暖地区”国土面积占比很小,我国大部分地区都需要供暖。

1、采暖季辐照较为充足地区采暖方案

1.1、在采暖季辐照较为充足地区,季节性采暖时,宜采用太阳能热泵(直膨式)

在这样的地区如采用一般的太阳能系统时,则非采暖季还须解决太阳能集热系统的过热问题,且采用太阳能热泵(直膨式)时,太阳能集热蒸发器宜采用无保温的裸露在空气中的有金属流道及选择性涂层的金属集热板(铝制金属膨胀板或类似结构),这样即使在非采暖季太阳辐照较大时,通过自然空气对流,会及时将集热蒸发器的热量带走,根据在不同辐照条件及风速条件下的测试及应用,温度不会超过70℃。

另外太阳能热泵(直膨式)还有如下特点:集热蒸发器高效率-------集热器效率可达70%以上。主机高COP值-------晴好天气,COP高达5以上;即使在无光照的夜间甚至阴雨天气,COP也能超过2。抗冻——采用环保冷媒R134a作为热泵氟工质,冰点为-103℃,自然环境中用不冰冻。

下面简单介绍下太阳能热泵的工作机理:吸热蒸发、高温压缩、放热冷凝、节流降压。

吸热蒸发------阳光照射到集热热蒸发板上,此时蒸发板上选择性吸收涂层高效吸收太阳能辐射能(吸收比高达0.93),并即可转化为热能,加热并蒸发流道内的氟工质,使之由液态吸热变成气态;

高温压缩------氟工质以一定的过热度进入压缩机压缩,形成高温高压氟蒸汽;

放热冷凝------高温高压氟蒸汽进入设置在储热水箱中的盘管式冷凝器(或套管式换热器),氟蒸汽冷凝放热加热水箱中的冷水(或加热经过套管式换热器的冷水);

节流降压------液态氟工质在压力作用下经储液器、干燥过滤器,进入电子膨胀阀节流膨胀,降压降温进入太阳能集热蒸发器,再次吸热蒸发而进入下一个热量传输循环。

太阳雨太原形象店(及办事处),共三层,每层建筑面积近200㎡,新能源采暖末端一二层为风盘,顶层为地暖。太阳能直膨式热泵系统,为建筑楼面展示应用的四套新能源系统之一,因该建筑屋面面积限制,所以配套的直膨式集热蒸发器(850mm*2200mm)只安装了6块,共计11.22㎡,直膨式热泵主机也只相应配套了2P机组,采暖季输出功率可达8kW。采暖季一般情况下由太阳能直膨式热泵供热,极端天气采暖负荷增大后,直膨式热泵机组再与配套的其他产热设备共同供热。


(原理图1.1)季节性采暖——太阳能热泵(直膨式)供暖方案

(案例1.1)太阳雨太原形象店(及办事处) 太阳能热泵(直膨式)供暖

(案例1.1)太阳雨太原办事处 太阳能热泵(直膨式)供暖——集热蒸发板

1.2、在全年辐照较为充足地区,且全年供暖时,宜选用:太阳能(主体)+双源热泵(辅助)或太阳能(主体)+锅炉或电热等(辅助)。

此类系统主要用在热水负荷及采暖负荷各季节较为均衡的情况,虽然是全年采暖,但是冬季采暖负荷还是比夏季要大一些,为了减少夏季热辐射(避免夏季过热),增大冬季热辐射(避免冬季供热不足),可采用设计安装特定的集热器角度予以平衡。太阳能集热面积按春秋配置,并且参照此选值,可以选用双源热泵,在热负荷为轻载工况下,全部或大部分由太阳能直接供热;在太阳能直接供热不能满足采暖需求时,系统自动切换到水源热泵工况,该工况下,太阳能系统因工作在低温条件下,所以太阳能系统集热效率可达到正常工况的1.5倍甚至2倍。如水源热泵工况仍不能满足需求,则再自动进入到空气源工况即可。

(原理图1.2)全年采暖:太阳能+双源热泵供暖方案

(案例1.2)全年采暖——西藏国际云端大酒店

2、采暖季气温不太低地区采暖方案

此类地区气温不太低,则可优选空气源热泵作为供暖主要热源,其形式可为空气源热泵(或电)+蓄热体供暖+太阳能提供生活热水,或多联供热泵采暖制冷及生产热水(冬季可以制热;夏季在制冷的同时可以免费生产热水,使夏季的综合COP达到6左右)。

太原古交金龙商务酒店(参见“案例2.1”附图),原设计是酒店全部采用空气源供暖+太阳能热水系统(参见原理图2.1),但由于酒店没有空气源供暖经验,只改造了其中部分客房计900㎡左右,采用太阳雨牌20P空气源低温机组3台,为此900㎡的客房供热,且提供酒店生活热水,该项目2015年底投入使用,已可靠运行了两个采暖季。

南京工业大学浦口校区食堂二层建筑面积约1000㎡,室内采用EP-238KM4风机盘管20台(单台换热功率12.15kW),由三台太阳雨牌25P多联供空气源热泵机组供冷供热,夏季制冷时热回收产生的热水,直接供应附近的体育馆泳池使用。此项目为南京工业大学多能源耦合母系统中的一个子系统(参见“案例2.2”附图),非制冷工况时,该三联供机组又作为母系统的热泵热水机组使用,其模式切换,均根据带有远程监控的PLC控制系统所发出的指令执行。该项目2015年底投入使用,至今已可靠运行了近两个冬季、两个夏季。该子系统所用的25P多联供机组,输入功率22kW,制热输出76kW,制冷输出67kW,考虑到机组首要功能是空调功能,为了确保制冷效率,热回收效率仅按30%使用)。(注:本人为此项目太阳能部分技术总牵头及方案审核)

(原理图2.1)空气源热泵(或电)+蓄热体供暖,太阳能提供生活热水

案例2.1空气源热泵采暖——太原古交金龙商务酒店

(原理图2.2)多联供热泵采暖制冷及生产热水(制冷+热回收)——南工大食堂二楼

(案例2.2)多联供热泵采暖制冷及生产热水(制冷+热回收)监控界面——南工大食堂二楼

(案例2.2)多联供热泵采暖制冷及生产热水(制冷+热回收)现场机组——南工大食堂二楼

(案例2.2)多联供热泵采暖制冷及生产热水(制冷+热回收)现场机组——南工大食堂二楼

3、地下水丰富且地下水流动性好的地区采暖方案

此类应用条件下,因为地下水流动性好,所以地下温度基本上就是全年恒温的状态,不会因为冷热负荷的不均衡造成地埋管温度持续下降或上升而影响制热或制冷效果,所以这些地区直接采用地源热泵供暖制冷制热水即可。系统原理如下图所示。

(原理图3)地源热泵供暖制冷制热水

4、地下水贫乏或地下水流动性差的地区采暖方案

此类地区,会因为冷热负荷的不均衡造成地埋管温度持续下降或上升而影响制热或制冷效果。

4.1、当热负荷>冷负荷时,除去采用地源热泵供暖制冷生产热水外,还须配套太阳能跨季节补热方案,这样就避免了地下温度持续下降而造成的采暖季供暖功率不足的情况。

山西长治县保障房金色家园小区地源热泵结合太阳能跨季节储热项目,系统完全交工于2014年,小区面积21380㎡,建筑面积57000㎡,建筑占地面积9500㎡,主体住宅6层,实际利用换热区域面积12150㎡,单井面积20㎡左右,实际打井数量620个,井深105米,换热量40W/m,岩土温度16℃,岩土热容1940kJ/(M3.℃);热泵机组制热量1400kw,制冷量1500kW两台;真空管型热管集热器近155组,计750㎡;小区道路下均铺设了换热盘管,作为路面集热器路面集热器,总面积约4800㎡。

(原理图4.1)热负荷>冷负荷——地源热泵供暖制冷生产热水+太阳能跨季节补热

下表简略地分析了类似于长治辐照及气候条件地区(华北大部分区域、西北大部分区域)的各类建筑中,太阳能供暖系统是否采用跨季节储热,是提升太阳能供暖保障率的显著技术措施。在这类地区,多层住宅采用普通太阳能集热系统,配套土壤源跨季节储热技术,可达到100%供暖保障率。

4.2、热负荷<冷负荷——地源热泵供暖制冷生产热水+冷却塔散热

此类地区,对应于附件中的夏热冬暖及部分夏热冬冷地区,会因为冷负荷远大于热负荷造成地埋管温度持续上升而影响制冷效果,地源热泵机组必须配套足够散热功率的冷却塔才能持续有效地运行。

上文将适用于不同环境条件下的太阳能、热泵等清洁能源供暖系统的应用形式作了简单地介绍。其实在严寒地区、以及寒冷地区、甚至部分夏热冬冷地区,也可以用水(有保温措施的水箱、水池)作为储热体,配套一定的辅助热源,建设成相当规模的清洁能源热力站,将非采暖季太阳能采集的热量储存到非采暖季作为城镇及社区的供暖热源,再配套低温传热用热技术&分布式及集中式能源互补技术,用无污染的、环境界面友好的太阳能及热泵等清洁能源供暖系统,完全取代以煤为主要热源的传统供暖系统。在北欧的丹麦、荷兰,北美的加拿大,已经在大规模推广普及这一供暖技术,甚至都将此纳入国家能源替代计划;近年来,国内也有部分厂家,像太阳雨等太阳能行业领头企业,对国外的先进、成熟、可靠的专业技术进行了引进与消化。相信在行业有识之士的努力下、在国家政策的激励下、在市场及环境需求的推动下,不远的将来,太阳能、热泵等清洁能源必将成为供暖主力军。

来源:《中国太阳能工程》编辑部   作者:太阳雨集团有限公司 蔡贞林


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