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摘要：太阳能作为一种能源和动力加以利用，至今已有300多年历史。作为最清洁的能源之一，目前在我国，利用太阳能加热生活热水的技术相对成熟，使用率较高。但由于太阳能具有分散性、不稳定性及效率偏低的缺点，在居民采暖使用方面发展缓慢。结合太阳能存在的特点，需要选择另一种合适的热源，作为保证太阳能采暖系统正常运行的保证。本文就空气源热泵作为太阳能辅助热源系统进行了分析，在设计匹配上同时考虑初投资及运行成本，尽可能扬长避短，充分发挥太阳能和空气源热泵的优势。 关键词：太阳能；空气源热泵；联合采暖 中图分类号：TK511文献标识码： A 我国大气环境形势日益严竣，冬季供暖时期尤为严重。目前我国冬季采暖仍以燃煤锅炉为主要热源，冬季以臭氧、细颗粒物（PM2.5）和酸雨为特征的区域性复合型大气污染格外突出，区域内大范围同时出现空气重污染现象的频次日益增多，严重制约社会经济的可持续发展，威胁人民群众身体健康。因此，大力推进清洁能源在冬季采暖中的利用，加快淘汰落后产能，大幅削减污染物排放量，是改善区域大气环境的有效途径。 太阳能作为最节能、最清洁的能源，利用太阳能光热采暖是节能减排，减少雾霾的有效途径之一。我国是太阳能光热产业大国，是世界上太阳能资源最丰富的地区之一，但目前太阳能的利用还是偏重用于生活用热水的制取上，用于采暖还没有很大的推广。 太阳能光热具有普遍、巨大、无害、长久等众多优点的同时也具有集热器占地面积大、且分散性、不稳定性、初始投资高及效率偏低的缺点。因此，需要积极的寻求一种节能环保的技术，与太阳能联合应用达到供暖的目的。热泵技术无疑成为很好的选择。其中，空气源热泵相对其他形式热泵，对场地、安装地区地质、地下水量等硬性环境条件没有过多要求，成为与太阳能光热采暖最佳的辅助热源。 一、太阳能+空气源热泵联合运行模式 太阳能+空气源热泵系统是目前最先进、最节能的中央热水加热方式。不仅可以满足生活热水需求，而且可以提高系统温度进行房屋采暖。整套系统由太阳能集热器、空气源热泵、蓄热水箱、换热系统、水泵及末端系统组成。 由于当代城镇建设相对密集，建筑设计很少考虑太阳能集热器的安装位置，楼顶面积十分有限，太阳能+空气源热泵根据屋面实际可利用的有效空间优化设计太阳能集热器，缺少的热量使用效率非常高的空气源热泵进行补充，即使在天气状况最不利的情况下，也可以满足采暖所需供热温度。最大限度的利用太阳能减少电辅助加热需要的能耗。 （一）联合系统运行原理 冬季供暖时通过太阳能集热器将热量储存到储水箱中。当太阳能产热温度大于设定的供暖回水温度时，采用太阳能供暖，空气源热泵主机不启动；当太阳能产热温度高于系统回水温度而低于采暖供水温度时，采用太阳能与空气源热泵主机联合供暖；当太阳能产热温度低于采暖回水温度时，单独采用空气源热泵主机供暖。 另外，可在储热水箱设电辅助加热器，满足冬季天气不好时的洗浴用水需求。如有制冷需求，夏季也可单独采用空气源热泵主机为室内进行制冷。 （二）空气源热泵运行原理 空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保技术。空气源热泵系统通过输入少量的高品位能源（电能），实现能量由低温向高温转移。以室外空气为冷热源，以制冷剂（R417a或CO2）为媒介，制冷剂在蒸发器（或冷凝器） 中吸收空气中的能量，再经压缩机压缩制热（或制冷）后，通过换热装置将热量（或冷量） 传递给水，再经过室内末端向建筑物供暖（或制冷），还可直接用于热水供应。通常空气源热泵每消耗1KW 的能量，可以从空气中吸收2KW 左右的热量或冷量。加上输入的 1KW 电能，则实际可产生3KW -3.5KW 的能量。 与锅炉（电、燃料） 供热系统相比，锅炉供热只能将 90% 以上的电能或70-90% 的燃料内能变为热量，供用户使用，而空气源热泵的热效率可以达到350%，因此空气源热泵要比电锅炉加热节省50% -70% 的电能，比燃料锅炉可节省30% -40% 的能量。 （三）太阳能+空气源热泵系统特点 1、该系统通过太阳能集与热泵机组联合运行方式提供热源，有效的降低了单一采用太阳能系统供暖的工程造价。 2、弥补太阳能不稳定特性。 3、根据实际屋顶面积合理安排太阳能集热器与空气源热泵比例，最大化利用可再生的太阳能，同时又满足住户需求。 4、该系统不燃烧，水电分离，水温适度恒定，没有任何危险性。 5、该系统采用蓄热式，系统运行稳定，将采暖系统和生活热水系统分开，使用两套蓄热水箱，可同时满足采暖和中央生活热水需求，且系统相对独立，温度分别设定，互不影响。 6、不仅满足冬季采暖、夏季制冷，同时满足建筑一年四季用生活热水。真正实现了一套设备三用。在系统运行中，太阳能系统永远作为优先启动系统，充分利用太阳能热量，其次才启动空气源热泵系统，在能源输入上尽可能节能，降低运行成本。 二、单独太阳能作为采暖系统热源的优缺点 太阳能具有高效、清洁、环保、永不枯竭等优点，但由于受纬度、海拔高度、季节、昼夜等自然条件和阴雨天气等随机因素的影响，太阳能具有一定的间歇性和不稳定性。 因此，单一的太阳能采暖装置很难满足寒冷地区办公建筑的供暖需求，配置高效、环保的辅助热源十分必要。 在建筑中应用太阳能作为采暖热源符合国家的能源政策，是充分利用可再生能源降低常规能源使用的重要途径，系统运行费用低。但是由于其能源本身存在的弊端造成了太阳能在采暖推广过程中有很多阻碍：（1）太阳能分散性的特点，导致需要的集热器占地面积大。（2）太阳能季节变化大，供应不稳定。冬季本身辐照度低，日照时间少，太阳能采暖属于反季节使用。（3）在设计上太阳能采暖系统中太阳能的保证率一般不超过40%，若要提高太阳能保证率则须增加集热面积，此项增加工程造价。 三、太阳能与地源热泵联合采暖系统的对比 地源热泵采暖是利用地源热泵机组将岩土体中的能量提取出来，提高水温后进行供暖的技术。具有高效节能、绿色环保、运行稳定等优势，然而由于地源热泵长期连续取热或蓄热，将会使地下温度场遭到破坏，长期得不到有效恢复，造成土壤温度不断降低或升高，从而降低了热泵机组的能效比，使热泵的运行情况不稳定。因此，利用地源热泵采暖技术对建筑物进行采暖往往也需要辅助热源进行配合。 将太阳能+地源热泵结合成联合采暖系统。该系统的工作原理：冬季通过太阳能集热器收集太阳辐射热量，利用热泵机组从地源吸收热量，将两种能源结合起来，提高建筑物供暖需要的温度；夏季将太阳能集热器收集的太阳辐射热量和热泵机组从室内吸收的热量一起释放到地源中贮存起来，这样既可以实现夏季建筑物的空调制冷，又可以实现地源的能量平衡，为冬季取暖提供能源保障。 太阳能+地源热泵联合采暖系统可以在集热器介质温度为10~20℃时为建筑物采暖，较普通太阳能采暖系统需要的集热系统介质温度低20~30℃，大大降低了集热器介质的工作温度，提高了集热器的效率。在承担相同热负荷的情况下，太阳能+地源热泵联合采暖系统较普通单一太阳能集热系统所需的集热面积小很多，更大限度地发挥太阳能和地热能各自的优越性，弥补二者不足之处，提高两种可再生能源的利用率，达到稳定供暖的目的。但由于初始投资高、存在热岛效应，对周边环境影响大、效率下降快等缺点，相对空气源热泵对环境、土质要求更加严格，使得太阳能+地源热泵的使用率低于太阳能+空气源热泵。 五、工程案例介绍 本工程为某银行采暖―空调工程，总建筑面积为900m2。层数为2层，层高为3.8m，吊顶高度为3.3m。楼体为砖混结构。 （1）冷/热源设置：本工程冬季采暖热源采用太阳能与空气源热泵联合供暖，目的是节能环保。夏季采用空气源热泵制冷，供回水温度为7℃~12℃。（2）末端设置：根据建筑使用性质及特点，该空调系统末端采用卧式暗装风机盘管系统，由液晶显示器进行控制，用户可根据情况，调节风机盘管的风量及室内设定温度。（3）冷/热负荷计算：经计算，建筑所需总冷负荷为90kW ，所需总热负荷为81kW 。（4）太阳能集热面积匹配：设计太阳能供热量为室内总需热量的50%，以满足室外温度较低时系统能正常供热。所需供热负荷为40kW，营业时间为8h，则太阳能系统需提供的总热量为：40kW *8h=320kwh。冬季太阳能集热器每平米实际得热量为：2.592kwh。根据上述计算，所需的太阳能集热面积为：320kW h/2.592kwh=123m2。根据太阳能实际安装尺寸，匹配面积为117m2。（5）空气源热泵主机选型：选用1台模块化空气源热泵 FM -20Q （R），机组的制冷量为 70.78KW，制热量为75.02KW。即可满足使用要求。（6）运行费用分析：本系统运行方式为太阳能+空气源热泵模式，太阳能的加入，为系统运行节约大量费用，体现的优势之处在于降低空气源热泵的开机率及开机时间。根据实际监测：冬季系统运行费用：17720元，则冬季每平方米运行费用约为：19.69 元/m2。夏季系统运行费用：14056元，则夏季每平方米运行费用约为：15.62 元/m2。 结束语 目前，很多大型空调生产公司已经研发出适合于北方的超低温空气源热泵，可以应用在冬季气温非常低的北方地区。这种低温空气源热泵系统在对压缩机、制冷剂及换热系统进行了优化后，即使在气温低至-15℃时，仍可以从空气中取得热量，而且，效率远远高于现有的采暖方式。相信太阳能与超低温空气源热泵联合采暖一定会在北方地区有很好的发展。 参考文献： [1]王静. 太阳能与空气源热泵联合采暖探讨[J]. 科技风,2014,02:105. [2]王海燕. 太阳能-地源热泵采暖系统在寒冷地区办公建筑中的应用[J]. 河南科技,2014,03:170-171. |
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