北京地区居住建筑太阳能与地埋管热泵系统供热综合应

1北京地区居住建筑太阳能与地埋管热泵系统供热综合应用分析中国建筑科学研究院空调所李忠摘要本文针对北京地区居住建筑的具体情况和要求，在常规太阳能热水系统和地埋管热泵系统的基础上，提出了用于居住建筑供热的太阳能与地埋管热泵系统供热综合应用系统，并对系统流程与控制策略进行了分析，给出了该系统的使用条件和范围。本文为该系统的推广和应用提供了基础，有利于进一步在建筑中推进可再生能源技术的应用。关键词：北京居住建筑太阳能地埋管热泵供热一、绪论随着国际能源形势的日趋紧张以及传统能源燃烧排放物带来的种种问题，大量传统能源的使用对北京等城市的经济和环境都造成了巨大负担。以太阳能和浅层地热能为代表的可再生能源建筑应用技术受到了越来越受到重视，利用太阳能和地热能来为建筑提供采暖和生活热水以节约大量化石能源成为当前业界关注的一个热点问题。为有效降低作为建筑能耗中主要部分的建筑采暖能耗，“北京市“十一五”时期建筑节能发展规划”中提出，到2010年，全市建筑的单位面积平均采暖能耗要降低17%。其中住宅建筑采暖平均能耗降低23%，公共建筑采暖能耗降低14.5%。为达到以上目标，2010年前，除要将北京市全市供热系统热效率平均提高10%，实际平均能耗降低10%以上外，全市还将计划建成采用太阳能进行供热的建筑100万平方米，建成采用地热源、污水源等可再生能源进行供热的建筑1500万平方米，可再生能源在建筑供热、空调和照明利用率达到建筑总能耗的4%以上。但是，太阳能和浅层地热能利用技术都具有自身的特点和局限性，使其适用性受到了相当限制。为扩大可再生能源技术在建筑中的应用范围，本文尝试将以上两项技术结合起来，形成适用性更广的综合应用供热系统，并提出了相关的系统流程和控制策略。二、太阳能与地埋管热泵系统供热综合系统的提出1、北京地区居住建筑冷热负荷特点在实行了节能65％的节能设计要求后，即使在北京这样的寒冷地区，住宅的单位面积供暖设计负荷也明显下降，远远小于单位面积空调设计负荷。但是，由于住宅供暖系统是连续工作；而住宅空调系统使用周期较短，是间歇和局部运行，即使在同一户住宅中同时使用系数也较小，对整个建筑来说，系统空调的同时使用系数也较其他类型的建筑为低，户数越多，系数越小，低负荷运行占据了主要时段。因此，对整栋居住建筑而言，其供暖和制冷负荷是基本相当的。相对来说，住宅建筑的热水负荷相对全年较稳定，一般没有较大波动。2北京市地方标准《居住建筑节能设计标准》条文解释中提到，住宅空调耗能量一般为建筑耗能量的15%左右，如果考虑到生活热水等其他供热负荷，则北京地区居住建筑全年供热能耗要比空调能耗多出3-4倍还要多。因此，在北京地区实施住宅节能首要的是解决供热节能问题，如果能用可再生能源解决住宅建筑的供热问题，将极大地减少住宅建筑的常规能源消耗量。2、太阳能系统与地埋管热泵系统的应用分析（1）太阳能供热系统的应用分析太阳能供热系统在居住建筑中应用的问题主要集中在如何解决系统造价较高，需要寻找合适的可靠辅助热源和如何利用非采暖季所收集的太阳得热这三个方面。目前太阳能供热系统的辅助热源通常使用电和燃气等常规能源，在建筑全年消耗的热量中常规能源往往还要占掉40-90%，因此有必要探讨利用其他可靠的可再生能源作为辅助热源，从而提高可再生能源在建筑能耗中的比例的可行性。如果建筑中设有太阳能制冷系统，则非采暖季所收集的太阳得热可以很方便地消耗掉。但太阳能制冷系统现阶段尚不具备商业化能力。采用季节蓄热的也是一种办法，但造价较高，有时还需要采用热泵等方式二次提升使用。如果不采用以上措施在非采暖季用热，则非采暖季的太阳能只有浪费掉，而且防止系统过热也是一个技术难题。（2）地埋管热泵系统的应用分析地埋管热泵系统在北京地区部分高档居住建筑中已得到越来越多的应用。但其应用除了场地和地质条件的限制外，由于北京地区居住建筑全年供热能耗要比空调能耗高出3-4倍还要多，居住建筑中普遍存在的冷热量不均衡——地埋管系统制冷时排入土壤的热量远远低于制热时需要从土壤中吸取的热量，如果在非采暖季没有其他热量补充到土壤中，系统使用过程中供热能力将逐年衰减，直至运行状况严重恶化。3、太阳能与地埋管热泵综合供热系统的提出本文提出的太阳能与地埋管热泵综合供热系统实质上可看作是以地埋管热泵系统作为辅助热源的太阳能供热系统。在采暖季，优先使用更经济的太阳能供热，太阳能不足时采用地埋管热泵系统作为补充；在过渡季利用季节蓄热的手段，将太阳能系统采集的热量回灌到备用的地埋管管井中，供冬季热泵供热时取用，以提高热泵系统效率，并避免地埋管所在区域土壤冷热量不均的现象发生。三、综合供热系统的系统流程、控制与特点1、综合供热系统的系统流程图1给出了太阳能与地埋管热泵综合供热系统的系统流程图，系统可同时具备供应生活热水、采暖和空调的功能。太阳能集热系统采集的热量储存在贮热水箱中，在需要时为生活热水上水和采暖回水提供预热，末端采暖系统一般选用供回水温度要求较低的地面辐射供暖系统，一般推荐系统供水温度不超过50℃。在生活热水和采暖系统不需要热量时，多余的热量将通过地埋管系统储存到地下土壤中。（1）生活热水供应生活热水可以由太阳能集热系统采集的热量直接制备，辅助热源为需要消耗常规能源的水源热泵3机组，而采暖系统所需热量也需要经过热泵转换，因此太阳能集热系统采集的热量优先保证生活热水系统的使用以节省常规能源消耗。用热时，贮热水箱中的水通过热交换器加热容积式热交换器中的生活热水，当太阳能不足或连续阴雨天时通过热泵机组作为辅助能源将生活热水加热到需要的温度。热泵机组在非制冷季与空调采暖机组并联使用，在制冷季与空调采暖机组串联，通过回收空调采暖机组排入水环路的冷凝热提高机组能效比。如考虑降低初投资，也可以取消图中的生活热水用地源热泵机组GHP1，而在容积式热交换器或生活热水水箱中安装电加热器作为生活热水系统的辅助热源。（2）采暖系统所采用的采暖系统冷热源由太阳能辅助的地埋管热泵系统提供，太阳能需要通过热泵机组才能传递到末端采暖系统，末端系统一般采用地面辐射供暖系统。在采暖季，末端采暖系统的热源由地源热泵机组供应，考虑到北京地区冬季地埋管系统出水温度一般较低，地埋管系统的供水通过与太阳能热水进行热交换后再进入地源热泵机组，以提高地源热泵机组的制热能效比，减少常规能源——电力的使用，降低系统运行费用。太阳能系统虽然也可以通过并联或串联的方式与地源热泵机组的用户侧（末端系统侧）联合使用，但无法解决太阳能系统的非采暖季过热问题，也无法充分利用非采暖季的太阳能，本文中不做讨论。（3）太阳能蓄热系统本文设计的综合供热系统利用了季节蓄热的概念，将非采暖季太阳能集热系统采集的热量通过地埋管系统储存到土壤中，不但可以增加可再生能源的应用比例，还可以解决地下土壤的冷热不平衡问题。地埋管系统在设计时地埋管井群的分区宜与地源热泵机组一一对应。当地源热泵系统在非采暖季需要供冷时，地埋管系统需要专门设立一组地埋管井群在地源热泵机组供冷时专门作为蓄热用；如果系统供冷负荷很小或不供冷，则不供冷的机组对应的地埋管井群可以作为蓄热井群使用。2、综合供热系统的系统控制策略为实现保证系统按上述流程运行，图2给出了太阳能与地埋管热泵综合供热系统的系统控制图，整个系统控制策略如下：（1）太阳能集热系统采用高温保护和温差循环控制，即：当T1-T2ΔT1且T3Tm1时，泵B1、B2启动；当T1-T2ΔT2或T3TM1时，泵B1、B2停止。（2）生活热水容积式热交换器太阳能侧为高温保护和温差循环控制,当T3-T4ΔT1且T5Tm2时，泵B3启动，电磁阀F11开启，F12关闭，太阳能热水用于加热生活热水;当T3-T4ΔT4或T5TM2时，泵B3停止，电磁阀F11关闭。（3）生活热水容积式热交换器温度T5控制辅助热源启停，当T5Tm3，热泵系统GHP1、B4、B5和电动阀F1启动；当T5TM3，地源热泵系统GHP1、B4、B5和电动阀F1关闭。当采用电加热或其他辅助热源替代地源热泵系统时，采用相同的方式控制电加热或其他辅助热源的启停。（4）采暖季空调采暖用地源热泵机组GHP2的进水温度T6控制地源热泵系统GHP2、泵B5启停，当T6Tm4，地源热泵系统GHP2、B5启动；当T6TM4，热泵系统GHP2、泵B5关闭。手动关闭阀F4、F5、4F7、F8、F10，开启阀F2、F3、F6、F9，循环泵B6一直关闭，蓄热操作停止。（5）太阳能热水加热地埋管系统出水采用温差控制，当T2-T7ΔT5且电磁阀F11关闭停止加热生活热水时，电磁阀F12开启，泵B3启动进一步加热地埋管系统出水；当T2-T7ΔT6或电磁阀F11开启加热生活热水时，电磁阀F12关闭停止加热地埋管系统出水。（6）非采暖季时，手动关闭与蓄热井群对应的阀F2、F3，开启与蓄热井群对应的阀F4、F5，通过B6将太阳能得热储存在相应的竖井群中；关闭F6、F9，开启F7、F8、F10，泵B3进行台数调节以适应流量变化，GHP2、B5及相应地埋管井群在有制冷需求时运行。（7）在以上控制实施中，ΔT1、ΔT3宜取5℃，ΔT2、ΔT4宜取2℃；ΔT5宜取10℃，ΔT6宜取5℃；Tm1和TM1宜取70℃和75℃；Tm2和TM2宜取55℃和60℃；Tm3和TM3宜取55℃和60℃。（8）由于太阳能贮热水箱采用了闭式水箱，P1的监测作为贮热水箱高压报警用。3、综合供热系统的应用特点与对象（1）综合供热系统的应用特点本综合利用系统可以很好地同时解决本文前文中所提到在北京地区居住建筑中单独应用太阳能供热和地埋管热泵系统供热所固有的非采暖季太阳能系统过热和冷热不均所带来的技术难题，最大限度地利用太阳能集热系统所采集的热量，使系统仅依靠太阳能、地热能这两种可再生能源和少量电力就可以为建筑物提供供热空调，使在北京地区的居住建筑中利用太阳能和地埋管热泵系统进行供热成为可能，一旦推广应用，可以大大节省常规能源的使用。但是，任何技术都有其优点和局限性，在现阶段推广本系统也还存在一些问题。主要的问题有以下两个方面：1）投资较高，回收期长北京地区居住建筑也执行了65%的节能标准，单位面积采暖负荷已经下降到了35W/m2左右，考虑到末端系统采用地面辐射系统，在一定程度上可以利用围护结构蓄热，具有一定的削峰作用，采暖负荷还可以进一步降低。即便如此，以采暖负荷作为选型的地埋管热泵系统的造价根据地质条件的不同也将高达200-300元/m2；如果考虑到太阳能系统，太阳能与地埋管热泵综合供热系统的单位面积造价可能会达到300-400元/m2，远远高于常规的传统锅炉房+散热器采暖100多元每平方米的单位面积造价，即使考虑到综合供热系统尚有一定的供冷功能，在目前低廉的常规能源价格体系下市场竞争力还是有所不足，这是本系统在现阶段推广中的最大障碍。2）系统较复杂，建设和运行的要求都较高本文所提出的系统较为复杂，为保证各种能源的优化应用，需要在不同的季节进行相关阀门的切换，控制系统也较为复杂。因此对系统建设和运行的要求都比较高。（2）综合供热系统的应用对象在现阶段下本文所提出的太阳能与地埋管热泵综合供热系统主要适用于除电力以外的常规能源不能到达或所能使用的常规能源价格较高的场合，典型的建筑方式是位于北京郊区的高档别墅，以上地区5图1综合供热系统系统流程图6图2综合供热系统系统控制图7通常缺少除电力以外的其他市政配套，采暖空调通常采用电辅助加热的空气源热泵，生活热水通常采用电热水器，具有制冷需求，需补充的太阳能热水系统的容量较小，系统造价可适当降低，建筑对价格的敏感性也较低，推广较为容易。五、结论本课题结合北京地区居住建筑的具体条件，通过分析北京地区居住建筑太阳能系统与地埋管热泵系统应用中存在的问题，提出了太阳能系统与地埋管热泵系统结合综合供热系统，并对系统流程、控制原理和特点及适用范围进行了分析，并给出了相关的设计方法，为太阳能和地源热泵在北京地区居住建筑中结合使用，进一步增加可再生能源在建筑耗能中的分量打下了基础。当然，由于投资较高的原因本系统目前的适用性还受到一定