太阳能采暖-制冷-热水三联供系统案例浅析

1太阳能采暖-制冷-热水三联供系统案例浅析北京旺安佳智能采暖有限公司吴仕安张振华一、引言近年来，人类社会经济发展迅猛，煤、电、石油、天然气等能源日益短缺，能源危机、环境污染等问题日渐突显，已成为威胁人类生存的头等大事，对新能源的开发利用显得尤为重要，特别是对太阳能的开发利用。太阳能作为一种可再生的清洁能源具有其它能源无可比拟的优势。我国太阳能资源十分丰富，绝大部分地区年平均日辐射量在4kwh/㎡.d以上，全国2/3以上地区年辐照量大于502万KJ/㎡,年日照时数在2000小时以上。太阳能取之不尽用之不竭，处处均可开发应用，无需开采和运输，不会污染环境和破坏生态平衡，符合国家倡导的“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，具有良好的节能减排效果。因此对太阳能的开发利用必将创造出良好的社会效益、环境效益和经济效益。我们通过深入的调查，收集了大量的信息资料，经专业人员潜心研究，设计出了太阳能采暖-制冷-热水三联供系统,并运用于多个工程。本系统不但能够满足用户冬季采暖、夏季制冷的需求，还能四季提供日常生活用热水。现根据在北京市房山区长阳镇实施的工程案例进行浅析。二、工程概况1、工程简介该建筑是一座新建的节能民居，上下两层建筑面积为419㎡，大小房间共15间，砖混结构，中空玻璃塑钢门窗，外墙为370㎜厚空心砖，外墙加装70㎜厚标准挤塑板保温层，房顶采用200㎜厚聚苯板保温，建筑外围护结构符合节能50％标准。.2、设计要求夏季按3个月制冷，冬季4个月采暖，全年每天提供480升45℃热水。设计参数参照下表空调室外计算参数（表一）干球温度（℃）湿球温度（℃）相对湿度（%）夏季3226.465冬季-9----45空调室内计算参数（表二）夏季冬季房间功能温度（℃）相对湿度（%）温度（℃）相对湿度（%）客厅24≦6518≦45卧室26≦6522≦45厨卫餐厅26≦6520≦452太阳能计算参数（表三）北京地区北纬39°48′，东经116°28′.月份123456T-4.6-2.24.513.119.824.0H15.08117.14119.15518.71420.17518.672月份789101112T25.824.419.412.44.1-2.7H16.21516.43018.68617.51015.11213.709T——月平均室外温度℃；H——等纬度角太阳月平均日辐射量（MJ/㎡d）。3、负荷计算依据建设部建筑设计院、北京市建筑设计院编著《建筑设备专业设计技术资料》，《建筑节能设计标准》（JGJ26-95），《GB/T18713—2002太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》，《GB/T17049—1997全玻璃真空集热管》，《给水排水工程施工手册》，《地面低温辐射供暖技术规程》（JGJ142-2004）,《夏热冬冷地区居住节能设计标准》等及表一、表二的数据做表如下：建筑面积m²冷负荷热负荷生活热水日负荷总面积F=419m²q=35W/m²Q小时=q*F=14.67kwq=20.6w/m²Q小时=q*F=8.63kwQ=CMΔT=1*480kg*（45-10）℃/860kcal=19.5kwh注：1、根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，围护结构达到节能50%的建筑热负荷指标为20.6w/m²，则419m²的建筑冬季采暖总负荷为24854KWh.冷负荷指标为35W/m²，419m²的建筑夏季制冷总负荷为15844KWh（每天12小时）。2、冬季供暖供水温度：≥35℃，回水温度：≤30℃3、冬季供暖热负荷设计比例：太阳能冬季采暖贡献率为40%，剩余60%由辅助热源低温热泵提供。34、系统组成及工作原理太阳能采暖-制冷-热水三联供系统（如下图所示）由以下六个子系统组成：太阳能集热系统、低温热水辐射地板采暖系统、热水供应系统、辅助能源系统、风冷系统、自动控制系统。4.1太阳能集热系统太阳能集热系统主要由太阳能集热器、集热器支架、循环管路、循环泵、阀门、过滤器、储热水箱等组成。集热器由太阳能采暖专用真空管和特制的采暖联箱组成，本集热器实现了承压运行、超低温差传导、防垢、防冻、防漏、抗风功能，真空管经过特殊加工处理，即使玻璃管损坏系统也不会漏水，能够照常运行。集热器及支架设计安装合理，且功能与景观完美结合，不破坏建筑物美观，并可起到屋顶隔热层作用。集热器采集的热量以水为载体，通过循环管路储存于储热水箱中。水箱有两个，一个是热水水箱，主要用于生活热水和洗浴热水，另一个是膨胀水箱，主要用于采暖和制冷。水箱与集热器采用高位集热器低位水箱安装方式，强制循环，停机排空的运行方式，实现太阳能的采集和系统防冻，大大提高了对太阳能的采集效率和系统安全性。44.2辅助能源系统当太阳能不能满足系统需求的热量时，不足的热能由辅助能源提供。本工程选用新一代低温空气源热泵机组作为辅助能源，制冷量31KW,制热量32KW,电源电压380V。本空气源冷热泵机组已成功实现室外温度-15℃时，额定制热量衰减比普通热泵机组减少25%左右。而且，其最低运行温度可低至-20℃。机组在室外温度0℃时运行的能效比可达到3.0。4.3低温热水地板辐射采暖系统本工程采用低温热水地板辐射采暖，上下两层共设四组分集水器，每组分别采用温控器控制，优先使用太阳能能源，根据采暖区域温度的要求，合理利用辅助热源，大大减少运行费用。进入冬季采暖时，必须先将系统进行冬夏季行环管路转换，以集热系统及辅助能源系统生产的热水为热媒，在地板盘管中循环流动，加热地板，通过地面辐射的方式向室内供热。低温热水地板辐射采暖所需供水温度在35℃-50℃，较普通暖气片供水温度85℃-95℃低得多，从采暖水箱到采暖末端是低温传输，所以传输热损大大减少。由于加热管在地下面，地板散发的热量从低处向高处传送，在2米以内的人体活动区域被有效利用，热损失小。地暖不占用室内空间且温度梯度均匀，不像普通暖气片那样冷热不均又占用空间。4.4热水供应系统系统生产的热水除提供采暖外，还能通过热水供应系统为用户提供生活日常用热水。本系统采用恒温恒压装置保证用水终端水的温度和压力，不会出现供水不足或断水现象，采用自动循环保温装置保证供水管路和用水终端时刻有舒适温度的热水，即使较长时间不用热水也能保证用热水时即开即热。4.5风冷系统本系统利用了风冷热泵机组的优点，它不但冬季可以给太阳能采暖提供热能补充，还可以独立完成夏季制冷的需求，实现一机多用，充分利用能源，降低投资成本。进入夏季制冷时必须先将系统进行冬夏季行环管路转换，将生活水箱和膨胀水箱独立使用，太阳能集热器为用户提供热水。由热泵机组生产低温水并储存于膨胀水箱，通过风机盘管吸收室内热量，为室内降温，达到制冷目的。由于采用冷水系统，室内水分及人体水分不易流失，所以远比直接使用氟系统舒适。4.6自动控制系统本系统采用微电脑自动控制，能自动识别阳光有无及强弱，监测水箱水温和室内温度，实现太阳能集热系统和采暖系统温差循环，采暖实施分室分时段控制；水位自动控制；热水系统自动循环保温，恒温恒压给水；实时功能状态显示；另特为有峰/谷电价地区的用户设计了谷电应用功能，使辅助能源在谷电时间段内充分蓄能，享受优惠电价，减少运行费用。为保证系统运行可靠及用户人身安全，设置了多种保护措施，如漏电保护、过载短路保护、干烧保护、水流保护、逆序保护、缺相保护、超温保护、高压保护、低压保护、频繁启动保护等，用户可放心使用。控制系统人机界面可以显示各种设置点参数及各设备运行5情况，自动检测系统故障并显示故障代码，以方便查询和检修。通过全智能化的控制功能，即充分有效地采集利用了可再生能源又最大限度地节约了能源，同时保证了系统的稳定性、可靠性和安全性。三经济性分析3.1419m²建筑采暖、制冷、生活热水供应形式的初投资及运行、维护费用比较：电费按0.5元/kwh计算，低温热泵在0℃时能效比为3.0，太阳能保证率按70%。由上表可见太阳能采暖、制冷、热水每年运行费用可节约（2.34+0.4）-(1.38+0.035)万元=1.32万元。系统增投资为23.38-15.92-0.5=6.96万元，增投资回收年限6.96/1.32≈5年。系统使用寿命为20年，寿命期内节约费用20年*1.32=26.4万元。其中还没考虑常规能源涨价因素、利率因素等，而且燃煤锅炉、电锅炉一般不超过10年就需要较大的设备更换投资，本文不做详尽的计算。名称项目太阳能+低温热泵采暖、制冷、热水燃煤锅炉采暖+中央空调制冷电加热热水（0.48吨/日）太阳能热水（0.48吨/日）初投资、万元23.38万元（558元/m²）（120元/m²+260元/m²）*419㎡=15.92万元0.5万元（6kw电锅炉）无夏季运行费用、元/m²（90天）419㎡*20元/㎡=0.84万元419㎡*20元/㎡=0.84万元245天*0.5*19.5=2389元无冬季运行费用、元/m²（120天）419㎡*12元/㎡=0.5万元419㎡*30元/㎡=1.3万元120天*0.5*19.5=1170元1170*30%=351元平均年维修费用400元2000元400元351元全年生活热水3959元351元年运行维修合计总费用1.38万元2.34万元0.4万元0.035万元63.2系统碳减排量太阳能热水系统二氧化碳减排量Qco2=ΔQsave*n/W*Eff*Fco2*44/12式中Qco2——系统寿命期内二氧化碳减排量ΔQsave=62632MJ（太阳能三联供系统的节能量。因为太阳能贡献率为40%，辅助能源为保证率为60%，由于采用热泵技术，常规能源消耗不会大于总能耗的30%，）Eff=95%（常规能源水加热装置的效率）Fco2=0.866kg碳/kg标准煤（二氧化碳排放因子，kg碳/kg标准煤）W=29308MJ/kg(标准煤热值)n=20（经济分析年限年）依上表计算：Qco2=62632MJ*20年/29.30MJ*0.866kg碳*44/12=181205.94kg合计181吨太阳能采暖、制冷、生活热水系统在寿命期内二氧化碳减排量为181吨四、结论本系统是对太阳能、热泵、低温热水辐射地板采暖地综合利用。春、夏、秋可完全依靠太阳能提供足够的日常生活用热水；夏季用热泵和风机盘管制冷，冬季以太阳能为热源，热泵为辅助能源完成采暖和热水供应的任务。在本系统中太阳能采用地暖专用集热器，集热效率高，系统能稳定性强。辅助能源为低温热泵机组，它弥补了太阳能的间歇性和随季节变化带来的不稳定性，对新一代低温热泵的应用进一步提高了系统工作效率；而低温热水辐射地板采暖环保节能，不占用居室空间，热稳定性好，使用低温热水不结垢，可以连续使用50年以上。夏季制冷系统使低温热泵机组得到有效利用，不仅降低初投资费用，还实现了系统整体化的布置，有利于装饰和维护管理。太阳能、低温热泵机组的有效结合，优势互补，再加上全智能化控制系统，实现了零能耗+低能耗无污染的运行方式，符合节能减排的大政策，为用户创造了舒适的生活环境，是值得进一步研究和推广的系统。