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太阳能与空气源热泵在浙江应用案例分析杭州普桑能源科技有限公司/袁新毓徐平北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司/宋利波李帅一、引言由于我国太阳能资源十分丰富，年日照时间为2500小时的地区占国土面积的2/3以上，有的地区高达3000小时，开发利用太阳能潜力巨大，在能源危机和环境污染双重压力下，太阳能逐渐成为可再生能源中最引人注目、研究开发最多、应用最为广泛的清洁能源，在太阳能技术的研究利用中，太阳能热水系统是太阳能利用中最成熟、最具经济性的利用方式，也是目前经济上最具有竞争力的绿色能源技术。随着能源紧缺日益扩大，人们的节能意识逐渐增强。近几年国家和地方政府纷纷出台相应的政策法规，鼓励或规定在建筑中优先使用太阳能热水系统。而空气源热泵技术也是一种很好的节能型供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源空气中高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到加热的目的。随着人们对获取生活用热水的要求日趋提高，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。二、空气源热泵技术所谓热泵，就是靠电能驱动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。也就是说，热泵可以把不能直接利用的低品位热能(空气、土壤、井水、河水、太阳能、工业废水等)转换为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能(煤、石油、燃气、电能等)的目的。在矿物能源逐渐短缺、环境问题日益严重的当今世界，利用低位能的热泵技术已引起人们的关注和重视。空气源热泵的历史以压缩式空气源热泵最悠久。它可追溯到18世纪初叶，可以说1824年卡诺循环的发表即奠定了热泵研究的基础。空气源热泵热水机组的制造、推广和使用在我国只是最近十几年的事情，但由于其相对传统制取热水设备的高效节能、环保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空间等优点而引起了市场日益广泛的关注。热泵热水机组以清洁再生原料（空气＋电）为能源，既不使用也不产生对人体有害的气体，同时也减少了温室效应和大气污染。目前，在我国电力资源短缺的前提下，采用热泵热水机组制取热水，既能以最小的电力投入获得最大的供热效益。热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的,热泵热水机组工作时，蒸发器吸收环境热能，压缩机吸入常温低压介质气体，经过压缩机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器，高温高压的气体在冷凝器中释放热量来制取热水，并冷凝成低温高压的液体。后经膨胀阀节流变成低温低压液体进入蒸发器内进行蒸发，低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后蒸发，变成低温低压的气体。蒸发产生的气体再次被吸入压缩机，开始又一轮同样的工作过程。这样的循环过程连续不断，周而复始，从而达到不断制热的目的。空气源热泵工作原理图三、太阳能与空气源热泵结合技术3.1太阳能热泵技术太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，它把热泵技术和太阳能热利用技术有机的结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。太阳能热泵技术是原有的热泵技术与太阳能光热，光伏技术的有机融合。能通过热泵的形式，提高能效的利用，而且通过太阳能作为辅助热源可以有效地避免空气源热泵等在室外空气温度过低时引起的供热能力和性能系数降低的问题，提高了热泵对使用环境的适应性。3.2太阳能与空气源热泵互补热利用技术常规太阳能热水系统易受气候的影响，在阴雨天或春秋季，太阳辐射能热量较少，较难满足热水量的需求，不能全天候使用，也影响了太阳能热水系统的推广应用。空气源热泵作为节能设备具有独特优势，它可以节省高品位电能，降低化石类能源的消耗，减少环境污染。空气源热泵是以空气为热源，通过输入少量的高品位能源(电能)来实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统，空气源热泵仅消耗少量的电能可以将数倍低温热能通过压缩机的压缩变为高温热能。因此将热泵技术与太阳能热水系统有机地结合起来可弥补阴雨天太阳能的不足。太阳能热水系统与热泵互补系统结合了太阳能的清洁性、可再生性和空气源热泵的节能性，是一种节能、无污染的高效能源利用系统。太阳能与热泵的结合有两种工作模式：一是以太阳能加热为主，以空气能热泵加热为辅，但是前提是建筑允许放置太阳能集热板，有足够的安装面积；二是以空气能热泵加热为主，太阳能加热为辅，此种模式是为了使空气能热泵在低温环境下还能高效、稳定、可靠运行，用太阳能作为其辅助热源或直接加热热水箱内的水或提供预热。四、应用案例分析4.1项目概况4.1.1工程名称：浙江大学附属中学4.1.2工程所在地：杭州市江干区丁桥镇临丁路4.1.3建筑性质与形式：五层学生公寓，2栋；两层食堂，1栋。该学校主要建筑包括教学及教学辅助用房、办公用房和生活服务用房、地下停车库与地下用房、体育活动场所等。总建筑面积84505平方米，其中地上建筑面积55005平方米，地下建筑面积29500平方米，总投资4.985亿元。4.1.4用热水量：男女宿舍楼55度热水各20吨，食堂55度热水20吨。4.1.5热水用途：每个宿舍内设有淋浴间，供淋浴及洗手、洗脸用，磁卡表计量。食堂内设有职工淋浴间，供淋浴及食堂刷碗、洗菜用，磁卡表计量。4.1.6当地的太阳辐射量：1163~1393kWh/m2·a。4.1.7当地的气候条件：年日照时数为1400~2200H，月平均气温见表1-1月份月平均气温月份月平均气温月份月平均气温1月6.45月22.79月25.62月5.96月26.310月21.13月12.37月30.511月14.24月17.68月29.512月10.4表1-14.1.8建设单位：杭州市教育资产营运管理中心4.1.9设计单位：杭州普桑能源科技有限公司4.1.10施工单位：杭州普桑能源科技有限公司4.2系统介绍4.2.1系统原理简述本工程男女宿舍楼各设置一个独立的集中生活热水供应系统，食堂设置一个独立的集中生活热水供应系统，采用太阳能辅助空气源热泵24小时集中供应热水。制取热水的水源为市政自来水（水压为0.3MPA)，太阳能集热系统采用温差循环式加热方式，冷水经过太阳能集热器预加热后贮存于20立方的集热循环水箱（A水箱，闭式水箱），当使用热水时，通过自来水的压力将A水箱的热水输送到生活储热水箱（B水箱，闭式水箱），控制系统随时感应生活储热水箱温度，当达不到设定温度时，空气源热泵加热生活储热水箱，使生活储热水箱始终恒温在55度（可调），保证24小时热水需求。自来水的补水设置于A水箱内，采用自来水的压力将太阳能预热水输送到B水箱中。热水管道末端设置温度感应点，温度低于设定温度时，回水泵工作，保证打开用水阀门，即开即热。控制系统采用杭州普桑能源科技有限公司设计开发的可编程PLC电脑控制系统，实现太阳能与热泵互补系统智能、全自动运行。太阳能与热泵互补系统流程图4.2.2辅助热源形式辅助热源采用四季沐歌高效节能低温型空气源热泵，男女宿舍及食堂各采用25匹空气源热泵2台，总共6台25匹空气源热泵。4.2.3太阳能集热器形式、集热器面积计算采用全玻璃真空管集热器集中集热，根据GB50364-2005《民用建筑太阳热水系统应用技术规范》，太阳集热器的总面积计算公式，经计算得:总面积为cA=697.7㎡。故所需太阳能总面积为：697.7㎡，但由于屋面面积有限，每套太阳能集热系统集热面积为250平米。男女宿舍楼太阳能集热器分别设置在宿舍楼顶，食堂太阳能集热器设置在食堂楼顶。4.2.4系统设备配置每套太阳能热水系统分别配置250平米太阳能集热器、2台25匹低温型空气源热泵、配置2台20吨卧式闭式水箱、一套PLC电脑控制系统。（1）太阳能集热器目前国内的太阳能光热元件在国际上处于领先水平，本项目采用具有领先水平的四季沐歌太阳能集热设备。本项目采用高性能全玻璃真空管太阳能集热器，密集式排列，吸热快，效率高。A、真空管：采用四季沐歌国际具有领先水平的高效全玻璃真空集热管（航天管），系能参数，见下表：项目名称性能参数备注长度（mm）1800符合国标罩玻璃长度（mm）58符合国标壁厚（mm）1.5/1.6优于国标膨胀系数3.3×10-6优于国标罩玻璃的透射率≥0.95优于国标吸收体溅射渐变铝-氮/铝优于国标太阳吸收比≥0.96优于国标发射比≤0.05优于国标真空度≤5×10-2Pa优于国标空晒度≥250℃优于国标平均热损系数≤0.52W/㎡℃优于国标抗冰雹能力直径25mm冰雹冲击不破损优于国标耐压能力≥0.6——0.8MPa优于国标表1-2B、太阳能集热器性能规格参数项目名称指标国家标准备注型号58（mm）×1800（mm）符合国标真空管支数50符合国标集热器接口DN25优于国标保温材料熟化聚氨酯优于国标承受压力0.6kg/㎡0.5kg/㎡优于国标占地尺寸2000（mm）×3800（mm）优于国标联箱参数内胆材质0.8mm厚度304/2B食品级不锈钢优于国标外皮材质采用优质不锈钢材质，耐腐蚀，寿命长优于国标保温材料采用进口高压发泡设备，无氟聚氨酯整体发泡保温，发泡均匀，闭孔率超过98%，保温性能良好优于国标表1-3（2）空气源热泵四季沐歌空气源热泵热水机组采用目前世界上最先进、最安全、最环保、最高效的热水生产技术，结合我国用户的使用特点，全新开发出一系列空气能热泵热水机组，在进水温度、进水压力、环境温度等参数不断变化的情况下，始终保证出水温度恒定在设定值（出厂设定55℃），48～60℃可调。机组开启即有高温热水产生。型号KFXRS-095/II额定制热量（KW）94.8定额功率（KW）23.5定额电流（A）30.11制热能力（m3／h）2040最大输入功率(KW)34.3最大输入电流(A)52电源规格380V3N~50/60Hz冷媒类型R22出水温度℃55度(45-60度可调)进水管管径(mm)DN50(外螺纹）出水管管径(mm)DN50(外螺纹）循环水管管经(mm)DN50(外螺纹）水系统最高承压(MPa)5压缩机高效涡旋式室外风机出风风向顶出风机组宽×高×深（m×m×m)2009×1162×2025机组重量(kg)760运行噪音dB(A）60表1-4（3）储热水箱项目名称技术参数外形尺寸φ2300x4800x5mm材质304食品级不锈钢内胆厚度5mm厚304不锈钢保温材料50mm橡塑棉外保护层0.5mm铝板容积20立方接口DN100法兰工作压力Mpa3设计压力Mpa10工作温度℃0-100设计最高温度℃150介质水腐蚀裕量mm0焊接接头系数0.97水箱形状卧式，圆柱型表1-5（4）控制系统本项目的关键技术在于采用了计算机智能控制技术，杭州普桑能源科技有限公司电气工程师将确定太阳能热水系统运行的所有影响因素全部转换成计算机能够识别的信号，输入计算机，并将所有可能出现的情况和在各种情况下太阳能热水系统应该采取的运行指令编制成计算机程序，输入计算机。这样，根据太阳能热水系统实际运行的状况，计算机就会自动分析、判断、处理，自动做出正确的判断和指令，达到充分利用太阳能源，实现热水供应系统的智能化、自动化运行的效果。项目名称技术参数输入电源380V/50Hz控制器德国西门子PLC控制器设备无负载时功耗6W测温范围0～99℃测温精度±1℃漏电动作电流30mA/0.1S外形尺寸800mm×600mm×200mm安装地点室内安装允许环境温度0℃安装允许环境湿度85%主要功能温差循环、防冻循环、定温循环、一用一备水泵自动转化、水温、水位显示、手动与自动转化、定时、高温保护等功能特殊功能故障报警功能，远程监控功能，停电保持功能安全防护功能系统设有短路、过流、漏电和过热断电四种防护表1-64.2.5与建筑的结合方式太阳能集热器布置在学生宿舍楼和食堂的平屋顶，屋顶标高分别为25m、12m，真空管与地面夹角为20度，成排布置，支架采用热镀锌材料，美观整齐，与建筑完美结合。4.2.6供水温度本系统采用24小时供应热水，热水水温控制在55-60度。4.2.7系统特点（1）太阳能加热系统及辅助热泵加热系统均采用闭式系统，全玻璃真空管集热器为非承压集热器，通过板式换热器与承压水箱进行热交换。（2）与建筑一体化。太阳能系统整体设计，占用屋面面积空间紧凑。