住宅应用太阳能热泵系统的.doc

住宅应用太阳能热泵系统的可行性分析张家口XX阳光新能源有限公司目 录一、住宅建筑的能耗3二、住宅建筑常用冷热源方式3三、冷、热源系统设计选型的原则4四、太阳能在住宅建筑中的应用4五、地源热泵技术在建筑中的应用6六、太阳能及热泵采暖系统在建筑中应用的优势和不足7七、太阳能与热泵结合技术经济优势9八、案例分析14九、结论18随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国正面临着越来越大的能源压力，特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加，已成为我国不少城市缺电的诱因。地球上的化石燃料煤、石油、天然气等将逐渐开采枯竭，开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的任务已十分迫切。所以，在提高太阳能热利用应用技术水平的同时，应积极创造条件，将现有成熟技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改善、提高，起到样板和示范作用。现就太阳能与热泵结合供暖制冷在住宅中应用的可行性分析如下。一、住宅建筑的能耗在住宅建筑中主要的能耗为建筑供暖能耗，同时随着人民生活水平的提高，空调产品已成为各种建筑物不可或缺的系统和设备，尤其对一个现代建筑物来说，空调设备性能的优劣是直接影响建筑物使用经济效益的重要因素。空调系统不仅占有较大的投资份额，同时也是建筑耗能大户。有关统计资料表明，其住宅建筑采暖制冷能耗约占总能耗的50%60%。可见，建筑冷、热源系统的设计和冷、热源设备的选型直接关系到社会能源合理利用和人们生活环境质量改善的大问题。二、住宅建筑常用冷热源方式住宅建筑中常用的供暖热源方式有：1、 热电联产集中供热2、 小区区域集中供热中小型区域锅炉房集中供热 其区域锅炉房可以是燃煤、燃气、燃油或电锅炉方式，但都需要通过区域管网经过热水循环向建筑物内供热。电动水源热泵：这种方式实际上是在夏天将建筑物中产生的热量存入地下，供冬季采暖使用。冬季将建筑物产生的冷量存于地下，供夏天空调用。华北地区民用建筑冬夏冷热负荷大致相当，因此采用此方式可保持地下的热平衡。由于地下水抽出后经过换热器后又回灌至地下，属全封闭方式，因此不使用任何水资源也不会污染地下水源。这一方式在西欧各国广泛使用，属环保方式。这种方式与小区燃煤锅炉房各户房间空调器投资相同，但全部为电驱动，小区无污染。夏季空调热量全部排入地下，小区无热污染，一次能源效率还高于直接燃煤。3、 小区分户供暖（家用型燃气锅炉）住宅建筑中常用的空调冷源方式：普通住宅一般选用房间式空调器；高档公寓采用中央空调集中供冷，若采用热泵形式可同时具备供暖和制冷功能。三、冷、热源系统设计选型的原则 空调冷、热源系统的设计需遵循一个统一、两个选择和三个原则。所谓一个统一，是指能源的终端用户利益与社会和国家利益之间的协调统一；所谓两个选择是指能源形式的选择和能源利用方式（即设备类型）的选择；所谓三个原则，是指合理利用能源资源的原则、减少对环境影响的原则和技术经济合理可行的原则。 进行方案设计，首先应考虑空调工程的使用性质和具体使用要求，然后因地制宜，全面分析，按初投资、年运行费、能源供应、环境影响等因素，进行综合评价，选择能源结构合理、能源利用率高、对环境影响最小的设计方案。 方案比较是一项影响因素多、专业技术性强且复杂的工作。方案设计中必须综合考虑和运用诸多方面的技术知识，主要包括：国家的能源资源状况，国家的能源政策、法规和能源建设方针；相关设计标准、规范；提高能源利用率、节约能源的技术措施；各种冷、热源形式，各种能源转换设备的种类、工作原理、性能特点及其适用场合；冷、热源设计方案比较中采用的评价准则和指标；能源利用及冷热源设备的运行与环境的关系、保护环境的设计措施；冷、热源系统设计和冷、热源设备开发的新思路、新成果等。因此，冷、热源系统的设计是一个多目标决策的过程。四、太阳能在住宅建筑中的应用据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言， 21世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21世纪议程，进一步明确 了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要 （1996- 2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施 。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。 目前太阳能热利用领域中太阳能热水器的技术发展取得了长足进步，其低廉的价格和使用的便捷以深的广大老百姓喜爱，与电热水器和燃气热水器形成三足鼎立的局面。随着太阳能高效集热器的研制及系统技术的进步，广大科研院所和企业对太阳能在建筑供暖中的研究、示范取得了一定的突破，为进一步在建筑中推广太阳能采暖奠定了基础。太阳能采暖系统的概念太阳能采暖/热水系统是以太阳能源为系统集热热源，同时辅以常规能源系统，采用低温地板辐射方式向建筑物提供冬季采暖并同时提供建筑物全年其他生活用热的一种新型节能供热方式；太阳能采暖系统的系统组成太阳能供暖系统由太阳能集热系统、辅助能源保障系统、低温热水地板辐射采暖系统及生活热水供应系统几部分组成。太阳能采暖系统的工作原理太阳能采暖热水系统装置是一种典型的集中能源供应系统。它可以满足供暖期的采暖及全年的生活热水供应。在安装完这一装置后，在非采暖季节，可向用户提供充足的生活热水。在采暖季，通过辅助能源的补充，即可达到比较满意的供暖需求，节约了大量的供暖用能，节约了供暖及热水的制备成本。五、地源热泵技术在建筑中的应用地源热泵工作原理地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量（如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。地源热泵应用方式地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。家用系统用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。集中系统热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。 分散系统用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。 混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。 水环路热泵空调系统水环路热泵空调系统，它由许多台水源热泵空调机组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。六、太阳能及热泵采暖系统在建筑中应用的优势和不足太阳能采暖在建筑中应用太阳能作为采暖热源符合国家的能源政策，使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。但是在太阳能采暖推广过程中其不足也表现的很明显，主要表现在如下几点：1、 太阳能的特点是能流密度小，需要的集热面积大；2、 太阳能季节变化大，供应不稳定，冬季采暖属于反季节使用；3、 太阳能采暖系统必须配置常规能源设备，且常规供暖设备的功率配置必须保证在完全没有太阳能时保证建筑的正常供暖，因此相当于安装了两套采暖装置。4、 太阳能采暖系统中太阳能的保障率一般不超过50%，即相对于使用常规能源供暖节能50%。若要提高太阳能保障率则须增加集热面积，提高工程造价。5、 设置太阳能采暖/热水系统装置的建筑物，其建筑热工与节能必须满足所在地区的建筑节能标准，即房屋必须是低能耗的建筑。同时，其采暖散热系统末端一般选择低温地板辐射供暖的方式。地源热泵采暖的优势和特点1、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。2、属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。3、环境效益显著地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。4、一机多用，应用范围广地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约。由于对建筑所在地的地质条件有所要求，在一定程度上限制了地源热泵的发展。七、太阳能与热泵结合技术经济优势综合上述太阳能采暖及热泵系统的优势及不足，如何扬长避短，充分发挥太阳能的和热泵的优势，规避其不足是我们要研究的问题。通过对太阳能采暖和热泵冷暖系统优势和不足的分析将其两者有机的结合将大大提高系统能源利用的效率，降低工程造价，减少运行成本。现分析如下：系统设计思路本系统本着充分利用可再生能源的目的降低建筑能耗，本着太阳能及热泵系统的优化组合，做到1+1大于1的效果。充分发挥我国北方地区太阳能资源的优势及采用热泵系统条件优势，将太阳能的利用和热泵结合起来，有效的降低了单独采用太阳能或热泵系统采暖的造价并提高了能源的利用效率。系统技术说明由于太阳能供暖系统中太阳能在冬季能流密度小同时受天气影响必须配备常规辅助能源，常规能源的功率需保证在完全没有太阳能时满足建筑供暖需求。地源热泵供暖系统在冬季运行时室外换热系统效率低热源侧水温低影响热泵机组性能系数。本系统将太阳能系统与热泵系统优化组合在一个系统，对于太阳能部分提高了太阳能系统的供暖保障率，降低了常规能源配备功率，对于热泵系统降低了热泵的室外换热工程费用，同时提高了热泵机组的工作效率。本系统设计在满足建筑供暖、制冷的基础上，在春夏秋三季可以提供生活热水。太阳能热泵系统结合类型根据太阳能及热泵系统各自的特点、优势和不足，结合住宅建筑的不同需求，太阳能热泵系统地结合形式有如下几种：1、 太阳能热泵集中供暖形式（春、夏、秋三季提供生活热水）2、 太阳能热泵集中供暖制冷形式（春、夏、秋三季提供生活热水）3、 太阳能水环热泵分户供暖制冷形式（春、夏、秋三季提供生活热水）现分别就每种组合形式的运行原理、系统组成、功能特点、技术优势等详细论述如下：1、太阳能热泵集中供暖形式（春、夏、秋三季提供生活热水）系统功能：该系统将太阳能集热系统与热泵机组结合起来，主要解决建筑物冬季供暖，并在其他三个季节提供生活热水。系统组成：该系统由太阳能集热器、中间水箱、热水储水箱、换热器、热泵机组、室内地板供暖系统组成。运行原理：冬季供暖时太阳能集热器与中间水箱组成太阳能收集系统，将太阳能通过集热器和水箱的循环将热量储存在水箱中，为热泵机组提供热源，水箱中储存的热量经热泵机组进行温度提升用于建筑室内供暖。由于太阳能收天气状况的影响，系统在中间水箱中适当增加部分电加热功率，以弥补太阳能不足的部分。系统设计关键点：设计本系统首先要准确计算建筑供暖热负荷，其次根据太阳能集热器单位面积得热量及热泵所需热源的供热量计算系统所需的集热器面积。系统特点：该系统通过太阳能集热系统为热泵机组提供热源，有效的降低了单一采用热泵系统供暖的工程造价。通过太阳能集热器的高效工作在冬季可以为热泵提供热源，在其他季节提供生活热水。通过热泵这一高效能量提升设备在太阳能采暖系统中的应用可以使太阳能集热器在30度以下的工作温度工作提高了太阳能集热的效率，同时也相应提高了太阳能采暖系统配常规能源方式的能源利用效率。本系统在夏季工作时会产生大量的生活热水，除能满足本小区用户使用外还可以向外供应。2、太阳能热泵集中供暖制冷形式（春、夏、秋三季提供生活热水）系统功能：该系统将太阳能集热系统与热泵机组结合起来，解决建筑物冬季供暖和夏季制冷，并在其他三个季节提供生活热水，本系统适合在高档的住宅小区中使用。系统组成：该系统由太阳能集热器、中间水箱、热水储水箱、换热器、热泵机组、冷却塔散热系统、室内风机盘管冷暖系统组成。运行原理：冬季供暖时太阳能集热器与中间水箱组成太阳能收集系统，将太阳能通过集热器和水箱的循环将热量储存在水箱中，为热泵机组提供热源，水箱中储存的热量经热泵机组进行温度提升用于建筑室内供暖。由于太阳能受天气状况的影响，系统在中间水箱中适当增加部分电加热功率，以弥补太阳能不足的部分。夏季制冷时系统热量通过冷却塔散热器散热，同时也可以增加太阳能供热水的量。系统设计关键点：设计本系统首先要准确计算建筑供暖热负荷，其次根据太阳能集热器单位面积得热量及热泵所需热源的供热量计算系统所需的集热器面积。同时考虑夏季多余热量的使用问题。系统特点：该系统通过太阳能集热系统同为热泵机组提供热源，有效的降低了单一采用热泵系统供暖的工程造价。通过太阳能集热器的高效工作在冬季可以为热泵提供热源，在其他季节通过热泵这一高效能量提升设备在太阳能采暖系统中的应用可以使太阳能集热器在30度以下的温度区间工作提高了太阳能集热的效率，同时也相应提高了太阳能采暖系统配常规能源方式的能源利用效率。本系统在夏季工作时会产生大量的生活热水，除能满足本小区用户使用外还可以向外供应。3、太阳能水环热泵分户供暖制冷形式（春、夏、秋三季提供生活热水）系统功能：该系统将太阳能集热系统与分户水环热泵机组结合起来，解决建筑物冬季供暖和夏季制冷，并在其他三个季节集中供应生活热水。系统组成：该系统由太阳能集热器、中间水箱、热水储水箱、分户水环热泵、冷却塔散热系统、室内风机盘管冷暖系统组成。运行原理：冬季供暖时太阳能集热器与中间水箱组成太阳能收集系统，将太阳能通过集热器和水箱的循环将热量储存在水箱中，建筑内部安装热水循环管路向各户热泵机组提供热源，管路循环水中热量经热泵机组进行温度提升用于各户室内供暖。由于太阳能收天气状况的影响，系统在中间水箱中适当增加部分电加热功率，以弥补太阳能不足的部分。夏季制冷时系统热量利用同一套管路系统通过冷却塔散热器散热，同时也可以增加太阳能供热水的量。系统设计关键点：设计本系统首先要准确计算建筑供暖热负荷，其次根据太阳能集热器单位面积得热量及热泵所需热源的供热量计算系统所需的集热器面积。同时考虑夏季多余热量的使用问题。系统特点：该系统通过太阳能集热系统为热泵机组提供热源，有效的降低了单一采用热泵系统供暖的工程造价。通过太阳能集热器的高效工作在冬季可以为热泵提供热源，在其他季节通过热泵这一高效能量提升设备在太阳能采暖系统中的应用可以使太阳能集热器在30度以下的温度区间工作提高了太阳能集热的效率，同时也相应提高了太阳能采暖系统配常规能源方式的能源利用效率。本系统采用分户供暖制冷的方式，用户自行负担热泵运行的电费，系统不需要建设单独的热泵机房。本系统在夏季工作时会产生大量的生活热水，除能满足本小区用户使用外还可以向外供应。夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如冷却塔。春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（太阳能）把热量补充到水环路。水环路热泵空调系统除具有显著节能特点外，还具有以下特点：节省占地：不设大的冷冻机房。能源费用单独计量：由各部门、住户或单位独立承担，能源费用计量简单且公平，符合当前的能源费用独立计量方法。调节灵活：每台热泵空调机在任何时间可以选择供冷或供热。八、案例分析以10000平方米建筑应用太阳能热泵系统为例分析。设计参数及依据1.1空调室外计算参数干球温度()湿球温度()相对湿度（%）大气压力(kPa)冬季-12.055102.04夏季33.226.499.861.2空调室内设计参数室内设计温度（）室内相对湿度冬季18235%夏季26260%1.3设计范围冬季供暖使用时间：11月1日3月30日夏季空调使用时间：5月1日9月30日1.4设计依据 采暖通风与空气调节设计规范（GB 50019-2003） 室内空调舒适温度（GB 570183） 通风与空调工程施工质量验收规范（GB 50243-2002） 建筑给水排水和采暖工程施工质量验收规范(GB50242-2002) 埋地聚乙烯给水管道工程技术规范（CJJ 101-2004） 地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005） 建筑给排水设计规范（GB 50015-2003）1.5 负荷估算 冬季供暖热指标60W/M2,供暖热负荷600KW。 夏季制冷指标70 W/M2,夏季制冷负荷700KW。一、 太阳能热泵集中供暖系统设备选型计算：1、 热泵机组根据供暖热负荷需选择1台输出功率为600KW的热泵机组1台。太阳能集热面积：根据热泵机组的选型，按照热泵机组供热工况运行性能系统为3进行计算，建筑日供暖12小时，太阳能需为热泵提供的能量为4800KWH，按照本地区太阳辐照量及高效集热器的效率，单位面积太阳能集热器的功率为1.5KW，日均运行4小时的得热量为6KWH，本系统需配置太阳能集热面积800平方米。中间水箱：按照中间水箱温度工作区间30度计算，同时考虑太阳能工作的时间段，中间水箱需储存太阳能集热器50%的得热量，即2400KWH，按此数据计算中间水箱所需容积为70立方米。系统投资估算：序号项目名称型号及参数 数量单价合价1热泵机组600KW1台6000006000002太阳能集热器800平米6004800003中间水箱70立方11400001400004系统循环泵2台8000160005集热系统循环泵2台6500130006热源侧循环泵2台7000140007其它设备一套3000003000008室内地板采暖10000平米505000009系统安装1项30000030000010合计2363000折合236.3元/建筑平米二、 太阳能热泵集中供暖制冷系统设备选型计算：1、 热泵机组根据供暖热负荷需选择1台输出功率为600KW的热泵机组1台，具备冷暖两个工况运行功能。太阳能集热面积：根据热泵机组的选型，按照热泵机组供热工况运行性能系统为3进行计算，建筑日供暖12小时，太阳能需为热泵提供的能量为4800KWH，按照本地区太阳辐照量及高效集热器的效率，单位面积太阳能集热器的功率为1.5KW，日均运行4小时的得热量为6KWH，本系统需配置太阳能集热面积800平方米。中间水箱：按照中间水箱温度工作区间30度计算，同时考虑太阳能工作的时间段，中间水箱需储存太阳能集热器50%的得热量，即2400KWH，按此数据计算中间水箱所需容积为70立方米。系统投资估算：序号项目名称型号及参数 数量单价合价1热泵机组600KW1台6000006000002太阳能集热器800平米