太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統在工程中的應用

葉紹

摘要：對常用供熱方式的比較，并對太陽能制熱技術、空氣源熱泵技術原理的介紹，引出適用福州地區的太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統的組合形式及原理。同時，結合工程實際情況，介紹太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統在工程中的應用，系統在保證用水需求的情況下最大限度地節約能源，又可體現綠色、節能、環保的意識和理念。

關鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；集中供熱系統；節能；環保

中圖分類號：TU822.1文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）09-181-04

引言

據《中國能源發展報告（2014）》顯示，2013年中國能源消費占全世界的22%，溫室氣體排放居世界首位。報告稱，“十二五”前3年，中國能源消費年均增長4.9%，超過了《能源發展“十二五”規劃》目標，節能減排刻不容緩?！妒逡巹澗V要》指出，深入推進能源革命，著力推動能源生產利用方式變革，優化能源供給結構，提高能源利用效率，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系。

建筑能耗占社會總能耗是三分之一，是節能減排的重點領域，為此原建設部于2005年4月15日發出了《關于新建居住建筑嚴格執行節能設計標準的通知》強調建筑節能設計規范，從源頭控制建筑能耗。2007年5月18日國家發展改革委、原建設部聯合發出《關于加快太陽能熱水系統推廣應用工作的通知》提出“有條件的醫院、學校、飯店、游泳池、公共浴室等熱水消耗大戶，要優先采用太陽能集中熱水系統；新建建筑在設計時，要預設按照太陽能熱水系統的位置和管道等構件，盡可能按照太陽能熱水系統；對于既有建筑，如具備條件也要支持按照太陽能熱水系統；2010年10月國務院發布了《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，把加快太陽能熱利用技術推廣應用，作為新能源產業的發展重點。

太陽能是天然的能源，安全廉價、綠色環保、無需運輸等特點得到重視，但是由于太陽能受季節和天氣影響較大，熱流密度低等特點，導致各種形式的太陽能制熱系統在應用上受到一定的限制，為了克服這一問題，人們不斷探索其他能與太陽能互補的能源利用模式，在這一過程中，空氣源熱泵作為可再生能源，其技術得到廣泛的重視。

空氣源熱泵熱水機組與太陽能集熱系統相比，最大優勢在于只要室外環境溫度在機組運行范圍內（-10°c～50°C）就可以全天候供應熱水，彌補了太陽能系統本身存在的缺陷；同時在相同條件下，機組占地面積遠小于太陽能集熱板的占地面積

隨著國家節能減排政策的廣泛推行，空氣源熱泵熱水機組和太陽能熱水器是目前市場上最簡便、最節能、最安全和清潔無污染的新一代熱水制備，符合當代低碳環保發展的方向。

本文通過比較介紹太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統技術原理，及具體的案例介紹其在建筑節能中的應用及意義。

1.常用供熱方式的比較

隨著人們生活水平的提高，在生活中熱水越來越成為不可或缺的一部分，在集中供熱系統中，一般優先利用生產余熱，在沒有余熱可以利用的情況下，通常采用電熱水鍋爐、燃油熱水鍋爐、燃氣熱水鍋爐、太陽能加輔助電加熱、空氣源熱泵機組等獨立熱源提供生活熱水，由于供熱方式不同，其供熱效率、安全、環保、經濟效益也不盡相同，見表1。

注：1.（以上數據僅供福州地區參考），太陽能集熱器的加熱成本，按一年中160天可有效利用太陽能，不須其它補熱方式，其余205天則需通過其它方式補熱，但太陽能按平均每天加熱水的溫升以15°C計算。

2.年工作時間以365天標準計算運行費用。

3.專業工人的工資以福州地區2016年初平均工資。

從表中可以看出，太陽能加輔助電加熱和空氣源熱泵機組的制熱成本較低，且安全性高。將太陽能集熱系統和空氣源熱泵機組兩者有機組合，既可充分利用太陽能，又可節約輔助能源，最大限度降低運行成本，節省費用，節能制熱方案得到最佳效果。

2.太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統的原理

2.1太陽能制熱水技術原理

太陽能作為一種巨大的可再生清潔能源，每天到達地球表面的太陽輻射能為5.57x1018MJ，相當于190萬億噸標準煤，約為目前全世界一次能源消費總量的1.56x104倍。太陽能以其豐富、清潔、無須運輸等特點受到人們的重視及廣泛的利用和發展。

太陽能熱水技術是將太陽光能轉化為熱能的技術，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用，其主要部件為太陽能集熱器、循環泵、水箱、管路等組成，太陽能熱水工作原理為利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生微循環而達到所需熱水，即當真空集熱器受到太陽照射時，真空集熱管內的冷水被加熱，加熱后的熱水沿著玻璃管受熱面往上進入保溫儲水箱內，與此同時水箱中的冷水利用在增壓泵原理下進入真空集熱管內被加熱，如此循環，水箱中的冷水被加熱。

2.2空氣源熱泵系統制熱原理

空氣源熱泵作為太陽能集中熱水系統輔助熱源的最大特點是，彌補了常規太陽能熱水系統的缺陷，且其本身具有節能性。

熱泵是一種將低溫物體中的熱能傳遞至高溫物體中的一種裝置。熱泵技術是一種新型的節能制冷供熱技術，可以長期地、大規模地利用江河、土壤、空氣中的低溫熱能，在節能降耗及環保方面表現良好?？諝庠礋岜妙櫭剂x就是從空氣中提取熱能，利用載熱工質，傳遞到高溫熱水中。它結構簡單、占地小、安裝使用方便，在衛生熱水供應方面具有不可替代的優勢，但它有一個主要缺點就是供熱能力和供熱性能系統隨著室外氣溫的降低而降低，以致于它的使用受到環境溫度的限制。

空氣源壓縮式熱泵主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成，按照逆卡諾循環原理，通過讓工質不斷完成蒸發壓縮冷凝節流再蒸發的熱力循環過程，將空氣中的熱量轉移到工質中。熱泵在工作時，把空氣中儲存的熱量Q2在蒸發器中加以吸收，工質經過壓縮機壓縮，壓縮機做功w，通過工質循環在冷凝器中進行放熱Q1，所以Q1=Q2+W，即熱泵輸出的熱量為壓縮機做的功和環境吸收的量之和。理論實踐表明，w約為Q1/4，相對于電熱水器而言節約3倍Q1/4。因此，熱泵技術可以節約大量的電能，詳見圖1。

2.3太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統運行可靠性分析

作為太陽能空氣源熱泵集中供熱系統的主要組成部分，太陽能集熱器和空氣源熱泵機組都是技術成熟的節能環保產品。太陽能集熱器在生活熱水系統中的規?；靡延?0余年的歷史，空氣源熱泵機組的大量應用也有數十年的歷史，太陽能熱泵集中供熱系統將太陽能與空氣源熱泵技術有機結合，在不影響二者原有運行功能的條件下，不僅可以最大限度地利用太陽能、降低運行成本，而且能夠有效地利用空氣源熱泵補償太陽能的不確定性，使整個熱水系統在運行中更加安全、可靠。

2.4太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統的原理

按太陽能集熱系統和熱泵系統的組合方式，太陽能熱泵系統分為串聯系統、并聯系統和混合系統，其中串聯系統又可以分為傳統串聯式系統和直接膨脹式系統。本文結合福州地區自然氣候條件，介紹并聯系統的原理及其應用?；旌舷到y主要適用于北方地區，用于解決冬季環境溫度較低太陽能資源不足時熱水供應。

并聯式系統如圖2所示：

該系統是由傳統的太陽能集熱器和熱泵機組共同組成，它們各自獨立工作，互為補充。根據季節及天氣情況，它的運行主要有以下四種工況：

（1）太陽能加熱生活熱水

在大部分日照良好的晴天，此時太陽能循環泵由系統控制器根據太陽集熱器和保溫水箱的溫度進行控制，源源不斷的將集熱器采集的熱量輸送到水箱。

（2）熱泵機組輔助加熱生活熱水

在陰天或多云天氣，當太陽能集熱溫度低于保溫水箱水溫，不足以直接加熱生活熱水時，熱泵機組啟動，利用空氣作為熱源加熱保溫水箱內生活熱水。

（3）太陽能和熱泵機組同時加熱生活熱水

在晴天日照良好時，如果熱水系統的耗熱量大于太陽能集熱系統的有效供熱量或者太陽集熱器的數量較少，不能滿足熱水系統的用熱需求時，太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統供熱。

（4）熱泵機組直接加熱生活熱水

在連續的雨雪天氣中，熱水系統所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供。此時，太陽能系統處于待機狀態，熱泵機組單獨工作對保溫水箱加熱。

3.太陽能+空氣源熱泵系統在項目上的應用

3.1工程概況

福州某文化宮改擴建項目由多項使用功能不同的建筑組成，地上六層：有體育中心、展覽館、多功能影劇院、綜合樓和配套服務用房。地下兩層：地下一層為游泳館及配套服務用房和設備用房，地下二層為汽車庫和設備用房。總建筑面積約108684.9m²，其中：體育中心建筑面積約24850.3m³；藝術中心建筑面積約13885.9m²；多功能影劇院建筑面積約26324 m²；地下室建筑面積27364.2m²；其他部分建筑面積15985.5m²。本工程需要滿足生活熱水供應場所主要有：體育中心恒溫游泳池、體育中心恒溫水療池（貴賓用小游泳池）、體育中心和影劇院淋浴等。

3.2自然資源條件

福州屬典型的亞熱帶季風氣候，氣溫適宜，陽光充足，霜少無雪，夏長冬短，無霜期達326天。年平均日照數為1700～1980小時；年平均氣溫為20-25°C，最冷月1～2月，平均氣溫達6～10°C：最熱月7～8月，平均氣溫為33-37°C：太陽能總輻射量為4979MJ/m²，由此可見福州地區具有太陽總輻射量大、太陽能可利用日數較多，氣候環境溫度高等自然氣候條件，太陽能資源豐富，可開發條件優越，綜合利用太陽能的潛力巨大。另本項目周邊無高層建筑，無遮擋、直接輻射較多，故本工程非常適合太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統的建設條件。

3.3方案技術路線

順應國家節能減耗，防污染的需要，結合福州地區自然資源條件及工程投資成本和運行費用，本工程集中供熱系統采用太陽能+空氣源熱泵集中熱水供應系統，在相應功能建筑頂層建設太陽能熱泵集中供熱工程，并設循環泵進行機械循環，采用太陽能設備制備生活熱水，以空氣源熱泵機組作為輔助加熱，對游泳池、水療池及沐浴間等進行全年、全天候供應熱水。以體育中心和多功能影劇院為例介紹太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統在工程中的應用。本系統采用太陽能集熱系統與空氣源熱泵機組并聯組合方式，太陽能熱水系統與空氣源熱泵熱水系統均按在各自獨立運行時滿足最高熱水用量。系統圖詳見圖3。

（1）福州地區其它季節氣溫和冷水水溫相對較高，夏天熱水系統制熱量完全可以滿足要求，故集熱器布置的傾角和方向以側重冬季使用為主。

（2）冷熱水系統同源供水，以保證用水點處冷熱水壓力平衡力；熱水管線同程布置，避免產生短路現象。

（3）福州地區夏天自來水溫度大于15°C，集熱器最高水溫有時可達95°C，為避免極端天氣情況給供熱系統帶來影響，在系統中設置膨脹罐，消除系統的膨脹量。

3.4功能控制

太陽能熱環泵P1受集熱水箱水位及溫差控制。太陽能集熱器經過太陽光照射，集熱器內的水溫不斷升高，在熱水箱內水位不低于低水位的前提下，如果太陽能上下循環溫差超過設定值7℃（可調）時，熱循環泵P1啟動，將水箱里的水抽入集熱器中，同時將集熱器內有一定溫升的熱水擠入熱水箱內貯存，如此循環往復，將水箱里的水不斷加熱，以至達到用水要求。當集熱溫差小于3℃（可調）時，熱循環泵P1停止。與此同時，自來水的壓力將集熱容器內的熱水頂至恒溫容器內以備使用。

熱泵循環泵P2及空氣源熱泵受恒溫容器水溫控制。熱泵循環泵與空氣源熱泵同步工作，如果恒溫水箱水溫未達到50～C（可調）時，熱泵循環泵P2啟動，同時空氣源熱泵啟動對恒溫容器進行循環加熱，如此往復，將水箱里的水不斷加熱，以至達到用水要求。當恒溫水箱水溫超過55°C（可調）時，熱泵循環泵P2及空氣源熱泵停止，停止工作對容器加熱。

管路恒溫控制。當回水管路內溫度T5未達到40°C（可調）時，加水循環泵P4啟動，將管道與恒溫容器內熱水進行循環，對用水管道進行加熱。當回水管路內溫度T5超過43°C（可調）時，延時5分鐘回水循環泵P4停止。

容器恒溫控制。當T3-T4溫差大于5℃（可調）時，啟動容器循環泵P3，進行恒溫容器與集熱容器循環，對恒溫容器內加熱。T2-T4溫差小于3℃（可調），容器循環泵P3停止。當恒溫容器內溫度不能滿足用水要求時，優先啟動容器循環，后啟動輔助加熱循環。

防凍保護。當集熱器頂部溫度或底部溫度小于5℃（可調）時，啟動太陽能循環泵P1；當集熱器頂部溫度或底部溫度大于5℃（可調）時，延時5分鐘關閉太陽能循環泵P1。

設備過熱過壓安全防護。當集熱水箱溫度超過75°C（可調）或壓力超過0.6MPa時，自動開啟排水電磁閥進行泄水，同時停止太陽能循環泵，當溫度下降至70°C（可調）或壓力下降至0.5MPa時，自動關閉排水溝電磁閥恢復運行。

3.5安全性方面

本工程供熱系統按照國家有關防火、防震等安全性規范要求，并留有消防和檢修通道，太陽能陣列、熱泵機組符合防護和安全的規范要求；各種設備基礎均采用錨固方法與建筑結構可靠牢固連接，與建筑成為一體，符合抗震和防臺風要求；控制系統具有防漏電和可靠接地，系統設備、管道均按規范配置相應防雷裝置并與各自防雷系統成為一體。管道穿墻、樓板按要求加設套管并做防水處理，管道橫跨樓房沉降縫均設置防止沉降配件；循環管道、供（回）水管道按照要求的坡向、坡度制作安裝；儲水罐、熱泵機組和管道支架基礎，錨固在承重結構上，預埋件錨固按照規范要求進行防腐處理，并做好相關防水處理。太陽能集熱器、儲水罐、熱泵機組、泵類、閥類等設備在現場安裝完畢均做水壓試驗及氣密性試驗和質檢工作；各種管道分階段進行水壓試驗，系統完工后，設備單機、空載運行、控制系統等各分項調試合格后再進行總調試，確保系統安全可靠。

3.6系統特征

該供熱工程以“節能、高效、穩定、可靠”為技術特點，將太陽能與空氣源熱泵有效地結合起來，進一步提高了能源的利用率，最大程度改善了系統整體運行。系統控制器是采用可編程控制器作為核心控制器，PLC通過溫度、壓力、流量、液位等參數來控制系統的運行、檢測系統的故障、驅動系統各部件的運行等功能，系統借助于計算機軟件，實現遠程監控功能，實現無人值守。

3.7系統效果

本工程自2013年10月竣工驗收以來，經過全負荷調試運行及生產運行以來，節能、環保和減排效果顯著，系統在冬季晴天太陽能集熱系統可滿足系統90%左右的設計供熱量，陰雨天氣熱泵機組平穩運行。根據福建地區的氣象條件和太陽輻照情況，該系統年綜合節能率可實現預期的85%以上目標。本項目通過電腦實現遠程控制，太陽能集熱系統和熱泵系統可自動切換，智能化運行，提供了全年全天候供熱。管理方便，安全可靠，不需設機房及專職人員，節省每年的人工費用，燃料采購費用等，只要少量電能，即可產生大量熱水，且不產生任何污染，既響應了國家倡導的利用可再生能源的號召，又體現了管理者的綠色、節能、環保的意識和理念。本工程在施工過程中獲得“省級文明示范工地”，省優專業工程評選中獲得“閩江杯”優質工程，并在評優過程中，受到與位的各位專家的一致好評。

4.結束語

太陽能+空氣源熱泵集中供熱系統作為經濟、合理、節能、環保的中央熱水系統，能夠有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，改善環境，在建筑領域的能源利用中發揮著越來越重要的作用，它們的應用能緩解當前日益嚴重的能源危機，創造更大的經濟價值。它對于企業貫徹節能減排國策，減少企業經營成本，提高企業經濟效益具有重要意義。然而太陽能集熱器另一個顯著的缺點是占地面積大，影響其在住宅小區里的大面積推廣。在小面積上能取得大面積太陽能集熱器的功能，應該研究人員的新課題。我相信隨著科學技術的發展，其將廣泛地應用于工廠、賓館、供暖等制熱水工藝中。