刊号：2014-12
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太阳能与热泵结合供热采暖工程案例分析
太阳能与热泵结合供热采暖工程案例分析
北京大学工学院包头研究院/付加庭
(荐)摘要：本文详细介绍了山东工程有限公司500m2办公楼顶的太阳能与热泵供热采暖工程，作为典型的多能互补供热采暖建筑节能系统案例，该系统由太阳能真空管集热器、低温型空气源热泵机组、蓄热水箱、散热片等组成，文中详细介绍了、水箱的加工工艺及参数、控制器和热泵机组情况，供热采暖工程形成了以太阳能为主，空气源为辅的多能互补系统，实现了办公楼建筑冬季采暖、夏季制冷，全年供应生活热水的节能目的。通过工程的实施，积累了许多实践经验，具有典型的示范作用。
关键词：,太阳能,
随着世界能源消费量的大幅度增长，国内外把能源利用的重点向可再生能源的开发和利用方向转移。太阳能以其取之不尽、安全廉价、绿色环保、无需运输等特点得到重视，但是由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低、导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上受到一定的限制，为了克服这一问题，人们不断探索其他能源与太阳能多能互补的利用模式，在这一过程中，热泵技术得到广泛的重视。
我国太阳能热泵的发展更多的趋向于工业化的发展，在化工行业、食品行业、纸浆造纸、农业、冶金行业、木材干燥及制药等行业都有着广泛的应用。在生活生产领域中热泵的应用更为广泛，包括江苏、山东、河北、海南、云南等省，北京、上海、深圳、大连等市已经开始在新建12层以下居住建筑、办公建筑、学校、医院、宾馆等公共建筑中开始强制推行太阳能热泵热水系统。因此，山东光普太阳能工程公司在本公司内的办公楼楼顶建设了太阳能与热泵供热采暖工程，用于公司职工的洗浴用热水和办公楼冬季采暖。
本文以山东光普在其办公楼楼顶太阳能热泵供热采暖工程为例，介绍了太阳能与空气能热泵双节能系统工程的设计理念和相关技术。&
山东滕州市位于山东省南部，地处温暖带半湿润地区，阳光充沛，年均日照2383小时，历年平均气温13.6℃，最热月为7月，平均气温26.9℃；非常适合太阳能热泵供热采暖工程的建设条件。座落在滕州经济开发区山东光普是专业从事太阳能光热利用产品的研制开发、生产制造和市场推广的高科技民营企业。公司综合考虑滕州当地的气候条件、环保要求、燃料结构、能源效益和经济承受能力等因素，在公司办公楼的楼顶建设了太阳能热泵供热采暖工程，该采暖以“节能、高效、稳定、可靠”为技术特点。将太阳能与空气源热泵结合起来进行供热采暖，进一步提高了能源利用率，降低了热泵热水系统地域的限制条件，最大程度地改善了系统整体运行。系统控制器是采用台达的可编程控制器作为核心控制器，PLC通过温度、压力、流量、液位等参数来控制系统的运行、检测系统的故障、驱动系统各部件的运行等功能，系统借助于计算机软件，可以实现远程监控功能。该工程实例中以低碳节能高效多能互补的供热系统为公司职工提供安全舒适的生活热水，并为公司办公楼提供采暖用热。
2太阳能与空气源热泵工作原理及设计特点
太阳能热泵是将空气能热泵与太阳能集热系统相结合的一种装置，在有太阳辐射时，系统转化为太阳能热泵原理制热；在阴雨天或夜晚没有太阳辐射时，系统转化为空气能热泵原理制热。系统装置既能保证供热的稳定，又具有相对空气能热泵和太阳能集热系统较高的制热效率，通过对办公楼顶的太阳能与热泵供热采暖工程的测试和应用，节能效果显著。该太阳能与热泵供热采暖工程工作原理：利用卡诺循环的原理，将太阳能集热器制成太阳能和空气能集热蒸发器，集热蒸发器中的制冷剂工质直接吸收太阳能辐射能（有太阳辐射时的工况）和空气能（夜晚或阴雨天的工况）低温蒸发，经压缩机压缩排出高温高压的制冷剂蒸汽进入高温冷凝器冷凝放热，冷凝液在高低压差的作用下通过热力膨胀阀降压降温进入蒸发器中吸热蒸发，从而形成一个热泵工作循环。系统实现了花少量的电能，将大量的热能从低温热源向高温热源的输送，输送的热量除以所花电能称为热泵的能效比（COP）。
本采暖供热工程的系统特点：
1. 现场监控技术：该工程以太阳能集热器吸收太阳能作为主要供热源，以空气源热泵作为辅助热源，大大降低了普通热泵热水系统的地域光照等限制，并采用PLC作为控制器，通过计算机与系统控制器以及其他设备的通讯，使其具有现场实时模拟、故障监测与诊断以及远程通讯、远程控制及故障处理的功能。
2. 智能控制技术：系统采用智能微电脑自动控制技术，可自动快速达到设定水温、自动补水，保证输出水压恒定。供水温度在450℃~600℃范围内可调。
3. 民用商用皆可：系统出水速度快，开机10S后即有高温热水。出水量大，特别适合用于学校、酒店、医院等民用洗浴中心，也可为纺织、化工、轻工等行业提供商用大热水量热水。
4. 不受气候影响、阴晴两可：晴天利用太阳能进行加热，雨天及日照强度差时利用双热泵加热系统，系统平均热效率最高可达COP=4.5。
5. 设备安装灵活：集热系统与热泵机组可在屋顶安装，也可地面放置。
6. 高效经济、绿色环保：机组20小时产水量为12吨，投资报价约12万元，热水系统投资平均为1万元/ 吨，回收期18个月。绿色、环境友好型热水系统。
3太阳能热泵供热采暖系统相关设计
太阳能热泵是指把太阳能集热技术和热泵技术有机结合起来，利用太阳能作为蒸发器的主要热源，其他低品质能源作为辅助能源，经过热泵技术提升品质之后与太阳能热源协同作用的供热系统，太阳能热泵可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。
图1山东光普太阳能工程
3.1该公司内的办公楼楼顶太阳能热泵供热采暖工程对工程中的系统控制进行了以下相关设计。
3.1.1通过检测系统的各种参数，为太阳能热水工程（系统）运行状态检测与控制，分析热泵热水系统能效匹配，确定系统的COP系数（能耗比）提供实时数据，与同类技术产品比较，具有明显的技术优势；
3.1.2通过对系统参数监控（远距离网络传输），及时、正确分析系统故障原因，并将故障分析结果反馈给用户，从而对系统进行及时维修，保证系统稳定和可靠的运行；
3.1.3对系统进行能源效率分析和经济性分析，效验太阳能空气源热泵系统与普通热泵系统相比其更加节能可靠。因此，研究太阳能空气源热泵热参数，对于提高系统的效率，改善系统运行性能，提高系统稳定性，构建节能、环保、经济、可靠的热泵系统有着深远的意义。
太阳能热泵热水系统相较于其他供热供暖供热水等系统具有明显的优势，相对于普通的电加热、煤气加热等热水器，它能在很大程度上节约能源，降低整体能耗和经济成本，也更加适应当今社会的能源发展。因此，研究该系统既能对可再生能源利用进行推广，节约社会资源，同时对新能源利用技术发展的促进和创新。
图2太阳能与空气源热泵供热采暖运行监控界面
3.2水箱设计
3.2.1水箱类型
组合式不锈钢水箱：1000mm×1000mm 不锈钢板冲压，氩弧保护焊接拼装而成。
3.2.2水箱尺寸
内径：3000mm×5000mm×1500mm
外径：3100mm×5100mm×1600mm
3.2.3水箱材质及各部分板材厚度
采用1000mm×1000mm冲压模板，水箱内、外胆材质均为304-2B不锈钢，底部板材厚度2.0mm、侧下板材厚度2.0mm、侧上厚度1.5mm、顶部厚度1.2mm，水箱外胆厚度均为0.5mm。
3.2.4保温层厚度50mm~80mm（按要求）。
3.2.5底部基座钢制结构，材质为60mm槽钢焊接成型（防腐处理）填充承压、隔热、保温材料。
3.2.6水箱供水管径50mm、出水孔80mm、溢流孔50mm、泄水孔80mm。
3.2.7水箱内部图
图3水箱内部
该公司500m2办公楼顶的太阳能与热泵供热采暖工程中太阳能与空气能热泵相结合互为辅助，保证了全年全气候供热，在实际运行过程中节能效果显著，环保和减排效果也很好，为全厂职工提供了生活热水并为办公楼提供了供暖热源。太阳能和空气能热泵集成供热系统方案是近年来中央热水系统热源设备发展的新动向，且太阳能与热泵的集成有两种考虑模式：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，有足够的的面积；二是以空气能热泵加热为主，太阳能加热为辅，该公司办公楼正好符合安装条件。该采暖工程的运行模式是为了使空气源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。
随着世界能源的日趋紧张和环保的压力增大，节能热水设备成了热水设备行业发展的焦点。
空气源无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，该太阳能与热泵供热采暖工程是一种可持续发展的“绿色”的节能系统工程，可以解决燃油、燃气热水炉在城市发展的困境。
来源：中国太阳能产业资讯网
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技术支持：家用太阳能采暖系统介绍
来源：我爱我家网
责任编辑：chenming
     家用太阳能采暖系统适用于中国北方南方国外的气候情况，对于较大面积的家庭用户、别墅尤其适用。因为性价比的优势，会成为太阳能热水器之后第二个太阳能大面积应用的领域。总体市场容量在每年1千亿元以上。
     （一）爱多阳光家用太阳能采暖系统介绍：
     1)太阳能采暖行业国内技术第一：爱多阳光太阳能汇集国内热力学、空气动力学、太阳能光热、循环物理、电工机械行业20多位专家教授于2005年开发出国内第一套太阳能供暖系统，经过数十次技术改进，第一代、第二代、第三代太阳能供暖产品先后上市，技术含量在行业内遥遥领先。目前在国内成功实施超过十万平的太阳能供暖项目。
     2)太阳能采暖适用性国内第一：经过山东、北京、山西、陕西、河北、辽宁、黑龙江、河南等几百个家庭单位的应用实践，冬天环境温度在10度~零下40度之间，包括平房、楼房、别墅、幼儿园、厂房、办公室、几十万平方的小区都可以适用，根据用户情况进行合理设计、安装，使投资最低，效果最好。
     3)太阳能采暖舒适性国内第一：人性化界面，操作简单，可根据用户情况分时分流分室控制，集中了锅炉供暖和空调采暖的优点，使用者的舒适程度大大提高。
     （二）家用太阳能采暖系统六大优点：
     ⑴全年使用。能够实现冬季太阳能采暖气(也可全年使用)和全年洗浴使用。这是太阳能热水器的革命性进步，也是太阳能应用的重大技术突破;
     ⑵投资少，费用低。太阳能采暖系统的一次性投资明显低于集中供热、燃油燃煤锅炉等的初始投资，不需要审批，在同等供热情况下日常运行费用大大低于集中供热、燃油燃煤气电锅炉，甚至比土暖气、空调还便宜很多，还可以实现全年的洗浴功能，解决了本系统春夏秋设备闲置，设备折旧加速的问题。
     ⑶每天24小时应用。每年根据气温想用多少天就用多少天，不用象使用燃气锅炉或空调等担心费用高而只能一天开上2个小时，其它时间硬撑着了。
     ⑷智能控制。太阳能与电的完美结合，动态智能运行方式，日常费用降到最低。太阳能采暖洗浴系统由楼顶高温太阳能加热系统和室内计算机智能控制系统组成。
     ⑸运行设定简单。在很多地区晴朗天气下，一天工作24小时全用太阳能供热即可。如果阴雨天或夜间感觉室内需要更高温度，则用电补充即可。太阳能宽频技术与电补变频技术的应用，使太阳能在整套系统能源使用最高能够达到60%-95%的比例。
     ⑹安全干净无污染。操作简单，老人孩子都可以方便使用。避免寒冷导致的疾病，为您打造健康舒适温馨享受的新生活。
     家用太阳能取暖器：用太阳能取暖，哪你的集热面积与水箱容量要足个大，加循环泵与散热片，这是个系统的工程，需请专业人员设计，完全不用电是不现实的，从一般意义上来讲，在有太阳的时候，可以使用太阳能取暖。但是如果想实现无太阳的条件下取暖，那就牵扯到能量的储存、释放以及输送。造价比较高。
     太阳能采暖降温空调的研制原理是：在阳光的作用下，利用单位体积的冷热空气的密度差所产生的微循环，来实现冬暖夏凉的目的。
     1、冬季供暖；自从秋季结束，进入冬季，太阳高度一天天减少，太阳能采暖降温空调就开始为建筑供暖，不断向室内提供热风，室内也不断吸收，储备热量。
     经实测，冬季阳光每天可向室内提供45°~70°c以上的热风，使冬季的平均室温保持在19°c以上，严冬也保持在17°以上，最高室温在24°c以上。
     2、夏季降温，夏季打开采暖降温空调顶部的排气孔，使室内空气经采暖降温空调加湿后，通过顶部排向室外，北墙外的空气进入室内，冷热的不间断循环，使
     室内降温。出于南立墙体表面安装有采暖降温空调，阻隔了阳光对南立墙面的辐射能量，使南向墙体不储存热量，也不再向室内辐射热量，墙体与室温平均，不象传统建设，晚间没有太阳时还不断的向室内辐射热量，安装采暖降温空调的房间。夏季室内温度比室外温度低10°c左右。太阳能空调产品特长 1，节省巨大的能源和资金：利用太阳能采暖降温空调，不用煤，油，气，电，水，无偿使用来自地球之外的取之不尽用之不竭，清洁，绝对的安全的自然能源——太阳能。
     3、使用寿命长：因太阳能采暖降温空调无转动设备，又在密封的干燥环境中运行，因此，使用寿命可达几十年。
     4、绝对的安全：没有燃煤，燃气，燃油，耗电而带来的有害物质和气体排放。
     5、物美价廉，一次投资，一劳永逸：太阳能采暖降温空调，现代科技的结晶，实实在在的绿色环保产品。
     不占据室内空间，洁净，舒适！
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