案例分析：太阳能与热泵结合供热采暖工程

摘要：本文详细介绍了山东光普太阳能工程有限公司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，文中详细介绍了真空管集热器、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。 　　0前言 　　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。  　　1项目概况 　　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。 　　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 　　4结束语 　　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。（北京大学工学院包头研究院/付加庭）