案例分析：太陽能與熱泵結(jié)合供熱采暖工程

摘要：本文詳細(xì)介紹了山東光普太陽能工程有限公司500m2辦公樓頂?shù)奶柲芘c熱泵供熱采暖工程，作為典型的多能互補(bǔ)供熱采暖建筑節(jié)能系統(tǒng)案例，該系統(tǒng)由太陽能真空管集熱器、低溫型空氣源熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、散熱片等組成，文中詳細(xì)介紹了真空管集熱器、水箱的加工工藝及參數(shù)、控制器和熱泵機(jī)組情況，供熱采暖工程形成了以太陽能為主，空氣源為輔的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了辦公樓建筑冬季采暖、夏季制冷，全年供應(yīng)生活熱水的節(jié)能目的。通過工程的實(shí)施，積累了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有典型的示范作用。 　　0前言 　　隨著世界能源消費(fèi)量的大幅度增長，國內(nèi)外把能源利用的重點(diǎn)向可再生能源的開發(fā)和利用方向轉(zhuǎn)移。太陽能以其取之不盡、安全廉價(jià)、綠色環(huán)保、無需運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)得到重視，但是由于太陽能受季節(jié)和天氣影響較大、熱流密度低、導(dǎo)致各種形式的太陽能直接熱利用系統(tǒng)在應(yīng)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源與太陽能多能互補(bǔ)的利用模式，在這一過程中，熱泵技術(shù)得到廣泛的重視。 　　我國太陽能熱泵的發(fā)展更多的趨向于工業(yè)化的發(fā)展，在化工行業(yè)、食品行業(yè)、紙漿造紙、農(nóng)業(yè)、冶金行業(yè)、木材干燥及制藥等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。在生活生產(chǎn)領(lǐng)域中熱泵的應(yīng)用更為廣泛，包括江蘇、山東、河北、海南、云南等省，北京、上海、深圳、大連等市已經(jīng)開始在新建12層以下居住建筑、辦公建筑、學(xué)校、醫(yī)院、賓館等公共建筑中開始強(qiáng)制推行太陽能熱泵熱水系統(tǒng)。因此，山東光普太陽能工程公司在本公司內(nèi)的辦公樓樓頂建設(shè)了太陽能與熱泵供熱采暖工程，用于公司職工的洗浴用熱水和辦公樓冬季采暖。 　　本文以山東光普在其辦公樓樓頂太陽能熱泵供熱采暖工程為例，介紹了太陽能與空氣能熱泵雙節(jié)能系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)理念和相關(guān)技術(shù)。  　　1項(xiàng)目概況 　　山東滕州市位于山東省南部，地處溫暖帶半濕潤地區(qū)，陽光充沛，年均日照2383小時(shí)，歷年平均氣溫13.6℃，最熱月為7月，平均氣溫26.9℃；非常適合太陽能熱泵供熱采暖工程的建設(shè)條件。 　　座落在滕州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)山東光普是專業(yè)從事太陽能光熱利用產(chǎn)品的研制開發(fā)、生產(chǎn)制造和市場推廣的高科技民營企業(yè)。公司綜合考慮滕州當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、環(huán)保要求、燃料結(jié)構(gòu)、能源效益和經(jīng)濟(jì)承受能力等因素，在公司辦公樓的樓頂建設(shè)了太陽能熱泵供熱采暖工程，該采暖以“節(jié)能、高效、穩(wěn)定、可靠”為技術(shù)特點(diǎn)。將太陽能與空氣源熱泵結(jié)合起來進(jìn)行供熱采暖，進(jìn)一步提高了能源利用率，降低了熱泵熱水系統(tǒng)地域的限制條件，最大程度地改善了系統(tǒng)整體運(yùn)行。 　　系統(tǒng)控制器是采用臺達(dá)的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(shù)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行、檢測系統(tǒng)的故障、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的運(yùn)行等功能，系統(tǒng)借助于計(jì)算機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。該工程實(shí)例中以低碳節(jié)能高效多能互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)為公司職工提供安全舒適的生活熱水，并為公司辦公樓提供采暖用熱。 　　2太陽能與空氣源熱泵工作原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn) 　　太陽能熱泵是將空氣能熱泵與太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合的一種裝置，在有太陽輻射時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為太陽能熱泵原理制熱；在陰雨天或夜晚沒有太陽輻射時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為空氣能熱泵原理制熱。系統(tǒng)裝置既能保證供熱的穩(wěn)定，又具有相對空氣能熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)較高的制熱效率，通過對辦公樓頂?shù)奶柲芘c熱泵供熱采暖工程的測試和應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。 　　該太陽能與熱泵供熱采暖工程工作原理：利用卡諾循環(huán)的原理，將太陽能集熱器制成太陽能和空氣能集熱蒸發(fā)器，集熱蒸發(fā)器中的制冷劑工質(zhì)直接吸收太陽能輻射能（有太陽輻射時(shí)的工況）和空氣能（夜晚或陰雨天的工況）低溫蒸發(fā)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮排出高溫高壓的制冷劑蒸汽進(jìn)入高溫冷凝器冷凝放熱，冷凝液在高低壓差的作用下通過熱力膨脹閥降壓降溫進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，從而形成一個(gè)熱泵工作循環(huán)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了花少量的電能，將大量的熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹妮斔停斔偷臒崃砍运娔芊Q為熱泵的能效比（COP）。 　　本采暖供熱工程的系統(tǒng)特點(diǎn)： 　　1. 現(xiàn)場監(jiān)控技術(shù)：該工程以太陽能集熱器吸收太陽能作為主要供熱源，以空氣源熱泵作為輔助熱源，大大降低了普通熱泵熱水系統(tǒng)的地域光照等限制，并采用PLC作為控制器，通過計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)控制器以及其他設(shè)備的通訊，使其具有現(xiàn)場實(shí)時(shí)模擬、故障監(jiān)測與診斷以及遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制及故障處理的功能。 　　2. 智能控制技術(shù)：系統(tǒng)采用智能微電腦自動(dòng)控制技術(shù)，可自動(dòng)快速達(dá)到設(shè)定水溫、自動(dòng)補(bǔ)水，保證輸出水壓恒定。供水溫度在450℃~600℃范圍內(nèi)可調(diào)。 　　3. 民用商用皆可：系統(tǒng)出水速度快，開機(jī)10S后即有高溫?zé)崴?。出水量大，特別適合用于學(xué)校、酒店、醫(yī)院等民用洗浴中心，也可為紡織、化工、輕工等行業(yè)提供商用大熱水量熱水。 　　4. 不受氣候影響、陰晴兩可：晴天利用太陽能進(jìn)行加熱，雨天及日照強(qiáng)度差時(shí)利用雙熱泵加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)平均熱效率最高可達(dá)COP=4.5。 　　5. 設(shè)備安裝靈活：集熱系統(tǒng)與熱泵機(jī)組可在屋頂安裝，也可地面放置。 　　6. 高效經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保：機(jī)組20小時(shí)產(chǎn)水量為12噸，投資報(bào)價(jià)約12萬元，熱水系統(tǒng)投資平均為1萬元/ 噸，回收期18個(gè)月。綠色、環(huán)境友好型熱水系統(tǒng)。 　　3太陽能熱泵供熱采暖系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì) 　　太陽能熱泵是指把太陽能集熱技術(shù)和熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，利用太陽能作為蒸發(fā)器的主要熱源，其他低品質(zhì)能源作為輔助能源，經(jīng)過熱泵技術(shù)提升品質(zhì)之后與太陽能熱源協(xié)同作用的供熱系統(tǒng)，太陽能熱泵可同時(shí)提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。 圖1山東光普太陽能工程 　　3.1該公司內(nèi)的辦公樓樓頂太陽能熱泵供熱采暖工程對工程中的系統(tǒng)控制進(jìn)行了以下相關(guān)設(shè)計(jì)。 　　3.1.1通過檢測系統(tǒng)的各種參數(shù)，為太陽能熱水工程（系統(tǒng)）運(yùn)行狀態(tài)檢測與控制，分析熱泵熱水系統(tǒng)能效匹配，確定系統(tǒng)的COP系數(shù)（能耗比）提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與同類技術(shù)產(chǎn)品比較，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢； 　　3.1.2通過對系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控（遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸），及時(shí)、正確分析系統(tǒng)故障原因，并將故障分析結(jié)果反饋給用戶，從而對系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)維修，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行； 　　3.1.3對系統(tǒng)進(jìn)行能源效率分析和經(jīng)濟(jì)性分析，效驗(yàn)太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)與普通熱泵系統(tǒng)相比其更加節(jié)能可靠。因此，研究太陽能空氣源熱泵熱參數(shù)，對于提高系統(tǒng)的效率，改善系統(tǒng)運(yùn)行性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，構(gòu)建節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠的熱泵系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的意義。 　　太陽能熱泵熱水系統(tǒng)相較于其他供熱供暖供熱水等系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，相對于普通的電加熱、煤氣加熱等熱水器，它能在很大程度上節(jié)約能源，降低整體能耗和經(jīng)濟(jì)成本，也更加適應(yīng)當(dāng)今社會的能源發(fā)展。因此，研究該系統(tǒng)既能對可再生能源利用進(jìn)行推廣，節(jié)約社會資源，同時(shí)對新能源利用技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)和創(chuàng)新。 　　3.2水箱設(shè)計(jì) 　　3.2.1水箱類型 　　組合式不銹鋼水箱：1000mm×1000mm 不銹鋼板沖壓，氬弧保護(hù)焊接拼裝而成。 　　3.2.2水箱尺寸 　　內(nèi)徑：3000mm×5000mm×1500mm 　　外徑：3100mm×5100mm×1600mm 　　3.2.3水箱材質(zhì)及各部分板材厚度 　　采用1000mm×1000mm沖壓模板，水箱內(nèi)、外膽材質(zhì)均為304-2B不銹鋼，底部板材厚度2.0mm、側(cè)下板材厚度2.0mm、側(cè)上厚度1.5mm、頂部厚度1.2mm，水箱外膽厚度均為0.5mm。 　　3.2.4保溫層厚度50mm~80mm（按要求）。 　　3.2.5底部基座鋼制結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為60mm槽鋼焊接成型（防腐處理）填充承壓、隔熱、保溫材料。 　　3.2.6水箱供水管徑50mm、出水孔80mm、溢流孔50mm、泄水孔80mm。 　　3.2.7水箱內(nèi)部圖 　　4結(jié)束語 　　該公司500m2辦公樓頂?shù)奶柲芘c熱泵供熱采暖工程中太陽能與空氣能熱泵相結(jié)合互為輔助，保證了全年全氣候供熱，在實(shí)際運(yùn)行過程中節(jié)能效果顯著，環(huán)保和減排效果也很好，為全廠職工提供了生活熱水并為辦公樓提供了供暖熱源。 　　太陽能和空氣能熱泵集成供熱系統(tǒng)方案是近年來中央熱水系統(tǒng)熱源設(shè)備發(fā)展的新動(dòng)向，且太陽能與熱泵的集成有兩種考慮模式：一是以太陽能加熱為主，以空氣能熱泵加熱為輔，但是前提是建筑允許放置太陽能集熱板，有足夠的的面積；二是以空氣能熱泵加熱為主，太陽能加熱為輔，該公司辦公樓正好符合安裝條件。 　　該采暖工程的運(yùn)行模式是為了使空氣源熱泵在低溫環(huán)境下還能高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，用太陽能作為其輔助熱源或直接加熱熱水箱內(nèi)的水或提供預(yù)熱。 　　隨著世界能源的日趨緊張和環(huán)保的壓力增大，節(jié)能熱水設(shè)備成了熱水設(shè)備行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。 　　空氣源無處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此，該太陽能與熱泵供熱采暖工程是一種可持續(xù)發(fā)展的“綠色”的節(jié)能系統(tǒng)工程，可以解決燃油、燃?xì)鉄崴疇t在城市發(fā)展的困境。（北京大學(xué)工學(xué)院包頭研究院/付加庭）