探討太陽能與地源熱泵結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京清華陽光能源開發(fā)有限公司/張理靜

　　1設(shè)計(jì)理念

　　使建筑能夠融入周圍的景觀環(huán)境中，通過對(duì)大空間的逐層控制，從而達(dá)到線性空間序列的變化體驗(yàn)，為小區(qū)居民創(chuàng)造出良好的小區(qū)人文環(huán)境。總體規(guī)劃傳承對(duì)稱穩(wěn)重均衡的布局原則，充分考慮建筑與景觀相結(jié)合。

　　2項(xiàng)目概況

　　小區(qū)占地10.8萬m2，總建筑面積16.5萬m2，綠化率達(dá)65%的法式生活居住地。項(xiàng)目分為兩期，一期為高檔住宅，二期為酒店式公寓和5A級(jí)寫字樓以及大型餐飲娛樂等公建配套，是一個(gè)集健身、休閑、居住、度假為一體的巴厘島風(fēng)情社區(qū)。

　　該小區(qū)本著低碳環(huán)保的綠色生態(tài)理念，小區(qū)7棟建筑共15個(gè)單元全部采用太陽能全年提供24小時(shí)生活熱水和分時(shí)段洗浴熱水。每戶設(shè)計(jì)水量120L，總水量79.68噸，采用清華陽光橫式聯(lián)集器224組，集熱面積1568平米，平均每噸水集熱面積19.86平米（標(biāo)準(zhǔn)配置為14平米/噸），實(shí)際產(chǎn)出的熱水量為設(shè)計(jì)值的1.4倍，能極大地補(bǔ)償陰雨天等沒太陽情況下的熱水使用量。

　　項(xiàng)目采用太陽能提供生活熱水，使用橫式聯(lián)集器集中集熱集中供熱熱水系統(tǒng)。小區(qū)1#樓~7#樓每個(gè)單元配置設(shè)計(jì)、設(shè)備供應(yīng)、施工安裝。1#樓~7#樓配置情況如表1所示。

　　3系統(tǒng)概況

　　太陽能系統(tǒng)用于提供生活熱水，該小區(qū)總熱水用水量為79.68t，熱水溫度為45℃～55℃，采用清華陽光SLL4715/56型集熱器每塊集熱器集熱面積為4m2。系統(tǒng)配備304－2B內(nèi)膽不銹鋼水箱，用于儲(chǔ)存太陽能一次熱水，太陽能系統(tǒng)采用定溫出水與溫差循環(huán)工作方式對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱。水箱中的一次熱水通過變頻泵主管路循環(huán)，各用戶分別減壓到合適壓力后（壓力在1公斤左右不用減壓）送入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)熱水即開即熱，系統(tǒng)水溫達(dá)不到設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)開啟電輔助加熱，加熱至設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)停止。

　　3.1供水方式

　　一次熱水系統(tǒng)采用自動(dòng)增壓供水系統(tǒng)。戶內(nèi)熱水為分戶減壓后并熱水表計(jì)量直接供水。

　　4數(shù)據(jù)計(jì)算

　　太陽能集熱面積計(jì)算：根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》GB/T18713-2002中的計(jì)算公式，計(jì)算過程如下：

　　4.1一次側(cè)集熱面積計(jì)算公式（以1000L公斤終端用水為例）

　　4.2初步計(jì)算結(jié)果

　　經(jīng)計(jì)算得出，太陽能系統(tǒng)的理論集熱面積為13.5m2；即每噸用戶終端的熱水需要13.5m2集熱面積提供熱量。根據(jù)上表得出，玫瑰園需要集熱面積共計(jì)1200m2集熱面積，共計(jì)SLL集熱器150塊。

　　集熱器基礎(chǔ)采用混凝土基礎(chǔ)制成（甲方預(yù)留），混凝土含預(yù)埋件，預(yù)埋鐵上螺栓連接貫穿的國(guó)標(biāo)槽鋼，槽鋼上連接無焊縫的國(guó)標(biāo)熱鍍鋅角鋼支架。

　　5儲(chǔ)熱水箱容積與材質(zhì)

　　5.1計(jì)算原則

　　一般來說，對(duì)應(yīng)于每平方米太陽集熱器采光面積，需要的貯熱水箱容積為40~100L，通常情況下，推薦采用的比例關(guān)系通常為每平方米太陽集熱器采光面積對(duì)應(yīng)75L貯熱水箱容積。對(duì)于集中儲(chǔ)熱分戶供熱系統(tǒng)，實(shí)際需要水箱容量較小，水箱容積計(jì)算：

　　水箱容積按下式計(jì)算：

　　5.2水箱容量如表2所示

　　5.3儲(chǔ)熱水箱材質(zhì)

　　水箱內(nèi)膽SUS304不銹鋼集成，厚度1.0mm以上制成，水箱外殼采用0.4mm鍍鋁鋅板組裝模塊，內(nèi)膽與外殼之前有保溫層，保溫材質(zhì)為聚氨酯發(fā)泡，厚度為80mm。

　　5.3.1分戶減壓配置

　　根據(jù)設(shè)計(jì)院水專業(yè)設(shè)計(jì)供水管路達(dá)到用水要求，此項(xiàng)可由總包完成，屋面預(yù)留供水、回水管。

　　6系統(tǒng)運(yùn)行原理

　　6.1運(yùn)行原理概述

　　屋面布置太陽能集熱器陣列，設(shè)備間放置保溫水箱，保溫水箱內(nèi)為一次水，加熱后用于加熱用戶端水箱。

太陽能系統(tǒng)運(yùn)行采用溫差循環(huán)（強(qiáng)制循環(huán)）與定溫出水的工作方式，不斷加熱太陽能水箱中的水，當(dāng)太陽能水箱需要補(bǔ)水時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水，將水補(bǔ)充到設(shè)定水位時(shí)停止。

　　系統(tǒng)一次水循環(huán)方式采用自動(dòng)增壓供水泵進(jìn)行加壓循環(huán)。

　　用戶需加裝減壓閥，用于控制供入不同樓層的水壓。

　　6.2太陽能系統(tǒng)運(yùn)行原理流程（參照運(yùn)行原理圖）

　　1.太陽能系統(tǒng)采用定時(shí)補(bǔ)水方式，打開E2自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)充完畢后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水電磁閥E2。太陽升起后，對(duì)集熱器進(jìn)行加熱。當(dāng)T1大于水箱實(shí)際水溫7℃(可調(diào))時(shí)打開水泵P1a，對(duì)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水循環(huán)加熱，進(jìn)行溫差循環(huán)，當(dāng)T1小于水箱實(shí)際水溫水溫3℃時(shí)停止，此過程為溫差循環(huán)（又稱強(qiáng)制循環(huán)）；水箱不滿并且水箱溫度滿足要求時(shí)，當(dāng)集熱器溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥E1打開，用自來水將集熱器中的熱水頂回到水箱，當(dāng)集熱器水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥E1停止。此種方式一直將水箱中的水補(bǔ)滿為止，此控制過程為定溫出水（又稱直流系統(tǒng)）。

　　2.當(dāng)集熱器底部的溫度傳感器T2低于5℃時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)水泵，進(jìn)行防凍循環(huán)，同時(shí)啟動(dòng)電伴熱帶，保證管道防凍安全。

　　3.系統(tǒng)一次循環(huán)供水采用自動(dòng)增壓裝置。

　　4.單戶減壓加裝熱水表后供入用戶室內(nèi)。

　　6.3運(yùn)行原理圖（如圖1所示）

　　7效益分析

　　太陽能、熱泵的有效結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，再加上全智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零能耗+低能耗無污染的運(yùn)行方式，太陽能+熱泵做為一種環(huán)保節(jié)能制熱方式，綜合節(jié)能率可達(dá)85%以上，符合節(jié)能減排的大政策，為用戶創(chuàng)造了舒適的生活環(huán)境，系統(tǒng)值得進(jìn)一步研究和推廣。

　　按照世界氣象組織提供的太陽常數(shù)為1367W/m2測(cè)算，每平方米太陽能集熱器年可節(jié)約標(biāo)煤150kg~80kg，相當(dāng)于450~500kW·h。同時(shí)，減排二氧化碳300kg，二氧化硫2kg，二氧化氮2kg，粉塵3kg。按目前我國(guó)環(huán)保治理費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每平方米太陽能集熱器產(chǎn)生熱水每年的環(huán)境效益為75元，太陽能熱水器10年壽命期的總效益為750元。每生產(chǎn)1m3熱水耗能70kg標(biāo)煤，而太陽能熱水在10年壽命期內(nèi)節(jié)能1500kg標(biāo)煤以上，能源轉(zhuǎn)換率高達(dá)95.5%。

　　依照上述計(jì)算壽光玫瑰園小區(qū)玫瑰園采用太陽能熱水+地源熱泵輔助熱水系統(tǒng)，全年能節(jié)約用電約16萬kW·h，減少二氧化碳、各類有害氣體及粉塵排放約112t。玫瑰園1568m2集熱面積按照10年壽命計(jì)算，壽命期內(nèi)能產(chǎn)生總效益117.6萬元。

　　8結(jié)語

　　該小區(qū)在冬季太陽輻照量不足的情況下與地源熱泵結(jié)合，這套系統(tǒng)中太陽能采用熱水專用集熱器，集熱效率高，系統(tǒng)能穩(wěn)定性強(qiáng)。輔助能源為熱泵機(jī)組（水/地源熱泵機(jī)組、低溫空氣源熱泵機(jī)組），它彌補(bǔ)了太陽能的間歇性和隨季節(jié)變化帶來的不穩(wěn)定性。