太阳能+热泵采暖系统

太阳能热泵

太阳能+热泵采暖系统
作者 薛怀东
哥本哈根峰会余音犹在，北京发改委又重拳出击，在元月5日发布了《北京市加快太阳能开发利用促进产业发展指导意见》，北京市将从今年开始加快太阳能的开发利用，振兴北京新能源产业，《意见》里明确了对太阳能采暖项目将提供30-70%不等的固定资产投资支持，相信这是我国太阳能应用领域一个新的高潮的开始。
在国外，太阳能采暖已成为太阳能资源利用的主要发展方向，欧洲各国对太阳能采暖给予较高的重视，而在我国，提到太阳能热利用的时候，一般想起的都是太阳能洗浴，其实太阳能采暖是一个更大的空间。
我国属于太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在3300-8300兆焦/（㎡•a）,全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000小时，每年陆地接收太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤。如果在三北地区大力推广太阳能采暖技术，将为我国低碳减排工作作出巨大贡献。
但太阳能采暖系统比较复杂，包括太阳能集热模块、辅助加热模块、蓄能模块、自动控制模块、末端散热模块、供冷终端模块，涉及到太阳能光热、暖通、自动控制、电气设计等多个专业的知识，基本超出目前国内一般水暖安装企业或太阳能热水工程公司的能力范围，仅以本文对太阳能采暖系统做一个初步的介绍。
一、        太阳能采暖系统概况
太阳能采暖系统是指以太阳能作为采暖系统的热源，利用太阳能集热器将太阳能转化为热能，供给建筑物冬季采暖和全年其生活热水的系统，并有在夏季进行供冷的功能。典型的太阳能采暖系统主要设备应由以下几部分组成：
（1）        太阳能集热器及辅助加热设备
太阳能集热器是吸收太阳辐射并向载热工质传递热量的主要设备装置，辅助加热设备补充采暖系统中太阳能不足的热量，目前国内为采暖系统提供热量的太阳能集热器，主要有：平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器、龙创同芯套管等4种类型。
为采暖系统提供热量的辅助加热设备有空气源热泵、水源热泵、地源热泵、燃气壁挂炉、电锅炉、燃油锅炉、生物质锅炉等设备。
（2）        储热（蓄热器）换热设备
太阳能采暖系统一般应设置小型的储热水箱、生活热水箱，辅助换热设备应设置在储热水箱内；储热装置是储存热水并减少向周围散热的装置，一定的热水蓄热量主要是为了满足夜间供热，使室内温度不致有过大波动。储热装置的容量需热工计算确定。
（3）        散热末端
太阳能采暖系统散热末端也称之为散热设备或装置。由于太阳能热密度较低，集热温度很难达到较高水平，提供的热水温度一般都在50℃以下，末端散热装置首选地面辐射采暖地面，另外还有风机盘管，一般不宜采用散热器。
（4）        供冷末端
     供冷末端一般采用风机盘管，也有使用地板辐射供冷的，但使用地板供冷要注意防止结露的问题。
（5）        控制系统
太阳能采暖控制系统较为复杂，它由一套含PLC的控制系统组成，分数据采集、集热器控制、辅助加热设备控制、循环水泵控制等数据的输入和控制执行部件。

二、        太阳能集热选配
集热器的选择主要是要考虑冬季集热效率的问题。如果集热效率高，则可以降低太阳能集热器安装面积，并降低投资。平板式太阳能因为冬季的热损较高，一般不予考虑。热管式集热器因为集热效率不高，也不是做太阳能采暖系统的最佳选择。
另外采暖系统的稳定性与集热器所采用的真空管有很大关系，普通真空管存在一个致命的缺点无法克服，就是如果一个真空管损坏，整个系统立刻瘫痪，并可能造成严重的财产损失。而真空管的材质决定了真空管破碎是一定会发生的事情，所以使用普通真空管建设太阳能采暖系统，就相当于在房顶上安装了一个不定时的“炸弹”。（参看表一）
表一：不同太阳能集热器性能对比表
                 普通真空管               平板式集热器              同芯套管
太阳能得热量        2444w/㎡d                  2682w/㎡d                   2919 w/㎡d
北京12月份太        1242 w/㎡d        1177.2 w/㎡d        490.5 w/㎡d
阳能集热器日均热损
冬季太阳能供热量        1202 w/㎡d        1504.8 w/㎡d        2428.5 w/㎡d
其它特点                  管坏跑水                                     管坏不跑水

结论        系统稳定性存在隐患                                       实际得热最高，系统稳定性最好

另外，太阳能集热器面积与采暖面积所占比例定位在设计中非常关键，它与首次工程投资及运行费用由关。因此，太阳能集热器面积与采暖面积配比应考虑以下几个问题：
(1)        住宅建筑的供热负荷
(2)        太阳能总集热量（总集热量=有效太阳得热量-热量损失）
(3)        采暖系统的经济效益
(4)        夏季生活热水的使用
建筑结构保温是太阳能采暖应用的关键。因冬季太阳能辐射能力及安装面积有限，因此对房屋建筑结构保温的要求较高。
目前太阳能集热器冬季每平方米日均得热量只有2.4kw，如果建筑结构的能耗指标为40w/㎡时，那么仅凭太阳能无法达到舒适的温度。如果建筑结构的能耗指标为20.4w/㎡时，那么每平米太阳能集热器面积就能够带动4㎡的采暖面积，如果今后房屋结构按65%的节能标准实施，建筑结构的能耗指标为16.8w/㎡时，每平米太阳能集热器就能带动6.3㎡的采暖面积。
太阳能集热器面积太小，辅助加热设备采暖负荷增大，太阳能保证率太低，起不到节能的效果。反之，太阳能集热器面积太大，初期投资成本提高，回收年限增长，降低客户的投资意愿，同时，夏季生活热水产生过多造成浪费。
根据我们多年工程实施的经验，再经过精确计算，认为在华北地区，太阳能集热面积与建筑面积的比值在1：10左右，是一个比较恰当的数字。其它地区，可以在这个基础上做出调整。

三、        辅助加热设备的选择
太阳能来自太阳，在晚上就没有能量的来源，在雪天、阴雨天也会造成能源不足，所以太阳能采暖系统中，必须设置辅助加热设备。
辅助加热设备得选择要根据当地太阳能资源条件，常规能源的供应状况、建筑物热负荷和周围环境条件等因素，做综合分析，以确定适宜的辅助加热设备。
为采暖系统提供热量的辅助加热设备有空气源热泵、水源热泵、地源热泵、燃气壁挂炉、电锅炉、燃油锅炉、生物质锅炉等设备。
燃油锅炉和燃气锅炉也是使用高品味的化石能源，一般情况下不建议使用。
生物质锅炉因为燃料来源的问题，无法得到推广。
电锅炉加热的效率不可能超过100%，所以不能作为第一辅助热源。
综合分析，热泵是一个性价比较高的选择，并且使用热泵，还可以在夏季拥有供冷的供暖。是一个最好的选择。
至于选择那一种热泵，要根据当地的气候条件、地质条件、项目规模、资金情况等综合考虑。
四、          太阳能采暖系统控制技术
太阳能集热循环采用温差控制、强制循环的排空系统，较好的解决了北方地区夜间或阴天太阳能集热器内存水防冻问题。其工作原理是：利用太阳能集热器和采暖水箱的温差来控制集热器循环泵启停。当集热器温度大于采暖水箱温度的差值大于等于预设值时，集热器循环泵启动。太阳能集热器优先不断的将生活水箱加热，当温差达到设定值时，关闭阀门。此时太阳能集热器不断将采暖水箱中的热水加热，当温差等于小于设定值时，集热器循环泵停止，太阳能集热器和室外管路中的水受重力作用回落至采暖水箱，采用系统排空技术替代了国内外常采用防冻液防冻措施，防止太阳能集热器和管道系统腐蚀，并解决冬季太阳能集热器及系统中存水冻裂问题，从而减少工程造价及能源消耗，已通过工程实际运行证明，证实本系统防冻简单、运行可靠。
五、        储热系统及末端设备
传统的太阳能热水工程，都有一个或多个储热水箱，用来存储热水，以备使用。但大水箱的设计既增加成本，又要占有一个比较大的空间。如果没有室内空间，将水箱放室外，在寒冷的冬季，必将有很大的热损。所以我公司创造性的设计了储热系统，以地暖管中的水及混凝土垫层为储热系统，大大降低了系统初期投资。
对于末端设备，精心选择了集热器与采暖末端的最佳搭配。采暖末端选用了地板低温辐射采暖技术，地板采暖所需要的低温热水在35～55℃之间，正好是太阳能集热器所能提供的适合温度。

六、        太阳能采暖系统设计范例
以我公司09年实施的某一工程为例，说明太阳能采暖系统的设计情况，如图所示。 本套太阳能采暖系统在冬季提供采暖，非采暖期提供足量的生活热水，夏季利用空气源热泵制冷，确保夏季室内达到舒适的环境。因此，这套太阳能采暖系统集：采暖、洗浴、制冷的联合系统，也可称为三位一体太阳能综合应用系统。

本设计方案切实可行，是今后太阳能光热利用的重要趋势，将逐步解决日益紧缺的能源问题。因此，采用类似设计方案的采暖系统已经越来越受到人们的欢迎。作者愿与广大关注太阳能应用的朋友及同行交流经验、心得。

作者：薛怀东，联系方式：18601198848，邮箱：PUDHII@GMAIL.COM,QQ:1621988

伯伦地暖

这个方式 在东北不行吧

丁忠明

支持并期待新能源技术的推广应用.