太阳能+空气源热泵集中供热系统在工程中的应用

叶绍

摘要：对常用供热方式的比较，并对太阳能制热技术、空气源热泵技术原理的介绍，引出适用福州地区的太阳能+空气源热泵集中供热系统的组合形式及原理。同时，结合工程实际情况，介绍太阳能+空气源热泵集中供热系统在工程中的应用，系统在保证用水需求的情况下最大限度地节约能源，又可体现绿色、节能、环保的意识和理念。

关键词：太阳能；空气源热泵；集中供热系统；节能；环保

中图分类号：TU822.1文献标识码：A文章编号：1674-3024（2016）09-181-04

引言

据《中国能源发展报告（2014）》显示，2013年中国能源消费占全世界的22%，温室气体排放居世界首位。报告称，“十二五”前3年，中国能源消费年均增长4.9%，超过了《能源发展“十二五”规划》目标，节能减排刻不容缓。《十三五规划纲要》指出，深入推进能源革命，着力推动能源生产利用方式变革，优化能源供给结构，提高能源利用效率，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。

建筑能耗占社会总能耗是三分之一，是节能减排的重点领域，为此原建设部于2005年4月15日发出了《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》强调建筑节能设计规范，从源头控制建筑能耗。2007年5月18日国家发展改革委、原建设部联合发出《关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知》提出“有条件的医院、学校、饭店、游泳池、公共浴室等热水消耗大户，要优先采用太阳能集中热水系统；新建建筑在设计时，要预设按照太阳能热水系统的位置和管道等构件，尽可能按照太阳能热水系统；对于既有建筑，如具备条件也要支持按照太阳能热水系统；2010年10月国务院发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，把加快太阳能热利用技术推广应用，作为新能源产业的发展重点。

太阳能是天然的能源，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，热流密度低等特点，导致各种形式的太阳能制热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与太阳能互补的能源利用模式，在这一过程中，空气源热泵作为可再生能源，其技术得到广泛的重视。

空气源热泵热水机组与太阳能集热系统相比，最大优势在于只要室外环境温度在机组运行范围内（-10°c～50°C）就可以全天候供应热水，弥补了太阳能系统本身存在的缺陷；同时在相同条件下，机组占地面积远小于太阳能集热板的占地面积

随着国家节能减排政策的广泛推行，空气源热泵热水机组和太阳能热水器是目前市场上最简便、最节能、最安全和清洁无污染的新一代热水制备，符合当代低碳环保发展的方向。

本文通过比较介绍太阳能+空气源热泵集中供热系统技术原理，及具体的案例介绍其在建筑节能中的应用及意义。

1.常用供热方式的比较

随着人们生活水平的提高，在生活中热水越来越成为不可或缺的一部分，在集中供热系统中，一般优先利用生产余热，在没有余热可以利用的情况下，通常采用电热水锅炉、燃油热水锅炉、燃气热水锅炉、太阳能加辅助电加热、空气源热泵机组等独立热源提供生活热水，由于供热方式不同，其供热效率、安全、环保、经济效益也不尽相同，见表1。

注：1.（以上数据仅供福州地区参考），太阳能集热器的加热成本，按一年中160天可有效利用太阳能，不须其它补热方式，其余205天则需通过其它方式补热，但太阳能按平均每天加热水的温升以15°C计算。

2.年工作时间以365天标准计算运行费用。

3.专业工人的工资以福州地区2016年初平均工资。

从表中可以看出，太阳能加辅助电加热和空气源热泵机组的制热成本较低，且安全性高。将太阳能集热系统和空气源热泵机组两者有机组合，既可充分利用太阳能，又可节约辅助能源，最大限度降低运行成本，节省费用，节能制热方案得到最佳效果。

2.太阳能+空气源热泵集中供热系统的原理

2.1太阳能制热水技术原理

太阳能作为一种巨大的可再生清洁能源，每天到达地球表面的太阳辐射能为5.57x1018MJ，相当于190万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56x104倍。太阳能以其丰富、清洁、无须运输等特点受到人们的重视及广泛的利用和发展。

太阳能热水技术是将太阳光能转化为热能的技术，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用，其主要部件为太阳能集热器、循环泵、水箱、管路等组成，太阳能热水工作原理为利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水，即当真空集热器受到太阳照射时，真空集热管内的冷水被加热，加热后的热水沿着玻璃管受热面往上进入保温储水箱内，与此同时水箱中的冷水利用在增压泵原理下进入真空集热管内被加热，如此循环，水箱中的冷水被加热。

2.2空气源热泵系统制热原理

空气源热泵作为太阳能集中热水系统辅助热源的最大特点是，弥补了常规太阳能热水系统的缺陷，且其本身具有节能性。

热泵是一种将低温物体中的热能传递至高温物体中的一种装置。热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，可以长期地、大规模地利用江河、土壤、空气中的低温热能，在节能降耗及环保方面表现良好。空气源热泵顾名思义就是从空气中提取热能，利用载热工质，传递到高温热水中。它结构简单、占地小、安装使用方便，在卫生热水供应方面具有不可替代的优势，但它有一个主要缺点就是供热能力和供热性能系统随着室外气温的降低而降低，以致于它的使用受到环境温度的限制。

空气源压缩式热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成，按照逆卡诺循环原理，通过让工质不断完成蒸发压缩冷凝节流再蒸发的热力循环过程，将空气中的热量转移到工质中。热泵在工作时，把空气中储存的热量Q2在蒸发器中加以吸收，工质经过压缩机压缩，压缩机做功w，通过工质循环在冷凝器中进行放热Q1，所以Q1=Q2+W，即热泵输出的热量为压缩机做的功和环境吸收的量之和。理论实践表明，w约为Q1/4，相对于电热水器而言节约3倍Q1/4。因此，热泵技术可以节约大量的电能，详见图1。

2.3太阳能+空气源热泵集中供热系统运行可靠性分析

作为太阳能空气源热泵集中供热系统的主要组成部分，太阳能集热器和空气源热泵机组都是技术成熟的节能环保产品。太阳能集热器在生活热水系统中的规模化利用已有20余年的历史，空气源热泵机组的大量应用也有数十年的历史，太阳能热泵集中供热系统将太阳能与空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功能的条件下，不仅可以最大限度地利用太阳能、降低运行成本，而且能够有效地利用空气源热泵补偿太阳能的不确定性，使整个热水系统在运行中更加安全、可靠。

2.4太阳能+空气源热泵集中供热系统的原理

按太阳能集热系统和热泵系统的组合方式，太阳能热泵系统分为串联系统、并联系统和混合系统，其中串联系统又可以分为传统串联式系统和直接膨胀式系统。本文结合福州地区自然气候条件，介绍并联系统的原理及其应用。混合系统主要适用于北方地区，用于解决冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应。

并联式系统如图2所示：

该系统是由传统的太阳能集热器和热泵机组共同组成，它们各自独立工作，互为补充。根据季节及天气情况，它的运行主要有以下四种工况：

（1）太阳能加热生活热水

在大部分日照良好的晴天，此时太阳能循环泵由系统控制器根据太阳集热器和保温水箱的温度进行控制，源源不断的将集热器采集的热量输送到水箱。

（2）热泵机组辅助加热生活热水

在阴天或多云天气，当太阳能集热温度低于保温水箱水温，不足以直接加热生活热水时，热泵机组启动，利用空气作为热源加热保温水箱内生活热水。

（3）太阳能和热泵机组同时加热生活热水

在晴天日照良好时，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或者太阳集热器的数量较少，不能满足热水系统的用热需求时，太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。

（4）热泵机组直接加热生活热水

在连续的雨雪天气中，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对保温水箱加热。

3.太阳能+空气源热泵系统在项目上的应用

3.1工程概况

福州某文化宫改扩建项目由多项使用功能不同的建筑组成，地上六层：有体育中心、展览馆、多功能影剧院、综合楼和配套服务用房。地下两层：地下一层为游泳馆及配套服务用房和设备用房，地下二层为汽车库和设备用房。总建筑面积约108684.9m²，其中：体育中心建筑面积约24850.3m³；艺术中心建筑面积约13885.9m²；多功能影剧院建筑面积约26324 m²；地下室建筑面积27364.2m²；其他部分建筑面积15985.5m²。本工程需要满足生活热水供应场所主要有：体育中心恒温游泳池、体育中心恒温水疗池（贵宾用小游泳池）、体育中心和影剧院淋浴等。

3.2自然资源条件

福州属典型的亚热带季风气候，气温适宜，阳光充足，霜少无雪，夏长冬短，无霜期达326天。年平均日照数为1700～1980小时；年平均气温为20-25°C，最冷月1～2月，平均气温达6～10°C：最热月7～8月，平均气温为33-37°C：太阳能总辐射量为4979MJ/m²，由此可见福州地区具有太阳总辐射量大、太阳能可利用日数较多，气候环境温度高等自然气候条件，太阳能资源丰富，可开发条件优越，综合利用太阳能的潜力巨大。另本项目周边无高层建筑，无遮挡、直接辐射较多，故本工程非常适合太阳能+空气源热泵集中供热系统的建设条件。

3.3方案技术路线

顺应国家节能减耗，防污染的需要，结合福州地区自然资源条件及工程投资成本和运行费用，本工程集中供热系统采用太阳能+空气源热泵集中热水供应系统，在相应功能建筑顶层建设太阳能热泵集中供热工程，并设循环泵进行机械循环，采用太阳能设备制备生活热水，以空气源热泵机组作为辅助加热，对游泳池、水疗池及沐浴间等进行全年、全天候供应热水。以体育中心和多功能影剧院为例介绍太阳能+空气源热泵集中供热系统在工程中的应用。本系统采用太阳能集热系统与空气源热泵机组并联组合方式，太阳能热水系统与空气源热泵热水系统均按在各自独立运行时满足最高热水用量。系统图详见图3。

（1）福州地区其它季节气温和冷水水温相对较高，夏天热水系统制热量完全可以满足要求，故集热器布置的倾角和方向以侧重冬季使用为主。

（2）冷热水系统同源供水，以保证用水点处冷热水压力平衡力；热水管线同程布置，避免产生短路现象。

（3）福州地区夏天自来水温度大于15°C，集热器最高水温有时可达95°C，为避免极端天气情况给供热系统带来影响，在系统中设置膨胀罐，消除系统的膨胀量。

3.4功能控制

太阳能热环泵P1受集热水箱水位及温差控制。太阳能集热器经过太阳光照射，集热器内的水温不断升高，在热水箱内水位不低于低水位的前提下，如果太阳能上下循环温差超过设定值7℃（可调）时，热循环泵P1启动，将水箱里的水抽入集热器中，同时将集热器内有一定温升的热水挤入热水箱内贮存，如此循环往复，将水箱里的水不断加热，以至达到用水要求。当集热温差小于3℃（可调）时，热循环泵P1停止。与此同时，自来水的压力将集热容器内的热水顶至恒温容器内以备使用。

热泵循环泵P2及空气源热泵受恒温容器水温控制。热泵循环泵与空气源热泵同步工作，如果恒温水箱水温未达到50～C（可调）时，热泵循环泵P2启动，同时空气源热泵启动对恒温容器进行循环加热，如此往复，将水箱里的水不断加热，以至达到用水要求。当恒温水箱水温超过55°C（可调）时，热泵循环泵P2及空气源热泵停止，停止工作对容器加热。

管路恒温控制。当回水管路内温度T5未达到40°C（可调）时，加水循环泵P4启动，将管道与恒温容器内热水进行循环，对用水管道进行加热。当回水管路内温度T5超过43°C（可调）时，延时5分钟回水循环泵P4停止。

容器恒温控制。当T3-T4温差大于5℃（可调）时，启动容器循环泵P3，进行恒温容器与集热容器循环，对恒温容器内加热。T2-T4温差小于3℃（可调），容器循环泵P3停止。当恒温容器内温度不能满足用水要求时，优先启动容器循环，后启动辅助加热循环。

防冻保护。当集热器顶部温度或底部温度小于5℃（可调）时，启动太阳能循环泵P1；当集热器顶部温度或底部温度大于5℃（可调）时，延时5分钟关闭太阳能循环泵P1。

设备过热过压安全防护。当集热水箱温度超过75°C（可调）或压力超过0.6MPa时，自动开启排水电磁阀进行泄水，同时停止太阳能循环泵，当温度下降至70°C（可调）或压力下降至0.5MPa时，自动关闭排水沟电磁阀恢复运行。

3.5安全性方面

本工程供热系统按照国家有关防火、防震等安全性规范要求，并留有消防和检修通道，太阳能阵列、热泵机组符合防护和安全的规范要求；各种设备基础均采用锚固方法与建筑结构可靠牢固连接，与建筑成为一体，符合抗震和防台风要求；控制系统具有防漏电和可靠接地，系统设备、管道均按规范配置相应防雷装置并与各自防雷系统成为一体。管道穿墙、楼板按要求加设套管并做防水处理，管道横跨楼房沉降缝均设置防止沉降配件；循环管道、供（回）水管道按照要求的坡向、坡度制作安装；储水罐、热泵机组和管道支架基础，锚固在承重结构上，预埋件锚固按照规范要求进行防腐处理，并做好相关防水处理。太阳能集热器、储水罐、热泵机组、泵类、阀类等设备在现场安装完毕均做水压试验及气密性试验和质检工作；各种管道分阶段进行水压试验，系统完工后，设备单机、空载运行、控制系统等各分项调试合格后再进行总调试，确保系统安全可靠。

3.6系统特征

该供热工程以“节能、高效、稳定、可靠”为技术特点，将太阳能与空气源热泵有效地结合起来，进一步提高了能源的利用率，最大程度改善了系统整体运行。系统控制器是采用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，实现远程监控功能，实现无人值守。

3.7系统效果

本工程自2013年10月竣工验收以来，经过全负荷调试运行及生产运行以来，节能、环保和减排效果显著，系统在冬季晴天太阳能集热系统可满足系统90%左右的设计供热量，阴雨天气热泵机组平稳运行。根据福建地区的气象条件和太阳辐照情况，该系统年综合节能率可实现预期的85%以上目标。本项目通过电脑实现远程控制，太阳能集热系统和热泵系统可自动切换，智能化运行，提供了全年全天候供热。管理方便，安全可靠，不需设机房及专职人员，节省每年的人工费用，燃料采购费用等，只要少量电能，即可产生大量热水，且不产生任何污染，既响应了国家倡导的利用可再生能源的号召，又体现了管理者的绿色、节能、环保的意识和理念。本工程在施工过程中获得“省级文明示范工地”，省优专业工程评选中获得“闽江杯”优质工程，并在评优过程中，受到与位的各位专家的一致好评。

4.结束语

太阳能+空气源热泵集中供热系统作为经济、合理、节能、环保的中央热水系统，能够有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，改善环境，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用能缓解当前日益严重的能源危机，创造更大的经济价值。它对于企业贯彻节能减排国策，减少企业经营成本，提高企业经济效益具有重要意义。然而太阳能集热器另一个显著的缺点是占地面积大，影响其在住宅小区里的大面积推广。在小面积上能取得大面积太阳能集热器的功能，应该研究人员的新课题。我相信随着科学技术的发展，其将广泛地应用于工厂、宾馆、供暖等制热水工艺中。