太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)工程運行分析研究

郭偉霞　楊少兵　水亞萍　訾雪婷

摘要：如今隨著人們生活水平不斷提升，太陽能在人們的日常生活中也越來越常見，因此太陽能、空氣能作為可再生能源，在建筑節(jié)能中越來越受到人們的重視。正是由于太陽能、空氣源熱泵在生活中的重要地位，因此本次研究通過對兩者的優(yōu)劣分析，以高臺縣為例，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出利用太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)在保證供暖熱水供應(yīng)、節(jié)約和環(huán)境保護等方面的優(yōu)越性。最后，結(jié)合具體案例對其技術(shù)、經(jīng)濟進行分析，結(jié)果顯示：太陽能輔助空氣源熱泵聯(lián)合供暖熱水系統(tǒng)比傳統(tǒng)供暖熱水系統(tǒng)具有更高的節(jié)能和經(jīng)濟價值，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：空氣式太陽能真空管集熱器；相變蓄能；空氣源熱泵；集中供暖熱水系統(tǒng)；建筑節(jié)能

中圖分類號：TK512+.4???????????????????????? 文獻標志碼：A

近幾年，我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，但能源緊張的矛盾卻越來越突出。我國目前的能源資源比較匱乏，人均能耗與國際平均水平相比有很大差距。而能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平低、能源消耗高、能源利用率低，也是我國能源資源緊缺的因素之一。目前，在全國建筑中，95%的建筑沒有達到節(jié)能要求，建筑和使用建筑間接消耗的能源占到全國建筑的46.7%。為了解決目前的能源問題，節(jié)能減排、開發(fā)新的能源資源越來越受到人們的關(guān)注。正是基于上述原因，文章主要以甘肅省張掖市高臺縣太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)運行情況為例，對該地區(qū)太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的運行基本情況進行分析、總結(jié)、概括，期望能夠為后續(xù)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1太陽能在建筑供暖熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的供暖熱水加熱方式包括燃煤鍋爐加熱、燃氣鍋爐加熱、燃油鍋爐加熱、電加熱等。但由于采用的都是非再生能源，其利用效率低、燃燒不完全、熱損失大，不但會產(chǎn)生大量的能量浪費，而且產(chǎn)生的氮氧化物、CO2、SO2等有害氣體也會對環(huán)境產(chǎn)生影響。開發(fā)可再生、無污染的新型、潔凈可再生能源已是大勢所趨。太陽能供暖熱水系統(tǒng)主要有集中式和分散式兩種。傳統(tǒng)的集中式太陽能供暖熱水系統(tǒng)主要有直流系統(tǒng)、自然循環(huán)直接加熱系統(tǒng)和強制循環(huán)直接加熱系統(tǒng)，強迫循環(huán)、間接加熱等；傳統(tǒng)的分散式太陽能供暖熱水系統(tǒng)主要有緊湊式、分離式直接加熱、分離式間接加熱等。太陽能供暖熱水系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、熱水儲罐、熱水管道3個模塊，太陽能集熱器是決定太陽能集熱器熱效率的重要因素，是太陽能熱水系統(tǒng)中的一種組件，它接收到太陽輻射，并將熱傳輸?shù)剿膬?nèi)部介質(zhì)（水）?，F(xiàn)有的太陽能集熱器有平板式、全玻璃真空管、真空熱管3種。板狀太陽能集熱器采用板狀的金屬管，具有高熱效率、高熱量、可承受壓力的特點；具有良好的風(fēng)干性能，價格低廉，但是沒有抗寒性，適合在冬天不結(jié)冰的廣東、云南、海南。全玻璃真空管太陽能集熱器具有一定的耐寒性，冬天溫度為-20℃～0℃，但不能耐高溫，不能無水，不能進行空曬，否則容易破裂。真空熱管太陽能集熱器具有良好的抗寒性，適合于冬季-40℃～0℃環(huán)境下使用，具有承壓、耐風(fēng)吹日曬、不易爆的特點。因此在甘肅省張掖市高臺縣的實際項目施工過程中，根據(jù)實際工程需要，選擇這種模式作為開工基礎(chǔ)。

2熱泵在建筑供暖熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

熱泵是一種行之有效地解決能源等級不合理利用的方法。它能夠利用高級能源的潛能，把“廢熱”中的能量抽取出來，讓它的溫度上升，這樣就能獲得更多的熱量，而不是直接轉(zhuǎn)化成更高級的能源。熱泵機組的工作效率根據(jù) COP=制熱（制冷）/輸入功率進行評估。如果一臺熱泵熱水器的 COP 是3，也就是1 kW·h 的電量，就可以得到3 kW·h 的熱能，這比電加熱的熱水器要節(jié)省三分之二的能源。在常規(guī)工作條件下，熱泵機組的 COP 一般超過4。不同的循環(huán)工質(zhì)，不同的壓縮機類型，不同的容量，不同的類型，不同的熱泵系統(tǒng)，COP 的變化也不同。在實際運行過程中，對熱泵機組COP 影響最大的是蒸發(fā)器和冷凝器的外部介質(zhì)（空氣或水）的工作溫度及其變化。一般情況下，在設(shè)備的容許溫度范圍內(nèi)，當蒸發(fā)器外介質(zhì)溫度較低時，COP 值較低，或較高的凝汽器外介質(zhì)溫度較高。相反，COP 值較高。熱泵系統(tǒng)一般分為兩類：一種是空氣源熱泵，另一種是地源熱泵?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)一般包括4部分：空氣源熱泵、輔助熱源、儲熱、熱水管網(wǎng)；地源熱泵熱水系統(tǒng)一般包括低溫?zé)嵩础⑺礋岜?、貯（換）熱、熱水管網(wǎng)等4類，有時還需要附加熱源。根據(jù)地源熱源的不同，地源熱泵系統(tǒng)可分為地表水、地源熱泵、地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

3 太陽能和空氣源熱泵組合供暖熱水系統(tǒng)應(yīng)用實例

3.1 工程概況

項目位于甘肅省張掖市高臺縣地區(qū)，全稱為甘肅省白龍江農(nóng)林業(yè)科技有限責(zé)任公司鍋爐改造更新空氣源供暖項目，改造原因為供暖燃煤鍋爐到達更換期限，為符合環(huán)保政策要求需更換清潔供暖設(shè)備，具體的供暖范圍為辦公樓：供暖面積 4 367.98 m2，五層框架結(jié)構(gòu)，有保溫，末端采用地暖；酒廠辦公樓：供暖面積 805.34 m2，二層磚混結(jié)構(gòu)，無保溫，末端采用鑄鐵暖氣片；供暖要求：20 ℃±2 ℃，如圖1所示。

整個工程施工投入相比于同類型工程投入一般，并且工程受地理位置限制比較小，但工程能夠最終順利施工，對于地區(qū)采暖工程具有比較重要的意義。

3.2 供暖熱水系統(tǒng)

該地區(qū)常年氣溫在0 ℃以上，但冬季氣溫偏低，日照時間和日照強度充足，因此，供暖熱水系統(tǒng)主熱源選用空氣源熱泵，輔助熱源選用太陽能，盡最大可能利用了免費熱能。該項目的供暖系統(tǒng)是集中供暖，在本方案中，以熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)，通過集成空氣源、太陽能光熱及儲能技術(shù)為城市別墅、新農(nóng)村、企業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、酒店、宿舍等提供清潔能源供暖?？諝馐教柲芗療崞魑仗柟?，將太陽光轉(zhuǎn)化為大量熱能，并通過內(nèi)置的相變蓄能芯存儲，冷空氣通過集熱器后由蓄能芯釋放的熱量將冷空氣加熱為熱空氣，由風(fēng)機將熱空氣送入空氣源熱泵主機，空氣源熱泵主機將熱空氣吸收、轉(zhuǎn)換產(chǎn)生大量熱能，加熱循環(huán)傳熱介質(zhì)；傳熱介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下循環(huán)至室內(nèi)各個散熱末端，為房間供暖。系統(tǒng)將太陽能與熱泵高效融合，大大提高了系統(tǒng)的能效比，降低了用戶的運行費用。從上述內(nèi)容中能夠看出，在進行項目施工的過程中，綜合考慮了整個工程實際情況，并且在施工過程中，對系統(tǒng)效率提升進行了測試、分析及概括，具體如圖2所示。

根據(jù)圖3、圖4數(shù)據(jù)對比分析可知，在空氣式太陽能真空管集熱器作用下設(shè)備2號溫控區(qū)域內(nèi)空氣源熱泵蒸發(fā)器吸收溫度比外界環(huán)境溫度高0.5℃～1.5℃，依據(jù)熱輻射原理設(shè)備1號溫控區(qū)域可高2.5℃～3.5℃，整體可提升溫度約2.5℃，根據(jù)空氣熱泵特性，溫度提升2.5℃，機組效率提升約5%。若將由1組空氣式太陽能真空管集熱器變?yōu)?組，太陽能風(fēng)機風(fēng)量增加1倍，則空氣熱泵效率提升10%。

3.3工程社會經(jīng)濟效益分析

設(shè)備運行費用預(yù)估：11月份20000元，12月份35000元，1月份35000元，2月份25000元，3月份20000元，共計135000元，其中其他設(shè)備用電18000元。因此空氣源熱泵供暖期間總運行費用為117000元，采暖季內(nèi)運行費用為22.61元/m2，比改造前燃煤鍋爐供暖運行費用35元/m2可節(jié)省55%，節(jié)能效果顯著。

該項目利用太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供熱，以取代傳統(tǒng)的煤氣（油式）鍋爐，既可節(jié)省能源，又可降低運營費用，并可顯著減少對周邊環(huán)境的污染。本論述以太陽能熱水系統(tǒng)全年獨立運轉(zhuǎn)為例，對其經(jīng)濟效益進行了分析。此外，熱泵熱水機組的單位容積熱水費用只有其32.59%。與液化天然氣熱水鍋爐相比，空氣源熱泵熱水機組的節(jié)能效果更加顯著，單位容積熱水的成本只有液化天然氣熱水的19.82%。太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)都有很大的節(jié)約空間，二者相結(jié)合，既能充分利用太陽能，又能節(jié)約運營費用；同時，它還可以有效地利用空氣源熱泵對太陽能的不確定進行補償，使整個系統(tǒng)運行更加安全可靠。

4工程存在的細節(jié)問題及處理辦法

4.1工程存在的主要問題

本次施工過程中，整個工程存在的主要問題包括以下幾個方面：首先，主機基礎(chǔ)施工時，出現(xiàn)水泥面聚水現(xiàn)象，二次返工；其次，在開展項目施工的過程中，對整個工程現(xiàn)場勘查不夠仔細，遺漏觀察水泵原始型號；最后，首次方案擬定時需建設(shè)泵房，二次確認方案為不建設(shè)，最終施工時需建設(shè)泵房，具體情況雙方均說不清楚。從以上內(nèi)容中能夠看出，在本次項目施工過程中，對很多施工細節(jié)，還存在著一定的不足之處，對此需要進行及時調(diào)整及優(yōu)化處理。

4.2工程存在問題的處理措施

針對該工程施工過程中存在的各種細節(jié)問題，為了能夠保質(zhì)、保量按期交工，筆者所在單位也進行了施工手段的及時調(diào)整，具體措施如下：首先，提前做好現(xiàn)場勘查記錄表格，確保不遺漏每一項，這是對整個工程細節(jié)方面的把控，也是監(jiān)管過程中重要的一個環(huán)節(jié)，對完善問題有著至關(guān)重要的幫助；其次，在雙方誤會的處理方面，統(tǒng)一設(shè)計方案模板，避免計量單位不統(tǒng)一的問題，并且在項目開展過程中，不定時根據(jù)現(xiàn)場勘查合理配置主設(shè)備，盡可能一次配置合理；再次，在保證施工進度的同時，及時與甲方溝通具體工程量，確保報價全部包含甲方工程量；最后，因商砼方量缺少許導(dǎo)致，以后需加強監(jiān)督分包方的重要工作節(jié)點，減少返工，防止因返工延誤總工期。從工程最終的效益情況來看，通過對整個工程項目所出現(xiàn)問題的及時處理以及調(diào)節(jié)，在最大限度上保障了整個工程的質(zhì)量，并且讓工程能夠最終按時交付。

5結(jié)束語

太陽能熱水器的使用越來越普遍，但是傳統(tǒng)的太陽能熱水器由于受到天氣條件的限制，無法實現(xiàn)全天工作。空氣源熱泵機組是一種高效的節(jié)能設(shè)備，它的開發(fā)和應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注。特別是在冬天，室外氣溫低于0℃時，出現(xiàn)結(jié)霜化的問題。通過工程實例說明，采用空氣式太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的供暖熱水系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的熱源供暖熱水系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約傳統(tǒng)的柴油、天然氣、電力，還可以減少傳統(tǒng)燃料、天然氣、電力，從而減輕目前的能源緊張狀況，提高經(jīng)濟效益；另外，太陽能是一種清潔、無污染的可再生能源，而空氣源熱泵是一種高效、低污染的熱機，二者的結(jié)合可減少對環(huán)境的污染。隨著我國政府越來越重視建筑節(jié)能，這種新型材料的應(yīng)用將會有很大的發(fā)展空間。

在本次研究過程中，通過以甘肅省張掖市高臺縣的具體工程施工實例為研究對象，深入分析并且發(fā)現(xiàn)在整個工程施工開展環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的各種問題。從分析當中能夠看出，目前太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)運行方面的研究，無論從理論深度還是專業(yè)技術(shù)層面，我國仍處于發(fā)展上升階段，對此需要相關(guān)從業(yè)者及時更新優(yōu)化技術(shù)，培育創(chuàng)新理念，保障太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)運行良好、健康發(fā)展。

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