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环保分析-太阳能空气源热泵采暖系统


绿色设计案例: 基于环境保护的产品分析
太阳能空气源热泵供热系统的应用 前言:随着经济的发展和人民生活水平的不断提高,我国正面临着越 来越大的能源压力,特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加,已成为 我国不少城市缺电的诱因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然气 等将逐渐开采枯竭,开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的 任务已十分迫切。所以,在提高太阳能热利用应用技术水平的同时, 应积极创造条件,将现有成熟技术在实际工程中推广应用,以积累经 验,通过实践进行技术的改善、提高,起到样板和示范作用。 太阳能热利用技术的本质主要是利用太阳能集热器将低品位太 阳能转化为高品位热能。 但由于其自身具有不连续性且随季节变化较 大,因此目前不能单独满足大量热水需求,必须与其他稳定性较大的 热源结合使用。 空气源热泵热水系统是利用少量电能把不能直接利用 的低品位热源 (空气) 转化为可以直接利用的高品位热能的节能设备。 太阳能热水系统与空气源热泵热水机组联合供热水工程近年来获得 更加广泛的应用。 太阳能空气源热泵供热系统可以持续向用户提供 40-70 度的中温 热水,弥补了单热源供热的不足。同时大幅度节省能源。

太阳能-空气源热泵热水工程设备 一、 热泵的低位热源 被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低位热源。热泵的低位热源有 很多种,主要有:空气、地下水、河湖水、土壤热、太阳能、工业废热。这 些热源可以大量的无偿获得。 选择低位热源时,一般要综合考虑以下几个原则: 1、低位热源要有较高的品位和足够的容量。热泵的热源温度的高低是影响 热泵运行性能的与经济性能的主要因素之一。在一定的供热温度下,热 泵热源温度与供热温度之间的温差越小,热泵的理论能效比就越大。 2、应该没有任何的附加费用或附加费用极少。 3、输送热量的载体的动力消耗要尽可能的少,以减少系统的输送费用,提 高系统的综合性能。 4、热泵热源的载体要价廉易得,对环境友善,对换热器及管路的腐蚀性要 小。 5、热源温度的时间特性与供热的时间性能应尽量一致。

二、

空气作为热泵的低位热源

1、空气源热泵的优缺点 近年来, 空气源热泵作为空调的冷热源得到了广泛的应用,使用地域由南向 北, 从长江流域逐渐扩展的我国的北方地区。空气源热泵以空气作为热泵的低位

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热源具有无可比拟的优点。空气取之不尽用之不竭;机组占地面积少,自动化程 度高;机组可冬夏共用;设备安装和使用都比较方便。但这种形式的热泵有着显 著的缺点。室外空气状态(温度、湿度)随着地域、季节、昼夜均有很大的变化, 而热泵的制热量和制热性能系数受室外状态影响较大。当室外空气温度降低时, 系统的蒸发压力降低,压缩机制冷剂流量减少,压缩机的压缩比增大,热泵的运 行工况变差, 热泵的制热量减少,与之相反的是时建筑热负荷随着室外温度降低 变大, 热泵的制热量与建筑物的热负荷相矛盾。所以在选择空气源热泵作为建筑 供热设备时, 为满足较低室外温度下的供热量要求时,需要选择大容量的热泵机 组或增设辅助加热装置。 空气源热泵的另一个缺点就是结霜。空气是有一定湿度的,空气流过蒸 发器被冷却时, 当蒸发器表面温度低于室外空气的露点温度时, 蒸发器表面凝露, 当蒸发器表面温度继续降低且低于 0℃时,蒸发器表面开时结霜。蒸发器翅片间 的霜层不仅使空气流动阻力增大,而且随着霜层的增厚,换热器的热阻增大,传 热恶化。结霜到一定程度要除霜,现有的方法一般是使用四通换向阀换向,进入 制冷工况, 压缩机排气直接进入翅片盘管换热器一除去换热器表面的霜层,因此 除霜运行时热泵只耗能不供热。 2、空气源热泵供热分析 空气源热泵是利用设备内的吸热介质 (冷媒) 从空气或自然环境中采集热能, 并通过热交换器使冷水迅速提温,同时排放出冷气。避免了传统太阳能产品在阴 雨天气、夜晚不能工作的缺陷,只要外界温度在-15℃以上就能正常工作,故 能更加高效、环保节能,同时可不占露天空间,安装简捷、使用灵活。 3、机组构成运行模式及原理 热泵式热水机组是由一个制冷循环组成,其中包括主机和冷凝器两部分。其 中主机部分包括蒸发器、风扇、压缩机及膨胀阀;冷凝器为内放冷凝盘管的保温 箱。 制冷剂在蒸发器内吸收外部空气的热量,通过热泵循环在冷凝盘管内释放热 量,加热水箱内的水。水箱的保温层采用闭孔橡胶海绵或聚氨脂发泡,且具有良 好的保温性能。 热泵机组设备内专置一种吸热媒质-冷媒, 它在液化的状态下常温低于零下 3 0℃,故此,它与外界温度存在着温差,冷媒吸收了外界的温度,在蒸发器内部

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产生压力并蒸发汽化,通过热交换器(热泵)的工作,使冷媒从汽化状态转化为 液化状态时, 客观存在的热量便释放给水罐中的储用水。电只用在使热能释放出 来,而不是用在直接加热,故用电量很少,在夏季气温高时,生产一吨热水约损 耗5-6度电, 冬季寒冷的天气约损耗20-25度电, 全年平均不超过15度电。

三、

太阳能作为热泵的低位热源

1. 太阳能的优点 ① 太阳能是一种巨大的能源,太阳每年辐射到地球上的辐射能大 181.3Gt 标准煤,相当于全世界需要能量的 5000 倍,每天达到地球表 面的太阳辐射能大约相当于 2.5 亿桶石油。 ② 太阳能是一种可持续能源,根据目前太阳辐射总功率及太阳上的氢总 量来计算,太阳上可以维持 1000 亿年。 2. 太阳能的缺点 ①分散性 虽然到达地球表面的太阳辐射总量很大, 但太阳能的能流密

度很低,一般可以接收到太阳辐射强度不超过 1000w/㎡。平均来说,北回 归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最强,约为 1100—1200w/㎡,冬季只有 一半左右,阴天只有 1/5。要得到一定量的太阳辐射,需要的集热器面积较 大,设备成本较高。 ②间歇性与不稳定性 为使太阳能成为一种连续稳定的自然能源,不受

昼夜、 季节、 纬度、 海拔等自然条件的限制和阴雨天气等等随机因素的影响, 必须解决太阳能的储存和辅助热源的问题, 要把晴天太阳辐射能收集并储存 起来,供夜间和阴雨天使用。 3. 作为热泵的低温热源 太阳能作为热泵的低温热源是利用太阳能的一种大胆而有益的尝试, 为 此太阳能热泵这一理论被提出。太阳能热泵是以新型的空调供热技术,他把 太阳能和热泵技术结合起来, 可以解决空气源热泵低温下的性能问题并由于 减少结霜或不结霜提高了空气源热泵的可靠性稳定性, 在能源和环境污染日 益严重的今天,它以其节能、高效、利用太阳能等诸多优点引起了人们的注 意。 早在 20 世纪中叶, 太阳能热泵利用的先驱就指出太阳能热泵的优越性,

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即可同时提高热泵和太阳能集热器的性能系数。 太阳能供暖与供冷使太阳能不仅可以满足用户的热水需求,还可以给建 筑物供冷供暖。尤其是将这三者结合考虑,可调整和弥补不同季节的需求与 供给差异,实现最大限度利用太阳能的设计思想,建造真正环保、经济的新 型节能建筑。单独的太阳能供暖是不经济的。主要原因是能源需求与能源供 应的不匹配,即供暖需求最大的冬季恰恰是太阳能资源最少的时候,这样单 独用太阳能供暖就需要安装大量的集热器,成本很高。更可行的方法是将太 阳能集热器与热泵结合,利用热泵将太阳能提供的低品位热源提升,满足建 筑物采暖需求。太阳能供冷在需求与供应的匹配上是最合适的,也必将成为 将来发展的趋势。 毋庸置疑,能源和环境问题已经成为当今社会最受关注的焦点问题之 一, 能源是现代社会存在和发展的基础,可以说现代文明是建立在对能源和 物质的大量消耗的前提下。 随着世界人口和经济的迅速增长,人的生存质量 不断提高,能源消耗急剧增加,伴随的能源的巨大消耗,大量未经处理的废 物排放到环境中,导致环境污染日益严重。有限的资源经不住巨大的消耗, 引发世界范围内的能源危机。本世界以来,特别是二次世界大战以来能源消 耗总量直线上升。1950 年全世界能源总耗量为 26.64 亿吨标准燃料,平均每 人 1.08t 标准燃煤;1975 年世界能源总耗量为 85.7 亿 t 标准燃料,平均每人 2.14t。近 25 年来,世界能源消耗增长率平均每年为 14%,大约十多年增长 一倍。 在能源消耗总量中,建筑耗能占很大比重。在发达国家,建筑耗能占总 能耗的 25%--40%。而在建筑耗能中,供暖、空调、制冷、供热水的能耗占 建筑能耗很大一部分。以美国为例,建筑物(包括住宅和商业楼)消耗的能 量占总消耗能量的 33.6%,其中用于采暖 53.3%(占总能耗的 17.9%) ,热水 供应 12% (占总能耗的 4%) 空调 7.4% , (占总能耗的 2.5%) 制冷 6.5% , (占 总能耗的 2.2%) ,其他 20.8%(占总能耗的 7%) 。也就是说,建筑物耗能中 约有 80(占总耗能的 26.6%%)用于采暖、空调与热水供应。我国的建筑物 能耗占总能耗的比重也达 15—20%。 因此, 在建筑物种采用高效节能的空调 供热方式对于缓解目前能源紧张和环境污染问题具有重要意义。 我国是一个

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发展中国家,随着经济的发展,城市化进程的推进,我国的新建筑将大大的 增加。据统计,在 1995—2000 期间,我国新住宅 55 亿㎡,到 2.10 年,新 建住宅将达到 150 亿㎡。 如此巨大的建筑面积将带来巨大的建筑耗能。近年 来, 我国房间空调器产量持续以年 40%的增长率上升, 长江中下游地区的空 调器和热泵的大量使用已导致该地区供电出现部分紧张和短缺。 太阳能用于 建筑采暖、 空调等方面对于缓解目前能源紧张的局面具有重要意义。世界各 国将发展太阳能作为一项重要的能源政策,积极鼓励利用太阳能。自 1990 年来,世界太阳能市场年增长 16%,而同期石油市场增长速度仅有 1.4%, 即太阳能也以 10 倍于石油业的年增长速度发展。 我国是一个太阳能资源十分丰富的国家。我国地处北半球,幅员广大, 大部分地区位于北纬 45 以南。我国各地区我国各地区的太阳能辐照量大致 在 3348—8371MJ/㎡·a 之间,平均 5860MJ/㎡·a,年日照小时 2000---3000 小时。 太阳能的热利用技术见过多年的发展,已成为太阳能利用技术中最成 熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。这些都是太阳能热泵应用的有利 条件。 四、 太阳能在建筑采暖中的利用

1. 太阳能采暖系统 在太阳能的利用进程中已有不少厂商将太阳能应用在建筑采暖上, 让太阳能 产出高温水向建筑物供暖,并以付诸实施,不排除其中的商业运作。但实际效果 并不理想,主要原因是:其一在冬季让太阳能产高温水的效率是很抵的;其二能 源需求与能源供应的不匹配, 即供暖需求最大的冬季恰恰是太阳能资源最少的时 候,这样单独用太阳能供暖就需要安装大量的集热器,成本很高;其三在雨雪天 气,太阳能处于停滞状态,要满足建筑物的符合要求,这样就要给系统增容,一 般是附加电加热装置,导致耗电量增加。 2. 太阳能热泵采暖系统 太阳能热泵采暖系统是利用集热器进行太阳能低温集热 (此时太阳能集热器 的集热效率较高),然后通过热泵,将热量传递到温度为 35-50℃的采暖热媒中 去。冬季太阳辐射量较小,环境温度很低,使用热泵则可以直接收集太阳能进行

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采暖。将太阳能集热器作为热泵系统中的蒸发器,换热器作为冷凝器,这样就可 以得到较高温度的采暖热媒。 太阳能热泵采暖系统主要特点是花费少量电能就可以得到几倍于电能的热 量,同时可以有效地利用低温热源,减少集热面积,这是太阳能采暖的一种有效 手段。 但是单纯的太阳能热泵系统也存在这其自身难以解决的缺点, 即在夜晚或雨 雪天气里,该系统无法提供热能来源,导致系统无法工作。此时就需要配置大功 率的辅助供热装置,如电加热。这样系统要增容,能耗升高,投资成本增大。 五、 太阳能空气源热泵采暖系统

该系统除具备单纯太阳能热泵系统和空气源热泵系统的全部优点外, 还能起 到太阳能在时间上的转移作用,使系统投资成本降低、运行更合理、能节能。 其技术经济优势主要表现在以下几点: ①太阳能热泵系统利用太阳能作为一种地位热源, 是一种巨大的、 可持续的、 清洁的能源。 ②可利用廉价的低温集热器,集热器蓄热作为热泵的低位热源,这样集 热器可工作的较低的温度,集热器的集热效率较高,在相同的负荷条件下,太阳 能空气源热泵较纯粹的太阳能采暖系统要小的多。 此外我国的太阳能热水器产业 和空气源热泵产业已相当成熟,可利用现有产品。 ③太阳能空气源热泵可利用太阳能作为辅助低位热源, 克服了目前广泛应用 的空气源热泵在低温下性能差和结霜的问题。 ④热泵本身是一种节能型的空调供暖系统, 太阳能空气源热泵在室外低温时 可使用太阳能作为热泵的低位热源,热泵的制热性能系数会有较大的提高,其节 能特性会有进一步升高。 ⑤太阳能空气源热泵系统可冬季供暖、 夏季制冷、 春夏秋三季供应生活热水, 设备利用率高。 2.系统整体方案说明 太阳能空气源热泵采暖系统是利用太阳能集热器在白天晴好天气集热并储 存起来,等到夜晚或低温天气里使用。

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在白天室外温度较好的情况下使用空气源向建筑物供暖低位热源; 在室外温 度恶化的时候,空气源热泵运行工况恶化,能效比急剧下降,此时停止空气源部 分的工作,转而启动太阳能系统,作为向建筑物供暖的低温热源。始终保持热泵 的高能效比。 在非采暖季节, 太阳能部分可用来产生生活热水;夏季机组可转换成制冷模 式向建筑物供冷。 3.系统技术说明 由于太阳能供暖系统中太阳能在冬季能流密度小同时受天气影响必须配备 常规辅助能源,常规能源的功率需保证在完全没有太阳能时满足建筑供暖需求。 空气源源热泵供暖系统在冬季运行时室外换热系统效率低热源侧气温低影响热 泵机组性能系数。本系统将太阳能系统与空气源热泵系统优化组合在一个系统, 对于太阳能部分提高了太阳能系统的供暖保障率,降低了常规能源配备功率,对 于空气源热泵系统提高了热泵机组的工作效率。 本系统设计在满足建筑供暖、制冷的基础上,在春夏秋三季可以提供生活热 水。 六、 典型应用:洗浴中心太阳能空气源热泵组成及工作原理

洗浴中心太阳能空气源热泵系统组成
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1、 系统组成 该热水系统主要由太阳能、空气源热泵热水机组和废水余热回收联合提 供热源,系统主要包括太阳能集热器,空气源热泵热水机组,余热回收装置, 蓄热水器,各类循环水泵,控制系统及管网等环节组成。 2、 运行原理说明 本系统采用定温进水、温差循环的运行方式,当太阳能系统水温高于储 热罐自动启动循环系统,晴好天气充分利用太阳能,阴雨天气或光照不足时, 自动或人工开启使用辅助加热。 (1)定温进水:当换热器温度达到设定温度值 55℃时,上水电磁阀自 动开启,将换热器中的热水顶进储热水箱,集热器温度低于设定温度时,电 磁阀自动关闭,停止上水。系统吸收太阳热量经加热盘管转换储存于换热器 内的中,使温度继续升高,然后再开启,再关闭。通过这样一个不断重复的 过程,把太阳的能量转化为热能,直到把储热水箱的水加满。加满后水位开 关断开进水电磁阀门。使其不能开启。 (2) 温差循环:储水箱水满后,只要有阳光辐射,换热器的水温必然 继续升高,当换热器的水温高于水箱底部温度 8℃时,循环泵启动,系统开 始循环,水箱继续增温,直到两个水箱的水温接近时,循环泵停止工作。这 样即可保证太阳能得到最充分的利用。 (3)辅助加热: 自动监测水温:阴雨天气或光照不足水箱水温低于设定值 40℃时,检测 时间范围可控制在中午 12 点止晚上 7 点,其他时间为不执行加热时间,控制 系统自动打开辅助热源,水温达到设定温度时,辅助热源自动关闭。 自动监测水位:当洗浴人数较多,用水量过大,水箱水位降到 20%时 , 进水电磁阀自动打开,向水箱注入自来水水,同时启动辅助热源,温度升到 设定温度时自动关闭,从而保证及时供应热水。 3、系统特点 (1)节省占地,整套系统结构紧凑,系统设备放置在房顶即可; (2)环保,供热时省去了锅炉房系统,没有燃烧过程,避免了排烟污染,供 冷时省去了冷却塔,避免了冷却塔噪音及霉菌污染;

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(3)与建筑物易结合,整体效果协调、美观; (4)充分利用太阳能,价廉易得无污染,属可再生能源; (5)安全:无燃烧设备,从而不存在爆炸,燃烧的隐患; (6)全套系统采用智能微电脑控制,可实时监测其集热器温度、集热水箱水 温、房间温湿度等,数据经处理后由控制器发出命令到各控制末端,使机组达到 最佳的运行效果,提高房间的舒适程度。机组运行、切换灵活,具备各种故障报 警及保护功能; (7)全自动运行、无人值守; (8)少维护、寿命长(可达 25 年) 、安全可靠。 七、 经济性分析

太阳能 空气源热泵 热泵热水成本比较(以某市应用为例)

八、 结论 太阳能和空气源作为可再生能源,对其的提取和利用无需任何的成本, 在建筑节能领域的应用发挥着越来越重要的作用。 从大的方面来讲它是解决 我国能源和环境问题的重要措施之一;从小的方面来讲它是解决居民在采 暖、制冷、制备生活热水问题上的最节能、最环保、最经济的选择。太阳能 空气源热泵系统其相对低廉的造价和能源的高效利用必将在建筑中得到广 泛的应用。
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