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。2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3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3０℃，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4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，5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6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7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