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1、太阳能采暖 - 制冷-热水三联供系统案例浅析 北京旺安佳智能采暖有限公司 吴仕安张振华 一 、引言 近年来，人类社会经济发展迅猛，煤、电、石油、天然气等能源日益短缺，能源危机、环境污染等问 题日渐突显，已成为威胁人类生存的头等大事，对新能源的开发利用显得尤为重要，特别是对太阳能的开 发利用。太阳能作为一种可再生的清洁能源具有其它能源无可比拟的优势。我国太阳能资源十分丰富，绝 大部分地区年平均日辐射量在4kwh/.d 以上，全国 2/3 以上地区年辐照量大于502 万 KJ/ , 年日照时数 在 2000 小时以上。太阳能取之不尽用之不竭，处处均可开发应用，无需开采和运输，不会污染环境和破 坏生
2、态平衡，符合国家倡导的“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，具有良好的节能减排效果。 因此对太阳能的开发利用必将创造出良好的社会效益、环境效益和经济效益。 我们通过深入的调查，收集了大量的信息资料，经专业人员潜心研究，设计出了太阳能采暖- 制冷 - 热 水三联供系统, 并运用于多个工程。本系统不但能够满足用户冬季采暖、夏季制冷的需求，还能四季提供 日常生活用热水。现根据在北京市房山区长阳镇实施的工程案例进行浅析。 二 、工程概况 1、 工程简介 该建筑是一座新建的节能民居，上下两层建筑面积为419 ，大小房间共15 间，砖混结构，中空玻 璃塑钢门窗，外墙为370 厚空心砖，外墙加装70 厚
3、标准挤塑板保温层，房顶采用200 厚聚苯板保 温，建筑外围护结构符合节能50标准。 . 2、设计要求 夏季按 3 个月制冷，冬季4 个月采暖，全年每天提供480 升 45热水。设计参数参照下表 空调室外计算参数（表一） 干球温度（）湿球温度（）相对湿度（ % ） 夏季32 26.4 65 冬季-9 - 45 空调室内计算参数（表二） 夏季冬季 房间功能温度（）相对湿度（ % ）温度（）相对湿度（ % ） 客厅24 65 18 45 卧室26 65 22 45 厨卫餐厅26 65 20 45 太阳能计算参数（表三）北京地区北纬 39 48 ，东经 116 28 . 月份1 2 3 4 5 6 T
4、 -4.6 -2.2 4.5 13.1 19.8 24.0 H 15.081 17.141 19.155 18.714 20.175 18.672 月份7 8 9 10 11 12 T 25.8 24.4 19.4 12.4 4.1 -2.7 H 16.215 16.430 18.686 17.510 15.112 13.709 T月平均室外温度； H等纬度角太阳月平均日辐射量（MJ/ d）。 3、负荷计算依据 建设部建筑设计院、北京市建筑设计院编著建筑设备专业设计技术资料， 建筑节能设计标准 （JGJ26-95） ， GB/T187132002 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范， G
5、B/T170491997 全玻璃真空集热管 ， 给水排水工程施工手册， 地面低温辐射供暖技术规程（JGJ142-2004 ）, 夏热冬冷地区居住节能设计标准等及表一、表二的数据做表如下： 建筑面积 m 2冷负荷热负荷生活热水日负荷 总面积 F=419m 2 q=35W/m 2 Q小时=q*F=14.67 kw q=20.6w/m2 Q小时=q*F=8.63 kw Q=CM T=1*480kg* （ 45-10） /860kcal=19.5kwh 注：1、 根据夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准， 围护结构达到节能50%的建筑热负荷指标为20.6w/m 2，则419m2的建筑冬季采暖总负荷为248
6、54KWh.冷负荷指标为35W/m 2， 419m 2的建筑夏季制冷总负荷为 15844KWh （每天 12 小时）。 2、冬季供暖供水温度：35，回水温度：30 3、冬季供暖热负荷设计比例：太阳能冬季采暖贡献率为40% ，剩余 60% 由辅助热源低温热泵提供。 4、系统组成及工作原理 太阳能采暖 - 制冷 - 热水三联供系统（如下图所示）由以下六个子系统组成：太阳能集热系统、低温热 水辐射地板采暖系统、热水供应系统、辅助能源系统、风冷系统、自动控制系统。 4.1 太阳能集热系统 太阳能集热系统主要由太阳能集热器、集热器支架、循环管路、循环泵、阀门、过滤器、储热水箱等 组成。 集热器由太阳能采
7、暖专用真空管和特制的采暖联箱组成，本集热器实现了承压运行、超低温差传导、 防垢、防冻、防漏、抗风功能，真空管经过特殊加工处理，即使玻璃管损坏系统也不会漏水，能够照常运 行。集热器及支架设计安装合理，且功能与景观完美结合，不破坏建筑物美观，并可起到屋顶隔热层作用。 集热器采集的热量以水为载体，通过循环管路储存于储热水箱中。水箱有两个，一个是热水水箱，主 要用于生活热水和洗浴热水，另一个是膨胀水箱，主要用于采暖和制冷。水箱与集热器采用高位集热器低 位水箱安装方式，强制循环，停机排空的运行方式，实现太阳能的采集和系统防冻，大大提高了对太阳能 的采集效率和系统安全性。 4.2 辅助能源系统 当太阳能不
8、能满足系统需求的热量时，不足的热能由辅助能源提供。本工程选用新一代低温空气源热 泵机组作为辅助能源，制冷量31KW, 制热量 32KW, 电源电压380V。本空气源冷热泵机组已成功实现室外温 度- 15时，额定制热量衰减比普通热泵机组减少25% 左右。而且，其最低运行温度可低至- 20。机组在 室外温度0时运行的能效比可达到3.0 。 4.3 低温热水地板辐射采暖系统 本工程采用低温热水地板辐射采暖，上下两层共设四组分集水器，每组分别采用温控器控制，优先使 用太阳能能源，根据采暖区域温度的要求，合理利用辅助热源，大大减少运行费用。进入冬季采暖时，必 须先将系统进行冬夏季行环管路转换，以集热系统
9、及辅助能源系统生产的热水为热媒，在地板盘管中循环 流动，加热地板，通过地面辐射的方式向室内供热。低温热水地板辐射采暖所需供水温度在35-50 ， 较普通暖气片供水温度85-95 低得多，从采暖水箱到采暖末端是低温传输，所以传输热损大大减少。 由于加热管在地下面，地板散发的热量从低处向高处传送，在2 米以内的人体活动区域被有效利用，热损 失小。地暖不占用室内空间且温度梯度均匀，不像普通暖气片那样冷热不均又占用空间。 4.4 热水供应系统 系统生产的热水除提供采暖外，还能通过热水供应系统为用户提供生活日常用热水。本系统采用恒温 恒压装置保证用水终端水的温度和压力，不会出现供水不足或断水现象，采用自
10、动循环保温装置保证供水 管路和用水终端时刻有舒适温度的热水，即使较长时间不用热水也能保证用热水时即开即热。 4.5 风冷系统 本系统利用了风冷热泵机组的优点，它不但冬季可以给太阳能采暖提供热能补充，还可以独立完成夏 季制冷的需求，实现一机多用，充分利用能源，降低投资成本。进入夏季制冷时必须先将系统进行冬夏季 行环管路转换，将生活水箱和膨胀水箱独立使用，太阳能集热器为用户提供热水。由热泵机组生产低温水 并储存于膨胀水箱，通过风机盘管吸收室内热量，为室内降温，达到制冷目的。由于采用冷水系统，室内 水分及人体水分不易流失，所以远比直接使用氟系统舒适。 4.6 自动控制系统 本系统采用微电脑自动控制，
11、能自动识别阳光有无及强弱，监测水箱水温和室内温度，实现太阳能集 热系统和采暖系统温差循环，采暖实施分室分时段控制；水位自动控制；热水系统自动循环保温，恒温恒 压给水；实时功能状态显示；另特为有峰/ 谷电价地区的用户设计了谷电应用功能，使辅助能源在谷电时 间段内充分蓄能，享受优惠电价，减少运行费用。为保证系统运行可靠及用户人身安全，设置了多种保护 措施，如漏电保护、过载短路保护、干烧保护、水流保护、逆序保护、缺相保护、超温保护、高压保护、 低压保护、频繁启动保护等，用户可放心使用。控制系统人机界面可以显示各种设置点参数及各设备运行 情况，自动检测系统故障并显示故障代码，以方便查询和检修。通过全智
12、能化的控制功能，即充分有效地 采集利用了可再生能源又最大限度地节约了能源，同时保证了系统的稳定性、可靠性和安全性。 三经济性分析 3.1 419m 2建筑采暖、制冷、生活热水供应形式的初投资及运行、维护费用比较： 电费按 0.5 元/kwh 计算，低温热泵在0时能效比为3.0 ，太阳能保证率按70% 。由上表可见太阳能 采暖、制冷、热水每年运行费用可节约（2.34+0.4 ） -(1.38+0.035)万元 =1.32万元。系统增投资为 23.38-15.92-0.5=6.96万元， 增投资回收年限6.96/1.325 年。系统使用寿命为20 年，寿命期内节约费 用 20 年*1.32=26.
13、4万元。其中还没考虑常规能源涨价因素、利率因素等，而且燃煤锅炉、电锅炉一般不 超过 10 年就需要较大的设备更换投资，本文不做详尽的计算。 3.2 系统碳减排量 太阳能热水系统二氧化碳减排量 Qco2=Qsave*n/W*Eff*F co 2*44/12 式中 Qco2系统寿命期内二氧化碳减排量 Qsave=62632MJ （太阳能三联供系统的节能量。因为太阳能贡献率为40% ，辅助能源为保证率为60% ，由于 采用热泵技术，常规能源消耗不会大于总能耗的30% ， ） Eff=95%（常规能源水加热装置的效率） 名称 项目 太阳能 +低温热泵采 暖、制冷、热水 燃煤锅炉采暖 +中 央空调制冷
14、电加热热水 （0.48 吨/ 日） 太阳能热水（0.48 吨 / 日） 初投资、万元 23.38 万元 （558 元/ m 2） （120元/m2+260元 /m2） *419 =15.92 万元 0.5 万元 （6kw 电锅炉） 无 夏季运行费用、元 /m2（90 天） 419*20 元/ =0.84 万元 419 *20 元/ =0.84 万元 245 天*0.5*19.5 =2389 元 无 冬季运行费用、元 /m2（120 天） 419 *12 元/ =0.5 万元 419 *30 元/ =1.3 万元 120 天*0.5*19.5 =1170 元 1170*30% =351 元 平均
15、年维修费用400 元2000 元400 元351 元 全年生活热水3959 元351 元 年运行维修合计总 费用 1.38 万元2.34 万元0.4 万元0.035 万元 F co2=0.866kg 碳/kg 标准煤（二氧化碳排放因子，kg 碳/kg 标准煤） W=29308MJ/kg(标准煤热值 ) n=20（经济分析年限年） 依上表计算： Qco2=62632MJ*20 年/29.30MJ*0.866kg碳*44/12=181205.94kg合计 181 吨 太阳能采暖、制冷、生活热水系统在寿命期内二氧化碳减排量为181 吨 四、结论 本系统是对太阳能、热泵、低温热水辐射地板采暖地综合利用
16、。春、夏、秋可完全依靠太阳能提供足 够的日常生活用热水；夏季用热泵和风机盘管制冷，冬季以太阳能为热源，热泵为辅助能源完成采暖和热 水供应的任务。在本系统中太阳能采用地暖专用集热器，集热效率高，系统能稳定性强。辅助能源为低温 热泵机组，它弥补了太阳能的间歇性和随季节变化带来的不稳定性，对新一代低温热泵的应用进一步提高 了系统工作效率；而低温热水辐射地板采暖环保节能，不占用居室空间，热稳定性好，使用低温热水不结 垢，可以连续使用50 年以上。夏季制冷系统使低温热泵机组得到有效利用，不仅降低初投资费用，还实 现了系统整体化的布置，有利于装饰和维护管理。太阳能、低温热泵机组的有效结合，优势互补，再加上 全智能化控制系统，实现了零能耗+低能耗无污染的运行方式，符合节能减排的大政策，为用户创造了舒 适的生活环境，是值得进一步研究和推广的系统。