工程案例｜西藏地區(qū)水源熱泵與太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合供暖介紹
文章來源:未知時間:2022-02-11
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原標題：工程案例｜西藏地區(qū)水源熱泵與太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合供暖介紹
利用環(huán)保的可再生能源作為供暖系統(tǒng)的熱源，是未來供暖行業(yè)發(fā)展的方向，也符合國家的節(jié)能減排政策。水源熱泵系統(tǒng)與太陽能集熱系統(tǒng)作為可再生能源應用的技術(shù)典型，越來越廣泛的應用在各類建筑中。本文以某工程為例，說明水源熱泵與太陽能技術(shù)聯(lián)合應用于供暖系統(tǒng)的優(yōu)勢、系統(tǒng)組成與控制方式。
隨著高耗能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和人民生活水平提高，近年來我國能源消耗逐年攀升，目前已成為世界第二大能源消費國。我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，供熱仍是以煤炭為主要燃料。礦物燃料燃燒將產(chǎn)生大量污染物，包括大量二氧化硫、氮氧化物等有害氣體以及二氧化碳等溫室效應氣體，大量燃燒礦物燃料所引起的環(huán)境問題已日益成為世界關注的焦點?；趯δ茉春铜h(huán)保要求，在建筑供暖方面利用可再生且無污染的能源已引起人們高度的重視。
我國地域廣闊，蘊藏著豐富的淺層地能資源和太陽能資源，所以地源熱泵、太陽能系統(tǒng)在建筑中的應用是綜合利用可再生能源、走可持續(xù)發(fā)展道路成熟而有效的手段。既節(jié)約了能源，又保護了環(huán)境，符合國家資源和環(huán)境戰(zhàn)略。
1、太陽能與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行的優(yōu)勢由太陽能供暖系統(tǒng)和水源熱泵供暖系統(tǒng)組成的復合式供暖系統(tǒng)，利用環(huán)保的可再生能源作為熱源，且兩種系統(tǒng)取長補短，提高系統(tǒng)的COP值，節(jié)省運行費用。
2、地源熱泵與太陽能系統(tǒng)介紹
2.1、地下水源熱泵供暖系統(tǒng)
地下巖土是一個巨大的天然集熱器，收集了約47%的太陽輻射能量，相當于人類每年利用能量的500倍，且不受地域和資源限制，地下溫度相對穩(wěn)定全年波動較小，不受季節(jié)影響，地下水的水溫常年保持不變，一般比當?shù)仄骄鶜鉁剡€要高幾度，那曲地區(qū)地下水溫度可達15℃左右。與空氣溫度相比，冬季的溫度較高，夏季溫度較低，因此地下水是良好的冷熱源。
但對于西藏那曲地區(qū)不需要考慮制冷需求而是全年供暖，長時間運行會造成地下水溫度降低，影響熱泵系統(tǒng)效率。因此水源熱泵系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)聯(lián)合運行可以使水井間歇運行，使地下水溫度得到及時恢復。地下水地源熱泵根據(jù)水質(zhì)情況可采用直接地下水系統(tǒng)或間接地下水方式，直接地下水方式適用于水質(zhì)好地區(qū)，由抽水井取出的地下水，經(jīng)處理后直接流經(jīng)水源熱泵機組熱交換后返回地下同一含水層；間接式地下水系統(tǒng)的地下水與中間換熱器熱交換后返回地下同一含水層。但間接式地下水系統(tǒng)經(jīng)過熱交換后熱泵機組的進水水溫較低，降低了熱泵機組的運行效率。本工程所在地區(qū)經(jīng)測試地下水資源豐富，推薦采用直接地下水系統(tǒng)。
2.2、太陽能供暖系統(tǒng)
太陽每年輻射到地球表面的能量巨大，其利用潛力很大，且利用太陽能不會對地球生態(tài)環(huán)境造成污染。因此太陽能是一種取之不盡，用之不竭的可再生環(huán)保能源。我國太陽能資源豐富，北方地區(qū)年日照時間一般在2000h以上，那曲地區(qū)更是高達2860h，屬太陽能利用較有利地區(qū)。
太陽能供暖系統(tǒng)是指以太陽能作為供暖系統(tǒng)的熱源，利用太陽能集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，供給建筑物冬季供暖和全年其他用熱的系統(tǒng)。但太陽能供暖系統(tǒng)受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響較大。因此，僅利用太陽能系統(tǒng)供暖，需要較大的集熱面積和蓄能裝置，增加設備的初投資，全部使用太陽能供暖受到了限制。因此可以利用水源熱泵與之聯(lián)合運行，當太陽能系統(tǒng)的熱量不能滿足建筑熱負荷需求時使用水源熱泵來滿足。
太陽能供暖可分為主動式和被動式兩種方式。被動式太陽能供暖通過建筑的朝向和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及建筑材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的恰當選擇，使建筑物在冬季能充分收集、存儲和分配太陽輻射熱。主動式太陽能供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、末端供熱系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和其他能源輔助加熱、換熱的設備集合構(gòu)成，相比于被動式太陽能供暖，其供熱工況更加穩(wěn)定，但同時，投資費用也增大，系統(tǒng)更加復雜。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，主動式太陽能供暖開始大規(guī)模應用。根據(jù)本工程特點，推薦采用主動式太陽能供暖系統(tǒng)。
供暖系統(tǒng)初步方案
一、工程概況
1.本工程位于西藏那曲地區(qū)，建筑功能為辦公樓，總建筑面積為11000平方米，其中一期工程3000平方米，二期工程約7000平方米。那曲地區(qū)氣候寒冷干燥，年平均氣溫較低，全年七個月以上需要供暖。工程一期原有兩臺制熱量710kw的燃油鍋爐，系統(tǒng)運行費用較高，且污染環(huán)境，現(xiàn)一、二期工程均考慮節(jié)能、環(huán)保的供暖系統(tǒng)太陽能與水源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)。
2.供暖系統(tǒng)要求：滿足供暖季的采暖需求。
3.供暖系統(tǒng)設計方案：根據(jù)建筑只有供暖需求，末端系統(tǒng)設計采用地板輻射供暖系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)熱源方案如下：本次設計考慮利用原有兩臺燃油鍋爐作為備用熱源，主要應用太陽能及水源熱泵。
4.建筑負荷（指標法估算）
供暖熱負荷：10000平方米×120w/平方米=1200kw
熱泵承擔負荷：1200kw×55%=660kw
太陽能承擔負荷：1200kw×45%=540kw
二、供暖系統(tǒng)方案：水源熱泵+太陽能+鍋爐系統(tǒng)(備用)
1.水源熱泵設計計算
?。?）太陽能綜合承擔65%建筑負荷，水地源熱泵承擔建筑35%負荷，燃油鍋爐作為備用熱源。系統(tǒng)運行過程中太陽能優(yōu)先運行，水地源熱泵其次，當出現(xiàn)極端氣候條件或前二者檢修維護時，開啟燃油鍋爐。本方案三個供暖系統(tǒng)可以互為備用，水地源熱泵系統(tǒng)基本不受氣候條件影響，運行費用只相當于電供暖系統(tǒng)的1/5；太陽能系統(tǒng)受外界環(huán)境影響明顯，但運行費用最低廉；燃油鍋爐運行費用高，且污染環(huán)境，作為第三級備用。
?。?）供暖設備選擇
選擇6臺水源熱泵機組，單臺機組制熱量為108kw，總制熱量為648kw。可以承擔部分供暖需求。
?。?）水井設計
應用水地源熱泵技術(shù)的前提條件是建筑場地具備必要的電源和水源。電源用以驅(qū)動熱泵機組的壓縮機做功，水源作為熱泵機組從中獲取熱能的熱源或向其排放熱量的冷源。
熱泵機組對熱源的要求條件是：水溫適度、水質(zhì)適宜、水量充足，供水穩(wěn)定可靠。本項目是否可行，可以從地下水類型、地下水水溫、地下水水質(zhì)、含水層富水性等因素進行分析論證。
根據(jù)計算，該工程水源熱泵機組供暖時需井水水量為45立方米/h。
根據(jù)水地源熱泵設計規(guī)范要求，需對地下水做抽水及回灌試驗，試驗方法及要求參見GB50296及GB50366。根據(jù)測試結(jié)果設計抽水井及回灌井數(shù)量。
2.太陽能系統(tǒng)計算
?。?）根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，那曲地區(qū)的的輻照強度為H（集熱器傾角等于當?shù)鼐暥龋?br> T——月平均室外溫度℃；（見表1）
H——等緯度角太陽月平均日輻射量（MJ/平方米d）；
?。?）供暖及供暖熱負荷分析
設計計算條件：
建筑熱指標：120W/平方米
建筑物供暖時間：24h
建筑物建筑面積：10000平米
10000平方米建筑供暖期熱負荷值(見表2)
考慮其他因素，太陽能系統(tǒng)的供暖貢獻率應在45%左右，以上計算太陽能系統(tǒng)效率按45%計算。
3.供暖末端系統(tǒng)的選擇
地板輻射供暖相比傳統(tǒng)供暖方式有無可比擬的優(yōu)勢，具有舒適、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。地板輻射式供暖如今在北方地區(qū)已經(jīng)被廣泛應用，與傳統(tǒng)的取暖方式不同，熱能從地面開始散出，然后輻射、對流至居室四周。
?。?）高效節(jié)能：在室內(nèi)采用地板輻射供暖時，沿高度方向溫度分布比較均勻，溫度梯度小，減少了無效熱損失。實踐證明，地板輻射供暖房間的熱效率比較高，在1.8米以下形成一個熱氣層，熱量集中在人體受益的高度內(nèi)。在同樣滿足溫暖舒適條件下，地板供暖的溫度設置可比其他供暖方式低2至3攝氏度，有關技術(shù)資料顯示，如室內(nèi)溫度降低1攝氏度，可節(jié)能近10%。利用水源熱泵或地源熱泵進行地板輻射供暖、供冷，每平方米裝機電量不大于15瓦，比空調(diào)低30～50瓦，可有效緩解高峰供電緊張狀況。由于地板本身是熱輻射面，因此減少了圍護結(jié)構(gòu)近1/5的冷面吸熱耗能。
?。?）舒適美觀：對人體的健康和供暖效率而言，最佳的效果是從下到上逐漸變涼的方式，地板輻射供暖是最接近這種效果的理想供暖方式，給人以腳暖頭涼的良好感覺。當人們滯留在溫暖的地板上時，加熱人體最容易感覺寒冷的足部區(qū)域，腳暖而身體上部又不受冷輻射的作用，符合人體生理學需求，故感到十分舒適。不占用室內(nèi)空間，可充分展示裝修個性。
?。?）節(jié)約維修費用：由于地板供暖盤管全部暗埋在樓板中，所以在運行中如果不是人為破壞，幾乎不存在維修的問題，使用壽命在50年以上，不腐蝕、不結(jié)垢，只需定期清洗過濾器，可節(jié)約維修費用。
4.水源熱泵與太陽能地板輻射供暖的工作原理典型的太陽能地板輻射供暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、控制器、集熱泵、蓄熱水箱、輔助熱源、供回水管、關斷閥、三通閥、過濾器、循環(huán)泵、溫度計、分水器、加熱器組成。
當T1＞50℃時，控制器就啟動水泵1，水進入集熱器進行加熱，并將集熱器的熱水壓入水箱，水箱上部溫度高，下部溫度低，下部冷水再進入集熱器加熱，構(gòu)成一個循環(huán)。當T1＜40℃，水泵停止工作，為防止反向循環(huán)及由此產(chǎn)生的集熱器的夜間熱損失，則需要一個止回閥。當蓄熱水箱的供水水溫T2＞45℃時，可開啟泵2和3進行供暖循環(huán)。和其它太陽能的利用一樣，太陽能集熱器的熱量輸出是隨時間變化的，它受氣候變化周期的影響，所以，太陽能系統(tǒng)不能保證在任何情況下都有足夠的能量供給。當陰雨天或是夜間太陽能供應不足時，可開啟三通閥，利用熱泵或用戶原有的鍋爐加熱。當室溫波動時，可根據(jù)以下幾種情況進行調(diào)節(jié)。如果可利用太陽能，而建筑物不需要熱量，則把集熱器得到的能量加到蓄熱水箱中去；如果可利用太陽能，且建筑物需要熱量，把從集熱器得到的熱量用于地板輻射供暖；如果不可利用太陽能，建筑物需要熱量，而蓄熱水箱中已儲存足夠的能量，則將儲存的能量用于地板輻射供暖；如果不可能利用太陽能，而建筑物又需要熱量，且蓄熱水箱中的能量已經(jīng)用盡，則打開三通閥，利用熱泵或鍋爐進行加熱。
5.應用太陽能－地源熱泵技術(shù)的原則：
?。?）在經(jīng)濟許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用最低,所以在經(jīng)濟許可的情況下，可適當增大太陽集熱器的面積。
?。?）太陽能－地源熱泵技術(shù)適宜全年供生活熱水以及冬季供暖、夏季制冷的全年綜合利用。在實際工程中，采用新能源后，系統(tǒng)初投資較高，尤其是太陽集熱器，全部是增量成本，最好能全年綜合利用。例如：太陽集熱器冬季供熱、夏季制冷，在過渡季不使用空調(diào)時，除提供生活熱水外，將多余的太陽能熱量儲存起來,供冬季供熱。這樣既可以綜合利用太陽能，又可以避免太陽集熱器的空曬,增加了太陽集熱器的壽命。
?。?）新能源利用的前提是用于節(jié)能建筑，以降低系統(tǒng)的初投資。太陽能的能流密度較低，集熱系統(tǒng)的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，初投資比較高。為了盡可能減少系統(tǒng)的初投資，必須保證建筑圍護結(jié)構(gòu)符合節(jié)能規(guī)范的要求，以降低供暖、制冷負荷。
?。?）與供水溫度要求低的末端系統(tǒng)配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組COP值較低，常規(guī)地源熱泵機組供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統(tǒng)的集熱效率也與出水溫度有關，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖末端系統(tǒng)時應優(yōu)先選擇供水溫度要求低的形式。
6.太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行的方式
太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱的原則是：以熱泵系統(tǒng)為主，太陽能系統(tǒng)為輔助熱源，但在運行控制上要優(yōu)先采用太陽能，并加以充分利用。
?。?）在集熱器末端設置溫度傳感器T1，儲熱水箱設置溫度傳感器T2，當T1-T2達到設定溫差上限時，程序控制器命令循環(huán)泵啟動，太陽能系統(tǒng)對儲熱水箱的水進行加熱，當T1-T2達到設定差值的下限值時，循環(huán)泵停止。以上過程是一個反復過程，只要滿足條件太陽能系統(tǒng)就在集熱循環(huán)狀態(tài)，體現(xiàn)最大限度和優(yōu)先利用太陽能的原則。
?。?）在陰天或太陽輻射差的條件下，并且儲熱水箱的溫度也不能滿足系統(tǒng)供暖需求，系統(tǒng)將自動切換到熱泵系統(tǒng)。同時由于采用分散式熱泵，系統(tǒng)可以根據(jù)實際的供暖需求，不同的區(qū)域，不同的溫度需求和不同的季節(jié)靈活調(diào)節(jié)機組運行數(shù)量，進一步提高能源的有效利用。
太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱如圖1所示:
三、結(jié)語
本工程設計為水源熱泵系統(tǒng)與太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合供暖，是比較有代表性的可再生能源利用形式，雖然系統(tǒng)的初期投資相對較高，但經(jīng)過經(jīng)濟分析，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期約為5年，與原來的燃油鍋爐相比較，系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯。因此，本工程推薦使用此聯(lián)合供暖系統(tǒng)。
-THE END
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