太阳能复合采暖系统在新农村城镇化改造中的应用

复合太阳能系统,低温空气源热泵,嵌入式太阳能系统

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03-15

北京海林节能设备股份有限公司  李正昌、武江丽、谭莎莎、窦建清

太阳能光热利用技术和产品是把太阳辐射到地面的辐射能转换成热能的技术和产品, 根据工作温度的不同,太阳能热利用的分类可划定为低温、中温、高温三类。低温(40℃~80℃)热利用,主要为生活用热;中温(80℃~250℃)热利用,应用领域为工业用热;高温(300℃~800℃)热利用,可用于太阳能热发电。太阳能光热利用,除最常用的太阳能热水器外,还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能海水淡化、太阳能空调、太阳能泳池加热、太阳能采暖、太阳能开水器、太阳池、太阳炉以及太阳能工业应用等。

由于污染严重,我国大部分地区都出现严重雾霾天气,国家正花力气治理环境污染问题,太阳能是清洁的可再生能源,在替代传统能源减少污染物排放、治理雾霾、净化空气方面有重大贡献。尤其在广大农村地区,电能和天然气供应不足,开发和利用太阳能资源更是解决我国采暖去煤炭化的重要途径之一。本文介绍的是北京市郊区社会主义新农村建设中利用太阳能和低温空气源热泵结合,用来满足用户全年热水供应和冬季采暖使用,要求夏天每天供应300L温度50℃生活热水,冬季每天供应200L温度50℃生活热水和保证室内温度18℃。

本项目为与建筑结合的嵌入式平板分体复合太阳能热水系统,平板集热器嵌入安装在建筑物的南坡屋面上,集热器的四周略高于坡屋面的釉面瓦。太阳能集热系统为承压间接分离式,循环工质为高效换能液,循环管路为紫铜管,所有接口为承插焊接,保证系统在高温高压下可以稳定运行。本项目的末端散热器为地埋管,既保证了采暖效果又节约室内空间。

一、系统组成和工作原理

该新型农村社区太阳能与建筑一体化采暖与生活热水项目,总建筑面积16529平方米,其中地上12780m2,地下4309m2,结构形式砖混结构,地上3层,地下1层。该项目内共有9栋住宅和1栋村委会楼,住宅楼一梯两户,其中建筑面积75m2A户型33套,建筑面积95m2B户型57套,建筑面积115m2C户型36套,小区总计126户,建筑物布局图见图1。

图1 项目建筑物布局图

夏季生活热水以太阳能为主,阴雨天气采用空气源热泵辅助加热,冬季优先采用太阳能,当太阳能热量不足时用空气源热泵补充。本系统的工作状态可以在太阳能生活热水、太阳能采暖、空气源热泵采暖、空气源热泵为生活热水辅助加热之间自动切换。该系统按工作功能分为太阳能集热储热部分、生活热水供应保障系统、采暖和室内温度调节系统,为保证系统运行数据的准确可靠,本系统还带有能量检测和数据传输功能。

1、太阳能集热和储热系统工作原理

该系统采用温差强制循环工作方式,当集热器出口介质温度比水箱温度高一定值时集热循环泵启动,把太阳能集热器获得的能量通过换热器转储到储热水箱中,当集热器出口温度和水箱温差降低到设定数值时,停止集热循环泵,系统运行原理图见图2。

图2 系统运行原理图

2、辅助能源功能  

本系统具有电加热和空气源热泵双辅助能源系统。空气源热泵在冬季既可以作为采暖的主要能源也可以作为生活热水的辅助热源,在夏季如果用户不使用空气源热泵,本系统的储热水箱还内置了2kw的电加热作为辅助能源。

为节约常规能源,其工作方式为定时加热方式,在设定时间段当水箱热水温度低于设置温度时,启动辅助能源(电加热或空气源热泵,这两者可以通过控制器菜单选择);当水温达到设定温度则停止辅助能源。

3、太阳能热水辅助采暖功能

在采暖季电动三通阀V2的1-2通,采暖工质经分、集水器循环。当房间温度低于设定温度时温控器给出采暖信号,这时采暖循环泵P2启动,地板采暖盘管中的工质开始循环;控制系统根据储热水箱的温度决定是采用太阳能采暖还是直接启动空气源热泵采暖,且始终坚持太阳能优先且保证生活热水供应。

当水箱温度高于设定温度一定值时,电动三通阀V1的1-3通,太阳能水箱的热量经水箱中的上部盘管换热器换热后向分集水器提供能量,这种状态下空气源热泵的压缩机不启动。当水箱温度低于设定值时,电动三通阀V1的1-2通,切断采暖系统和太阳能水箱的通道,太阳能系统不再提供采暖所需能量,启动空气源热泵的压缩机,空气源热泵为制热状态,通过空气源热泵向房间供暖。

4、空气源热泵加热生活热水功能

在夏季温控器没给出采暖需求信号前提下,电动三通阀V2的1-3通,电动三通阀V1的1-3通,采暖工质不再经分集水器但经过水箱上部盘管换热器循环。在设定的辅助能源加热时间内当水箱热水温度低于设定温度一定值时,控制系统启动空气源热泵对水箱进行加热。

二、系统特点

 1、本系统通过控制器的逻辑控制,采暖系统和水箱加热系统共用一套循环水泵,节约了系统投资,节省安装空间,系统更加紧凑;通过三通阀的不同流向控制循环工质的流动方向,保证夏天用空气源热泵对水箱加热时,热量不流经地盘管系统;采暖季根据储热水箱温度控制空气源热泵压缩机的启停,节约系统能量。该系统的控制仪实现了太阳能集热储热系统控制、室内温度控制、空气源热启停控制的统一控制,操作简单,维护方便。

2、太阳能集热系统采用间接承压分离式系统,集热器为平板集热器,循环介质为低凝固点高沸点太阳能专用导热液。水箱为碳钢搪瓷双盘管搪瓷水箱,系统具有自然防冻,防过热保护功能。生活热水压力和自来水压力相同,洗浴舒适度好。

3、太阳能集热器采用嵌入式安装方式,嵌入安装在屋顶坡屋面的南坡上,和建筑物浑然一体。防水设计采用专用铝型材和硅胶密封条及防水胶,保证太阳能和建筑完美结合的同时防水性能优异,太阳能集热系统和建筑物同寿命。太阳能与建筑结合效果图和节点图见图3~图7。

图3 集热器布置效果图

图4 坡屋面嵌入式安装效果图

图5 坡屋面集热布置设计图

图6 集热器和瓦屋面结合节点图

图7 集热器横向布置及连接节点图

4、空气源热泵采用空气增焓低温压缩机,保证在环境温度-25℃条件下可以正常运行。且COP值不小于1.6;末端散热器采用地埋管地板采暖系统,既提高冬季采暖的舒适性,又节约了室内空间。由于采用低温采暖系统,太阳能集热系统和空气源热泵的效率都得到提高。

5、采用带温控开关和压力平衡阀的分集水器来单独控制各房间的温度,可个性化设置各房间的温度,在保证舒适度的同时节能最大化。

6、本项目是太阳能与建筑完美结合的典型应用,集热器嵌入平铺在坡屋面上,集热器上表面略高于瓦面(因为本建筑所用瓦是圆弧状釉面瓦),四周用专用铝合金型材做防水结构,铝型材下部以及四周和瓦接触部分用聚合物混凝土砂浆填实抹平,抹平后的铝型材四周用防紫外线油性防水涂料涂刷数遍以提高防水性能。左右两块集热器之间由于有连接接头,因此间距比较大,采用L型密封条和专用铝型材密封,专用铝型材和集热器铝型材外框接触部分用耐候胶密封,上下两块集热器之间的间距较小,采用专用硅胶密封条和耐候胶密封。

   7、本项目所有集热管道和测温探头及测温导线都敷设在瓦下面的保温层内,保证屋面整洁美观。

三、社会效益和环保效益

该项目设计太阳能之处采暖季太阳能保证率为26%,经测试太阳能保证率为25.8%,基本达到设计要求。采用该项目后每年节约的常规能源折合标准煤为404吨,年减排年减排CO2:1074.6吨 ,减排粉尘量:80.8吨(20%粉尘率)年减排SO2:9696kg,年减排氮氧化合物:2828kg,该项目的投资回报期为5.2年。图8是安装4块集热器轮廓采光面积8㎡系统2015年1月3日~2015年3月28日期间日得热量实测曲线,纵坐标单位为MJ。图9是实测与建筑物屋面同样安装角度的太阳能辐照强度曲线,纵坐标单位为MJ/㎡,图10是冬季太阳能采暖时实测太阳能转换效率曲线,图11是根据实测数据计算出的太阳能保障率曲线和房间围护结构性能达标后太阳能保障率曲线。

图8 实测太阳能集热器热量曲线图

图9 实测太阳辐照强度曲线

图10 冬季太阳能采暖转换效率曲线

图11 太阳能保障率曲线

四、结论

   1、根据2015年1月3日~2015年3月28日的实测结果,太阳能加低温空气源热泵的符合太阳能采暖系统是能满足北京市北部郊区冬季采暖需求的。

   2、采用本设计方案的与建筑结合的太阳能集热系统外表美观,与建筑浑然一体,防水性能练好,可以做到与建筑物同寿命。

   3、冬季采暖时太阳能系统的光热转换效率比测试中心的测试效率要低,这主要是因为环境温度低、集热器进出口温度比测试标准要高很多,系统的热损比理想工况时大等因素造成的,在进行太阳能采暖设计时要考虑集热器集热效率下降所需要的集热面积补偿因素。

 

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